我們能操控粒子的形狀嗎？

秦泥萌

瑞士科學家拍攝的光同時表現波粒二象性的照片。

德國烏爾姆大學的實驗系統

德國小組的實驗樣品——單個氮“缺陷”的人造鉆石

我們為什么能看到五彩繽紛的世界？這是因為陽光的存在，有了光，我們才能看到紅花綠葉、碧海藍天。紅花綠葉是什么樣子，我們可以用許多生動的詞匯去描述它們，即使沒有見到這些東西的人也能通過我們的描述去想象出來。但是，讓我們看到這一切的東西，光線，它是什么樣子的呢？我們應該怎么描述它？

光的波動性和粒子性由什么決定？

要描述日常生活中常見的東西，我們有許多方法，形狀、顏色、大小等，通過這些性狀，即使是沒見過這些物品的人也能將物品對號入座。但是對于看不見的粒子，我們卻存有許多疑惑，例如最常見的光，我們對它的描述就有過多次的反復。

牛頓根據光遇到光滑的平面會發生反射的現象，提出了光微粒說，他認為光微粒就像宏觀的小球一樣，遵守力學運動定律，遇到阻礙會發生反彈。惠更斯覺得不可思議，光明明是一束束的，怎么可能是微粒？他認為光是一種波，提出了光波動說。當然我們現在知道，光同時具有波和粒子的雙重性質，也就是“波粒二象性”。

直到2015年，瑞士的科學家終于通過實驗拍攝到了光同時表現波粒二象性的照片。在照片中，兩列光波在空中相遇時會發生疊加，出現條紋，當科學家向光波發射電子流時，電子撞擊到光子，速度發生了改變，光波也變成了“顆粒狀”。

但是，光不會同時表現波動性和粒子性，當光波相遇時會發生疊加，出現條紋，而不是碰撞后消失，這時光的波動性超越了粒子性;當光波碰到電子流，會發生“碰撞”，改變電子的速度，光的粒子性又壓倒了波動性展現出來。這兩個性質就猶如“東風”和“西風”，不斷爭奪著主導權，那么光的波動性和粒子性究竟孰強孰弱，這由什么決定呢？

環境影響粒子的狀態

如果想要解開這個謎團，就只能繼續做實驗了。當然，這樣的實驗是非常難做的，德國烏爾姆大學的一個研究小組絞盡腦汁，終于“看到”了決定粒子狀態的過程。

他們將鉆石中的一個碳原子替換成了氮原子。我們知道，原子間的作用力（也叫做化學鍵）就是電子兩兩成對的靜電作用力，而氮原子比碳原子要多一個電子，在氮原子取代了鉆石中原來的碳原子之后，氮原子多出來的一個電子就找不到電子跟它成鍵，它成為了“孤獨”的個體。

在鉆石的晶格中，化學鍵中成對的電子彼此的自旋（自旋是粒子的基本性質，因自旋而產生磁場）狀態是相反的，這樣它們產生的磁場力可以相互抵消，更加穩定。但是孤獨的電子因為沒有配對的對象，它擁有著自旋的自由，可能頭朝上，也可能頭朝下。

但是，這個孤獨的電子卻不是真正意義上的“孤獨”。

鉆石雖然是碳原子組成的單質，但是并不全是“碳12”原子，還有大約0.3%的“碳13”（碳的同位素之一，它比常見的“碳12”多一個中子），“碳12”的原子核是電力和磁力都平衡的穩定原子核，但是“碳13”的原子核磁力并不平衡，它的磁力會影響到“孤獨電子”的自旋狀態。

科研小組發現，平均每個“孤獨電子”會和附近的四個“碳13”原子核產生相互吸引的磁力，自旋方向受到“碳13”原子的影響，它的自旋方向是固定的，不再那么自由，而且檢測越多的“碳13”原子包圍圈，孤獨電子的自旋方向越確定，這說明我們可以通過檢測環境的狀態預測到粒子的狀態了。

幾乎同時，中國和意大利的科學家也分別獨立構建了另一種實驗系統，他們的實驗結果同樣證明了，粒子的狀態會受到周邊環境的影響。

通過這些實驗，我們可以得到這樣的結論，盡管量子世界的粒子們的很多性狀我們還不知道為什么這樣呈現，但是，粒子的最終優勢狀態，是周邊環境“選擇”出來的。就像鉆石中的“孤獨電子”，它的自旋狀態會受到其周圍的四個“碳13”原子核的影響一樣，光的波動性和粒子性誰更占優勢，也會受到周邊環境的影響。

那么，未來我們可以改變粒子的性狀嗎？比如改變光粒子的優勢狀態、鈾粒子的衰變時間，甚至改變反粒子所帶的電荷？也許這一切都可能實現，因為改變粒子的周邊環境，我們就可能控制粒子的性狀。