波粒二象性在起作用--大分子在自己的波上冲浪

波粒二象性是宇宙的一个基本事实。但是我们没有看到很多物体像波浪一样四处移动。这就是为什么当高尔夫球击中你的头部时会痛的原因：你和高尔夫球的行为都像粒子一样。

原则上，这种波浪式的性质是可以观察到的。研究人员现在已经用几个相对较重的复杂分子证明了这一点。

波粒之争始于艾萨克·牛顿时代。人们刚刚开始了解水波，一系列的实验表明，光比肉眼看到的要多得多。那么光是粒子流还是波呢？这场争论一直在激烈进行，直到托马斯·杨(Thomas Young)在1803年提交了他经典的双缝实验结果，表明光是波。

当人们发现光可以导致固体从其表面发射电子时，这个巧妙的结局陷入了混乱。阿尔伯特·爱因斯坦在1905年通过将光描述为粒子来解释这一点。从那时起，想象力的短暂跳跃就意识到光既是粒子又是波。波粒二元性诞生于各地物理学家痛苦的尖叫声中。

如果光既是粒子又是波，为什么不是其他一切呢？路易斯·德布罗意提出了这一观点，1927年乔治·汤姆森证实了电子波粒二象性。波粒二元性一直停留在这里，但在重粒子中观察它是非常具有挑战性的，因为粒子的波长非常短。

在这项新的工作中，研究人员的目标是使用重分子观察衍射-波的一种特性。想象一下一个边缘清晰的屏幕。当光线照射到屏幕上时，屏幕后面有三个区域：光线照射屏幕并被遮挡的区域(这会导致阴影)；光线错过屏幕并通过的区域；以及由光线击中锐边创建的第三个区域。边将向所有方向重新辐射灯光，包括进入阴影和明亮区域。

与没有遇到边缘的光相比，重新辐射的光走了一条不同的路径。结果是，一些看起来应该是亮的区域实际上是暗的，而暗的区域可能看起来更亮。明暗图案称为衍射图案。衍射是成像系统(包括我们的眼睛)能够工作的原因。

对于要测量的衍射图案，必须适当地保存波。这样想一想：想象一下，你坐在锐利的边缘，能够测量光波进入时的振幅，以及重新辐射时的振幅。利用波动定律，你可以在稍后预测空间中任何其他位置的振幅，但只有在没有干扰波动的情况下，这才是正确的。在这种情况下，您将观察到衍射图案。然而，一个波受到的干扰越大，衍射花样就越弱。足够弱，最后它就消失了。

重粒子就像分子一样，由一组较小的带电粒子组成，这些粒子很容易受到猛烈撞击。这意味着分子的波动性质在每次碰撞时都是随机变化的，使得振幅不可预测，并冲刷掉了衍射图案。

这使得测量质量分别为氢331倍和515倍的两个分子的衍射图样令人印象深刻。

为了从分子中获得衍射图案，研究人员需要创建一束所有分子都具有相似速度的光束。为了做到这一点，研究人员使用激光将分子从玻璃窗上炸开。分子云将以巨大的速度冲进真空。一条垂直的狭缝被放置在射程下方，只允许分子沿着正确的方向行进，才能击中目标。目标不是如上所述的边缘，它是产生驻波图案的激光束发出的光。驻波图案中的高强度峰精确地偏转了分子，就好像它们穿过了缝隙，产生了衍射图案。然后，分子继续向下运动。

在这一点上，分子都有不同的能量(速度)，所以衍射图将被洗掉。但由于重力，分子也在下降。第二个水平方向的狭缝选择在移动一定距离后坠落的分子。这也选择了一个速度，因为快的分子会超过狭缝，而慢的分子会不足。

在第二个缝隙之后，分子会跑进一个屏幕，在那里它们会粘在一起。研究人员选择的分子在受到蓝光或紫外光照射时会发光，因此让实验运行一段时间后，就可以观察到分子在屏幕上的位置。

研究人员表明，对于不同的分子速度和不同的入射角度，他们可以在驻波图案上观察到不同的衍射图案。衍射图案相当弱，但这在第一次演示中是可以预料到的。然而，即使是这些嘈杂的结果也与理论相当吻合。

我发现最值得注意的是，分子的内部状态似乎一点也不重要。这些分子刚刚被猛烈地踢出玻璃盘。他们疯狂地旋转和振动，就像一个吃糖兴奋的孩子。然而，它们也在实验中平静地滑行，允许它们的波浪性质扩散并相互干扰。我想不到会是这样的情况。