波粒二象性也许是整个物理学中最强大但又违反直觉的想法之一。它指出，每当量子粒子在空间中自由传播而未被观察和测量时，它的行为就像波一样。，不仅会与其他量子发生衍射和干涉，还会与自身发生衍射和干涉。然而，每当同一个量子被观察和测量，或被迫以揭示其量子态的方式与另一个量子相互作用时，当粒子沿非线性方向移动时，它就会失去波状特性，行为就像粒子一样。这种现象最早在 20 世纪初涉及光的实验中观察到留学之路，现在已知它适用于所有量子，包括电子甚至原子核等复合粒子。
但波粒二象性的故事并非始于 20 世纪初，也并非终结于 20 世纪初，而是可以追溯到几百年前：艾萨克·牛顿时代。这一切都始于一场关于光的本质的争论。这场争论一直悬而未决（尽管双方在不同时期都宣称自己“胜利”），直到我们开始理解现实的量子本质。虽然波粒二象性源于宇宙的量子本质，但人类如何发现它却充满了神秘的故事。
克里斯蒂安·惠更斯 ( ) 巧妙地将看似简单的平面波（如光或水穿过部分遮挡的障碍物）设想为一系列以球形向外传播的波，这些波相互叠加。波动力学这一思想不仅适用于水波等标量波，也适用于光和粒子。
惠更斯：光是一种波
想象一下波浪在水中传播，例如在海洋中：它似乎以特定的速度和特定的高度线性移动，只有当水深减小并撞击海岸时才会发生变化。球面波不是线性的、连贯的实体，而是在传播过程中相互叠加（如上图所示）
惠更斯注意到干涉、折射和反射的存在，并发现它们适用于水波和光，因此他推测光也是一种波。这是首次成功解释水波和光波的线性和球面波传播。然而，惠更斯的工作也有局限性，包括但不限于无法解释为什么波只向前传播而不能向后传播，无法解释“边缘效应”，也无法解释衍射发生的原因和方式。他的光概念无法解释。解释偏振的存在，当阳光从水体反射时很容易观察到偏振。
光是一种波的想法是由惠更斯提出的，并在整个欧洲大陆广为流传，但由于更有名的竞争对手的存在而局限于该大陆。
牛顿：光是粒子
1704 年，牛顿发表了他的论文《光学》，该论文基于他于 1672 年首次提出的实验。牛顿将光描述为一系列射线或微粒，而不是波，它们的行为方式类似粒子。这是从进行的实验中直接推论出来的，重点是折射和衍射现象。通过将光穿过棱镜，牛顿首次证明了光不是“白色”，而是通过与物质的相互作用改变颜色，而白色光本身是由光谱中的所有不同颜色组成的。
他尝试使用棱镜和透镜进行折射，使用间距很近的玻璃板进行衍射，以及使用各种颜色的光和颜料粉末混合在一起进行颜色混合。牛顿是第一个创造“ROY G.BIV”调色板的人，他表明白光可以分解为红色、橙色、黄色、绿色、蓝色、靛蓝和紫色。牛顿也是第一个意识到我们看到的颜色是由光的各种成分组成的。通过选择性吸收、反射和透射产生。
杨氏双缝实验
在整个 18 世纪，牛顿的思想在世界各地广为流传，对伏尔泰、本杰明·富兰克林和拉瓦锡等人产生了重大影响。但在 18 世纪末，即 1799 年至 1801 年，托马斯·杨开始对光进行实验。在这个过程中，我们对光的理解取得了两项重大进展。
第一个，也是最著名的进步如上图所示：杨首先进行了所谓的双缝干涉实验。通过将单色光穿过两个间距很近的狭缝，杨观察到了一种只能用波动行为来解释的现象：光在其产生的图案中产生建设性和破坏性干涉波粒二象性原理，方式取决于光的颜色。杨通过定量研究进一步证明，我们感知到的光的颜色实际上是由光的波长决定的
虽然牛顿的光概念仍然有其优点，但很明显波粒二象性原理，光的波动理论也有其优点，并且取得了牛顿粒子理论所没有的成就。随着 19 世纪物理学的发展，这个谜团只会越来越深。 .
不同波长的光在穿过双缝时会表现出与其他波相同的波状特性。改变光的波长以及改变缝隙之间的间距将改变出现的图案的细节。
西蒙·泊松和世界上最荒谬的计算
1818 年，法国科学院举办了一场揭示光的本质的论文竞赛，物理学家奥古斯丁·让·菲涅尔决定参赛。在那次竞赛中，他写了一篇论文，定量地详细描述了光的波动。理论，解释了惠更斯的波动原理和杨氏干涉原理。他还能够在这个框架内解释衍射效应，在他的论文中添加了叠加原理，这也解释了星星闪烁的颜色。
然而，最初，委员会中的牛顿粒子思想的支持者之一西蒙·泊松（Simon ）试图让菲涅尔退出比赛，因为泊松说，根据菲涅尔理论，如果取：
单色光，
使用发散透镜扩大光束，
让光束绕过球形障碍物
那么菲涅尔理论就会预测阴影中心会有一个明亮的发光点，而不是一个固体阴影。更糟糕的是，那个点会和光束在球体阴影之外的部分一样亮。显然，泊松根据推论，这个想法是荒谬的，因此光根本不可能具有波动性。
弗朗索瓦·阿拉戈论证了实验的荒谬性
但委员会由五个人组成，其中一人是废奴主义者、政治家、1848 年法国总统弗朗索瓦·阿拉戈。阿拉戈对菲涅尔的观点有些信服。自己开始做实验：创建一个单色光源，将其扩大成球形，然后将其绕过一个小的光滑球体，看看实验结果如何。也许令所有人惊讶的是，阿拉戈的实验表明菲涅尔的观点是正确的。此外，它似乎具有与未受阻挡的光相同的亮度，仅随光的波长、与屏幕的距离和球体的大小而变化。它还包含同心的、微弱的环，这些环是由不同波前的进一步干涉产生的。惠更斯的想法最终奠定了坚实的理论基础，并发展成为一种成熟的理论，现在可以解释诸如偏振之类的现象。波动性被科学界广泛接受。
麦克斯韦证明光是一种波
19 世纪也是电磁学领域进步和发现的辉煌时期。安培、法拉第、高斯、库仑、富兰克林等许多人的工作为 19 世纪最伟大的科学成就奠定了基础，最终形成了麦克斯韦方程组：
正如 19 世纪 70 年代所表明的那样，麦克斯韦方程组的一个结果是，在适当的条件下，将会出现某种电磁辐射：由振荡的、同相的电场和磁场组成的辐射，以一定的速度传播。宇宙速度，恰好是真空速度，最后，我们得到了一个看似完整的解释：光不仅仅是一种波，而是一种始终以宇宙速度即光速传播的电磁波。
爱因斯坦证明光的能量是量子化的
当然，物理学并没有随着经典电磁学的发现而终结，20 世纪初将迎来量子革命的早期阶段。这一关于我们现实的新概念的关键方面之一来自阿尔伯特·爱因斯坦。他 1905 年关于光电效应的论文将永远改变我们对光的理解。爱因斯坦使用导电金属板证明，照射到金属上会导致电子自发从金属中发射出来，就好像这些电子被照射到它们身上的光“激活”了一样，显然，如果能量足够，电子就会从它们所属的金属中脱离出来。
因此，爱因斯坦接下来的做法简直是天才。当他改变光的强度时，他注意到这改变了被踢出的电子的数量，但并没有改变它们是否被踢出。当他将光的波长朝相反方向改变为更短的波长时，他注意到电子总是被激发，无论强度如何。强度变得多么微弱和暗淡。
光似乎由单个“能量包”组成，这些能量包如今被称为光子，它们携带的能量与其频率成正比（或与其波长成反比），尽管光以波的形式传播。当它传播时，它仍然像微粒（或粒子）一样与物质相互作用，从而产生了现代的波粒二象性思想。
现代双缝与现实的二元性
事实证明，光子、电子和所有其他粒子都表现出这种奇怪的波粒二象性量子行为，如果你在它们的旅程中观察和测量它们，或者以其他方式迫使它们相互作用并交换能量和动量，对于其他量子，它们表现为粒子，但如果它们不这样做，它们就表现为波。这可以通过杨氏双缝实验的现代版本来证明，该实验不依赖于单色光，甚至可以使用一次穿过双缝的单个粒子（例如光子或电子）来完成。
如果你在粒子撞击屏幕之前不测量它们就做这个实验，你会发现，一旦你积累了足够多的单个量子，它们实际上会重现经典的干涉图案。亮点对应于大量粒子着陆的地方，表示为暗带间隔开，很少有粒子降落在其中，这与干涉图案的想法一致。
然而，如果你测量一个量子在旅程中是通过“狭缝#1”还是“狭缝#2”，你将不再在屏幕上看到干涉图案，而只是两个方块：一个对应于通过“狭缝#1”或“狭缝#2”的粒子。穿过第一个狭缝的粒子，另一个对应于穿过另一个狭缝的粒子。
很多人评论说“就好像大自然知道你在看它一样！”从某种意义上说，这种违反直觉的说法实际上是正确的。当你不测量量子，而只是让它传播时。当你测量一个量子，或以其他方式强迫它与另一个量子相互作用时，它的行为就像波一样：一种经典波，它不仅会与其他波发生干扰，还会与自身发生干扰，表现出衍射和叠加等波状行为。当你与另一个能量足够高的量子相互作用时，你的原始量子就会像粒子一样，遵循确定性的、类似粒子的轨迹。那么，光是波还是粒子呢？
答案是肯定的：两者都是。当它自由传播时，它的行为就像波，当它相互作用时，它的行为就像粒子。在过去的 100 年左右的时间里，人们以各种方式研究了一系列现象。尽管引入了隐藏变量，试图将波粒二象性调和到一个单一的确定性框架中，但所有实验都表明，自然仍然是非确定性的，因为你无法比你预测它更准确地预测你没有测量的东西。波粒二象性理论可以追溯到 17 世纪，当我们试图确定现实的真实本质时，宇宙本身揭示的答案是，我们的量子现实同时存在，并且确实取决于我们是否测量它或与它相互作用。
