關(guān)于光的研究經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，首先是牛頓的微粒說(shuō)，到惠更斯和托馬斯·楊的波動(dòng)說(shuō)，愛(ài)因斯坦大膽接受普朗克的量子說(shuō)并將光量子化后，光的本質(zhì)才得以顯露真容。當(dāng)物理學(xué)家還在想辦法解釋為什么波會(huì)是粒子的時(shí)候，一個(gè)年輕的法國(guó)王子德布羅意(Louis de Broghie)丟下了一個(gè)炸彈，一舉掃平了古典觀點(diǎn)的殘余。他說(shuō)，不但波是粒子，而且粒子也是波！

德布羅意方程式

德布羅意(包含在他的博士論文里)的觀念是說(shuō)，凡是物質(zhì)皆有與之“對(duì)應(yīng)”的波。這個(gè)觀念不只是哲學(xué)的思維，而且已經(jīng)是數(shù)學(xué)的思維。德布羅意運(yùn)用簡(jiǎn)單的普朗克方程式和愛(ài)因斯坦方程式，構(gòu)成了他自己的方程式：λ=h/mv。這個(gè)方程式?jīng)Q定了“對(duì)應(yīng)”于物質(zhì)的“物質(zhì)波”的波長(zhǎng)。這個(gè)方程式表達(dá)的事情很簡(jiǎn)單，粒子的動(dòng)量越大，其對(duì)應(yīng)波的波長(zhǎng)就越短。

（1）宏觀物體的大小比其波動(dòng)性波長(zhǎng)大的多

這個(gè)方程式說(shuō)明了宏觀世界之所以看不到物質(zhì)波的原因。以我們眼睛所能見(jiàn)的最小物質(zhì)為準(zhǔn)，這樣的物質(zhì)雖然在我們看來(lái)那么小，可是其相應(yīng)的物質(zhì)波與它相較之下還是小到難以想象，所以其物質(zhì)波的效應(yīng)可以不計(jì)。

（2）微觀物質(zhì)大小比其波長(zhǎng)小的多

我們一旦深入亞原子譬如電子—這么小的東西的時(shí)候，它的大小比起它的對(duì)應(yīng)波的波長(zhǎng)卻小了很多。在這種種情況之下，物質(zhì)的波行為應(yīng)該會(huì)很清楚，那么物質(zhì)的行為與我們習(xí)慣上所想的“物質(zhì)”的行為應(yīng)該也不一樣才對(duì)。事實(shí)也是如此。德布羅意提出這個(gè)假說(shuō)才不過(guò)兩年，實(shí)驗(yàn)者戴維森與他的助手格默就在貝爾實(shí)驗(yàn)室以實(shí)驗(yàn)證明了這個(gè)假說(shuō)。戴維森和德布羅意雙雙榮獲諾貝爾獎(jiǎng)，不過(guò)物理學(xué)家仍然不僅要解釋為什么波是粒子，而且還得解釋為什么粒子是波。

電子繞射實(shí)驗(yàn)說(shuō)明粒子的波粒二象性

戴維森-格默實(shí)驗(yàn)很有名，這個(gè)實(shí)驗(yàn)顯示電子由晶體表面反射回來(lái)的一種情形。這種情形只有在電子是波的情況下才能解釋。不過(guò)，電子當(dāng)然是粒子。

電子繞射從字面上看顯然矛盾，不過(guò)在今天已經(jīng)是個(gè)平常的現(xiàn)象。一束電子從小孔譬如金屬箔片上面原子之間的空隙射過(guò)的時(shí)候，會(huì)像光束一樣產(chǎn)生繞射。若是照傳統(tǒng)的說(shuō)法，電子不可能產(chǎn)生繞射，可是實(shí)情卻是產(chǎn)生繞射了。下面就是電子繞射的照片。

由波組成的光開(kāi)始像粒子的時(shí)候，我們已經(jīng)夠手足無(wú)措了，等到本來(lái)是粒子的電子開(kāi)始像波的時(shí)候，這讓科學(xué)家很是驚訝。顯然，量子力學(xué)對(duì)粒子所做的揭示仍然是一出高度懸疑的一場(chǎng)大戲；以前是，現(xiàn)在還是。海森堡說(shuō)：

我還記得我與玻爾(1927年)討論的情形我們討論了好幾個(gè)小時(shí)，直到深夜才在幾近絕望中結(jié)束。我一個(gè)人在公園里散步，心里一直在想一個(gè)問(wèn)題，那就是，自然界對(duì)我們還有比這些原子實(shí)驗(yàn)更荒謬的嗎？

什么是物質(zhì)波

然而后來(lái)的實(shí)驗(yàn)卻顯示不只亞原子粒子有對(duì)應(yīng)的物質(zhì)波，連原子和分子都有。唐納·休斯有一本開(kāi)拓性的著作，叫做《中子光學(xué)》(Neutron Optics)。他先為粒子與波的合并提出有力的宣言，然后德布羅意王子的論文才使物質(zhì)波誕生。其實(shí)，理論上，每一種東西棒球、汽車(chē)、人等等——都有一種波長(zhǎng)，只不過(guò)因?yàn)檫@些波長(zhǎng)太小，看不見(jiàn)而已。

（1）德布羅意并沒(méi)有對(duì)他的理論加以解釋

德布羅意自己也沒(méi)辦法詳細(xì)說(shuō)明自己的理論。他先預(yù)言物質(zhì)譬如電子有波的現(xiàn)象，爾后戴維森-格默實(shí)驗(yàn)才證實(shí)他的預(yù)言。他的方程式甚至還預(yù)言這些物質(zhì)波的波長(zhǎng)?？墒?，這些波到底是什么東西，沒(méi)有人知道(到現(xiàn)在還是沒(méi)有人知道)。他說(shuō)這些波是與物質(zhì)“對(duì)應(yīng)”的波，可是到底何謂“對(duì)應(yīng)”,他也沒(méi)說(shuō)。這樣說(shuō)來(lái)，一個(gè)物理學(xué)家預(yù)言了一件事情，并且還建立了一個(gè)方程式來(lái)說(shuō)明這件事情，可是卻不知道自己說(shuō)的是什么東西，這樣行得通嗎？行得通。羅素(Bertrand Russell)說(shuō)：

數(shù)學(xué)可以界定為：不知道在說(shuō)什么，也不知道說(shuō)得對(duì)不對(duì)的學(xué)科。

（2）量子力學(xué)是經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)之學(xué)

?因?yàn)檫@個(gè)道理，所以量子力學(xué)雖然不曾說(shuō)明世界“到底”是什么樣子，而且只預(yù)測(cè)或然率而不預(yù)測(cè)真實(shí)事件，可是哥本哈根的物理學(xué)家還是接受了量子力學(xué)，認(rèn)為它是完整的理論。他們之所以接受量子力學(xué)，是因?yàn)榱孔恿W(xué)能夠?qū)⒔?jīng)驗(yàn)組織起來(lái)，建立正確的關(guān)系。量子力學(xué)是經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)之學(xué)。甚至，依照實(shí)用主義的看法，一切科學(xué)皆是如此。這其中，德布羅意的方程式正是把經(jīng)驗(yàn)組織起來(lái)建立了正確的關(guān)系。德布羅意借托馬斯·楊(雙縫實(shí)驗(yàn))和愛(ài)因斯坦(光子論)兩位天才合并波和粒子，使“波粒二象”這個(gè)難題有了理論解釋?zhuān)瑩Q句話說(shuō)，他整合了能量的量子本質(zhì)與波粒二象性這兩個(gè)最具革命性的物理現(xiàn)象。

德布羅意是在1924年提出物質(zhì)波理論的。量子力學(xué)就在此后的三年之內(nèi)發(fā)展成為今天的樣子。牛頓物理學(xué)、單純的想象、常識(shí)等等，這樣的世界消失了。一個(gè)新的物理學(xué)已經(jīng)成形，它的顛覆性與強(qiáng)大，令人震撼。