Simone
什么是粒子？什么是波？粒子性和波动性的具体内容是什么?这些问题要先搞清楚。要不然说了半天我们其实各自在说各自所谓的粒子、波，那样难免误会。你说到了，光的粒子性表现为光子，可是你这里“光子”的具体含义又是什么呢？它有什么性质？光子的具体性质才是波粒二象性之所在。波指的是具体的物质存在形式，波动性指的是波所表现出来的特有的性质。这些特性包括干涉、衍射、偏振、周期性等。电磁波既然称为波，当然也具有这些性质。粒子最明显的特征就是颗粒性，或者说是整体性。对于微观粒子来说，这种整体性指的是在物理过程中它所表现出来的不可分割性。这种不肯分割性指的是一旦涉及便是指整个粒子，而不存在粒子的“某一部分”这个说法。那么电磁波的波粒二象性就是电磁波同时具有波动性和粒子性。说得具体一点，就是电磁波既具有干涉、衍射、周期性等波动特性，也具有颗粒性或者说整体性。实际上电磁波在传播过程中往往表现波动性，而在与物质相互作用的时候往往表现粒子性。比如说光子总是整个地被吸收和整个地被辐射，不会有“半个光子”或者“光子的某一部分”这一说法。光子可以分析，但不可分割。这才是它的粒子性之所在。（这个一般量子力学教材中都有说明，具体比如曾谨言的《量子力学》卷一一开始就有详细的说明。）要用实验来检测这个说法，自然要从这些波动性和粒子性的特征上入手。电磁波的波动性很明显，因为我们知道它具有频率、波长、周期这些波所具有的物理量，还有干涉衍射等等特征。至于粒子性，你在问题中特别提到了微波的粒子性，我想给出一种证明所有电磁波都具有粒子性的简单过程。首先我要说明一下电磁波的某一个波段的粒子性，然后我再说明其它波段的电磁波同样具有粒子性。先举两个特例1.光电效应。爱因斯坦首先用光量子理论对光电效应现象作了完美的解释，并因此获得诺贝尔奖。2.康普顿散射实验。这个实验进一步证实了光量子的存在。现在我们至少知道了电磁波的某一个波段比如X射线（康普顿散射实验中所用的电磁波段）是具有粒子性的。然后我向你证明任何其它波段的电磁波都具有粒子性。物理实在对于任何观察者而言都是相同的。对于一个客观事件，你站着看跟坐着看，或者跑着看，它都是同一个事件。客观的物理规律不会因为观察者的运动状态而发生变化。我在实验室里用X射线做康普顿散射实验，同时你顺着入射光方向相对于我做高速运动，只要恰当地选择你我之间的相对速度，由于多普勒效应，入射光在你的参考系中看到的将不是X射线，而是微波。这个时候你看到的就是微波的康普顿散射过程。在我的参考系中这个过程表现了我选择的这束光有粒子性，那么同样的这个过程在你看来就应该能够得到跟我同样的结论——我所选择的这束光具有粒子性。因为我们看到的是同一件事。不断地改变你跟我之间的相对速度重复以上过程，尽管我总是用同一频率的X射线做散射实验，但调节我们之间的相对速度，在你的参考系中可以看到任何波段电磁波的散射态模实验过程。这就证明了任何波段的电磁波都具有粒子性。其实类似的过程非常常见。宇宙的背景辐射正好是微波波段，整个空间中充满了均匀各向同性的微波辐射。当遥远的天体所发出的高能粒子流以接近光速的速度向我们运动的时候，由于多普勒效应，在这些粒子看来跟它们迎面的全是高能伽马射线而不是微波。跟这些相反而行的高能伽马射线不断碰撞，粒子流的强度会大大衰减。这就是越遥远的宇宙线到达我们这里时强信闭宴度变得越弱的原因之一（当然也包括星际尘埃造成的强度衰减等等其它原因）。反过来，我如果做电磁波的干涉、衍射实验，你调节我们之间的相对运动速度，你就可以在另一个参考系中看到伽马射线的干涉、衍射现象。在以上说明中我是以一个具有肯定结论的单个波段的实验过程加上多普勒效应来说明所有波段电磁波都具有波粒二象性。单波段的那个实验是有人做过的，我们有条件也可以重复做的，这个单波段的结论当是可靠的。多普勒效应也是可以用实验来验证的。所以这个证明过程在逻辑上是自洽的，同时也是可以通过实验检验的。跟直接用微波做粒子性实验的区别是，这样的论证可以得出较普遍的结论，而不必对每个电磁波段都去设计直接的实验。在理论上，普朗克——爱因斯坦关系式或者德布罗意关系式很好地说明了波粒二象性的完美统一。E=hvp=h/λ这两个式子的左边是能量E与动量p，是通常用来描述粒子的物理滑银量，而右边是频率v和波长λ，是用来描述波的物理量。这两个等式说明了微观粒子的粒子性和波动性具有深刻的内在联系。而且这里的频率和波长是任意的，并没有数量上的限制，这也从理论上说明了这种波粒二象性对于微观粒子是普遍的，而不是某种特殊频率的光子才具有的。 补充说明：楼主提的问题很有意思，很有基础性，看得出来你也进行了颇多的思考。在大学物理系中，大概在三年级前后有一门课叫《电动力学》，其中有一章是狭义相对论。这一章里有关于多普勒效应的详细推导。一束光在不同的参考系中看来确实是不同的，A系看可能是微波，B系完全可以成为可见光甚至伽马射线。我们看到一束微波，但不能说它在任何情况下都是微波，因为它的本质仅仅是电磁波而不是某一波长的电磁波。我们说它是微波是因为在我们的参考系中它的波长正好处在微波波段。但是电磁波的波长和频率是因参考系而变的，在不同的参考系中它具有不同的波长和频率。那么我们换一个参考系去看，它在那个参考系中当然就可以是其它波段的电磁波。波长和频率可以因参考系而变，但是物理规律不应该发生变化。所以我们可以反过来看，既然我们的实验室参考系中紫外光可以发生光电效应，那么在另一个参考系它表现为微波的时候，光电效应这个过程应该也是实在的。只是那个时候实验材料会有一个很大的速度。这种参考系变换在物理学中是很常见的。我说要强调的是，你所指的微波，其实仅仅在我们的参考系中成立，换到别的参考系它就不是微波了。对于以上证明，楼主理解的困难主要在于不熟悉两个概念。一是多普勒效应，二是相对性原理。楼主在总结中也说到了，按照我的逻辑最后得出微波跟可见光一样也有光电效应。我想说，事实就是这样的！既然楼主不太能理解参考系变换的证明过程，那我们就换一套说法。如果楼主以后有机会学习相对论，那时自然会一目了然。光电效应是在光照下某种材料中束缚态电子被电离而成为自由电子的现象。不同的材料有不同的临界频率，这个决定于原子中电子所在的束缚态距离电离的能级差。当光子能量大于这个能级差时就能发生光电效应，如果光子能量小于这个能级差，光电效应就不能发生。但是我们可以考虑换一种材料来实现。微波光子的能量hv，只要找到一种材料，其原子中有电子处于电离态附近，即电子距电离的能极差小于hv，这样的材料在微波的辐射下就可以使电子电离。我说的只是一个思想，原则上是可以实现的，但实际操作上，这样的材料存不存在，是否可以制备，我不太清楚。所以：1）所有电磁波都具有波粒二象性2）电磁波的粒子性表现在与物质的相互作用过程中，譬如碰撞、吸收、散射等。3）原则上可以根据光电效应思路去找一种临界频率较低的材料来做光电效应实验。当然也可以考虑其他实验。比如可以借助天文观测来证实，高能天体物理理论中有一种叫康普顿辐射的过程，有些模型提出高能相对论电子与微波背景辐射的光子发生康普顿散射，从而变成伽马光子。这种模型是可以详细计算的，并可以将结论通过与天文观测相比较来判断其真伪。当然至今为止，存在康普顿辐射这个过程在天体物理中是被广泛认同的。天上的东西毕竟离我们太远，也太复杂。所以还是建议尽可能地在实验室里寻求实验证明。4）利用光电效应的难点：微波光子能量太小，不知是否可以找到合适的材料。这是我所能想到的。因本人是理论物理专业，对具体的实验实施会存在什么其他的困难确实知之甚少。这点还期望各位高见。
