我們都很熟悉佛家的三個(gè)境界：看山是山，看水是水；看山不是山，看水不是水；看山還是山，看水還是水。那是宋代禪宗大師青原行思提出的關(guān)于參禪的三重境界。這個(gè)境界已經(jīng)有了很多哲學(xué)方面的闡釋，適用于人生。而提起這三個(gè)境界，我第一個(gè)聯(lián)想到的卻是物理學(xué)中的波粒二象性現(xiàn)象。
光是這個(gè)世界上最平常的東西。圣經(jīng)中上帝造物，造的第一個(gè)就是光。我們看光，也就是佛家的第一個(gè)境界：看光就是光。
但光到底是什么東西？
在大自然中最直觀的波就是水波，但其實(shí)更多的是看不見(jiàn)的波?？茖W(xué)家們發(fā)現(xiàn)電和磁都是一種波，還引進(jìn)了諸如電場(chǎng)和磁場(chǎng)等場(chǎng)的概念。麥克斯韋爾在19世紀(jì)60年代提出：既然磁場(chǎng)可以產(chǎn)生電場(chǎng)，那么電場(chǎng)也可以產(chǎn)生磁場(chǎng)。他的麥克斯韋爾方程式確定了電磁學(xué)的法則，并預(yù)言了電磁波的存在以及電場(chǎng)和磁場(chǎng)穿過(guò)空間的結(jié)構(gòu)。麥克斯韋爾的方程式可以推算出電磁波的速度與光速相等，因此他得出結(jié)論：光就是一種電磁波。電磁波還包括無(wú)線電、紅外線、紫外線、X射線、伽馬射線等，它們的頻率（由此導(dǎo)致波長(zhǎng)）不同。1887年，赫茲在實(shí)驗(yàn)室中產(chǎn)生并接收了電磁波。1901年，馬可尼在大西洋之間傳輸了無(wú)線電波。
所有的波都具有一種特征：波干涉。兩種或兩種以上不同的波混合時(shí)會(huì)產(chǎn)生幾種可能的結(jié)果。上圖顯示兩個(gè)波的波谷和波峰重合，導(dǎo)致波的振幅增大，這稱為相長(zhǎng)干涉（constructive interference）。圖B顯示兩個(gè)波，上面的波的波谷與下面波的波峰重合，導(dǎo)致波的對(duì)消，這稱為相消干涉（destructiveinterference）。
盡管牛頓早就提出光由粒子構(gòu)成，但是惠更斯卻說(shuō)：光是一種波。1800年，托馬斯·楊通過(guò)雙狹縫實(shí)驗(yàn)證明了光是一種波，因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)中，光束有干涉，這是只有波才有可能表現(xiàn)出的現(xiàn)象。1860年，麥克斯韋爾說(shuō)：光是一種波。1905年，愛(ài)因斯坦為了解釋光電效應(yīng)，提出：因?yàn)楣饽芗性诠庾又校怨獗憩F(xiàn)出它好像是粒子一樣?？灯疹D效應(yīng)（Compton effect）顯示：當(dāng)光（X射線）與電子相互作用時(shí)，電子動(dòng)能增長(zhǎng)，同時(shí)光子波長(zhǎng)也相應(yīng)增大。在歷史上，康普頓效應(yīng)是許多舊時(shí)代的物理學(xué)家接受量子現(xiàn)實(shí)的決定性證據(jù)。
經(jīng)典物理學(xué)預(yù)言：電子應(yīng)該從光波中吸收能量，接著以相同的頻率重新發(fā)射。而實(shí)驗(yàn)顯示：光分散了頻率更低的電子，好像光是與電子相互作用的一束粒子，就像兩個(gè)臺(tái)球相互碰撞一樣。這樣就產(chǎn)生了一個(gè)量子困境：如果光由粒子組成，那我們?nèi)绾谓忉屚旭R斯·楊的雙狹縫實(shí)驗(yàn)中光所表現(xiàn)出的典型的干涉現(xiàn)象？光子通過(guò)了哪條狹縫？如果蓋住了一條狹縫，干涉圖案就消失。那么通過(guò)另一條狹縫的光子是如何“知道”第一條狹縫被蓋住了？而如果在每條狹縫后放置光子探測(cè)器去“捕捉”穿過(guò)狹縫的光子，那么干涉的圖案也會(huì)消失。此外，如果降低光的亮度，使每次只有一個(gè)光子通過(guò)狹縫，那么干涉圖案還是會(huì)逐漸出現(xiàn)。每個(gè)光子肯定“知道”有雙狹縫的存在。
由此，我們看光進(jìn)入了第二層境界，看光不是光，因?yàn)椴恢浪降资遣ǎ€是粒子。那它到底是啥東西？
回答上面問(wèn)題的量子答案是：光既是一種波，又是一種粒子。這就是光的波粒二象性。愛(ài)因斯坦因?yàn)檫@一理論而于1921年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
波粒二象性意味著當(dāng)你不去檢測(cè)光時(shí)，它就表現(xiàn)出波的特征，呈現(xiàn)出干涉效應(yīng)。此時(shí)它遵守麥克斯韋爾的方程式。光會(huì)分散，會(huì)穿過(guò)兩條狹縫。因此，如果問(wèn)光子穿過(guò)哪條狹縫，答案是都穿過(guò)！如果關(guān)閉其中的一條狹縫，波就不會(huì)干涉另一邊，所以干涉的圖案就消失。而當(dāng)你對(duì)光進(jìn)行檢測(cè)，它就表現(xiàn)出粒子的特征，在光探測(cè)器中射出電子等等。
波和粒子之間有一種關(guān)聯(lián)，不過(guò)這僅僅是一種統(tǒng)計(jì)上的關(guān)聯(lián)。發(fā)現(xiàn)光子的概率與波幅相關(guān)：波在某一點(diǎn)上越強(qiáng)，就越有可能在那里發(fā)現(xiàn)光子。根據(jù)玻兒的并協(xié)原理（principle of complementarity），這兩種特性對(duì)于描述光的行為都是必需的，且這兩種現(xiàn)象不會(huì)同時(shí)顯現(xiàn)：在干涉實(shí)驗(yàn)中，光表現(xiàn)波的特性，而在光電實(shí)驗(yàn)中，光表現(xiàn)出粒子的特性。
此時(shí)，我們進(jìn)入第三層境界，看光是光。由于波粒二象性的理論，我們知道光既是一種波，也是一種粒子。
1923年，法國(guó)的路易·德布羅意（Louisde Broglie）親王在其博士論文中提出：如果光表現(xiàn)出波和粒子的行為，那么應(yīng)該也存在與實(shí)物粒子關(guān)聯(lián)的“物質(zhì)波”，且實(shí)物粒子的相關(guān)波長(zhǎng)取決于該粒子的質(zhì)量和速率：波長(zhǎng)=h/mv。由于波長(zhǎng)極其微小，而日常生活中的物體質(zhì)量很大，所以我們不會(huì)注意到它們的物質(zhì)波現(xiàn)象。但由于亞原子的粒子質(zhì)量極小，因此粒子的波長(zhǎng)可以與和它互動(dòng)的系統(tǒng)規(guī)模相比。
德布羅意的物質(zhì)波假設(shè)已經(jīng)被電子衍射實(shí)驗(yàn)證明，它證明了電子也具有干涉和衍射等波現(xiàn)象。每個(gè)粒子都有波的方程式，在非相對(duì)論量子物理學(xué)中就是薛定諤的方程式。波是一種連續(xù)的、延伸的存在，在量子物理學(xué)中，“波”包括描述實(shí)物粒子行為的薛定諤方程式的解，這導(dǎo)致量子隧穿（quantumtunneling）等不同尋常的現(xiàn)象，即一個(gè)粒子可以穿過(guò)經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為其沒(méi)有足夠能量可以逃逸的障礙。這個(gè)已經(jīng)被原子核外出現(xiàn)的放射性粒子所證明。且太陽(yáng)核中的氫原子核克服電斥力的“障礙”，聚變產(chǎn)生氦，在此過(guò)程中，釋放出太陽(yáng)的能量。
波粒二象性和量子力學(xué)中的海德堡不確定性原理都是大自然固有的特征。它們完全顛覆了我們對(duì)于宇宙原有的看法。由于這些理論已經(jīng)得到實(shí)驗(yàn)的反復(fù)證明，因此它們?cè)缫殉蔀榭茖W(xué)理論，而不是玄學(xué)上忽悠人的想法。正是這些理論，使我們看待日常生活中平常的東西具有不平常的特征。而一旦理解它們以后，宇宙顯現(xiàn)出比以前我們所知道的更加豐富、更加迷人的樣子，也吸引著我們不斷去探索，以滿足我們的好奇心。
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