我们能操控粒子的形状吗？

秦泥萌

瑞士科学家拍摄的光同时表现波粒二象性的照片。

德国乌尔姆大学的实验系统

德国小组的实验样品——单个氮“缺陷”的人造钻石

我们为什么能看到五彩缤纷的世界？这是因为阳光的存在，有了光，我们才能看到红花绿叶、碧海蓝天。红花绿叶是什么样子，我们可以用许多生动的词汇去描述它们，即使没有见到这些东西的人也能通过我们的描述去想象出来。但是，让我们看到这一切的东西，光线，它是什么样子的呢？我们应该怎么描述它？

光的波动性和粒子性由什么决定？

要描述日常生活中常見的东西，我们有许多方法，形状、颜色、大小等，通过这些性状，即使是没见过这些物品的人也能将物品对号入座。但是对于看不见的粒子，我们却存有许多疑惑，例如最常见的光，我们对它的描述就有过多次的反复。

牛顿根据光遇到光滑的平面会发生反射的现象，提出了光微粒说，他认为光微粒就像宏观的小球一样，遵守力学运动定律，遇到阻碍会发生反弹。惠更斯觉得不可思议，光明明是一束束的，怎么可能是微粒？他认为光是一种波，提出了光波动说。当然我们现在知道，光同时具有波和粒子的双重性质，也就是“波粒二象性”。

直到2015年，瑞士的科学家终于通过实验拍摄到了光同时表现波粒二象性的照片。在照片中，两列光波在空中相遇时会发生叠加，出现条纹，当科学家向光波发射电子流时，电子撞击到光子，速度发生了改变，光波也变成了“颗粒状”。

但是，光不会同时表现波动性和粒子性，当光波相遇时会发生叠加，出现条纹，而不是碰撞后消失，这时光的波动性超越了粒子性;当光波碰到电子流，会发生“碰撞”，改变电子的速度，光的粒子性又压倒了波动性展现出来。这两个性质就犹如“东风”和“西风”，不断争夺着主导权，那么光的波动性和粒子性究竟孰强孰弱，这由什么决定呢？

环境影响粒子的状态

如果想要解开这个谜团，就只能继续做实验了。当然，这样的实验是非常难做的，德国乌尔姆大学的一个研究小组绞尽脑汁，终于“看到”了决定粒子状态的过程。

他们将钻石中的一个碳原子替换成了氮原子。我们知道，原子间的作用力（也叫做化学键）就是电子两两成对的静电作用力，而氮原子比碳原子要多一个电子，在氮原子取代了钻石中原来的碳原子之后，氮原子多出来的一个电子就找不到电子跟它成键，它成为了“孤独”的个体。

在钻石的晶格中，化学键中成对的电子彼此的自旋（自旋是粒子的基本性质，因自旋而产生磁场）状态是相反的，这样它们产生的磁场力可以相互抵消，更加稳定。但是孤独的电子因为没有配对的对象，它拥有着自旋的自由，可能头朝上，也可能头朝下。

但是，这个孤独的电子却不是真正意义上的“孤独”。

钻石虽然是碳原子组成的单质，但是并不全是“碳12”原子，还有大约0.3%的“碳13”（碳的同位素之一，它比常见的“碳12”多一个中子），“碳12”的原子核是电力和磁力都平衡的稳定原子核，但是“碳13”的原子核磁力并不平衡，它的磁力会影响到“孤独电子”的自旋状态。

科研小组发现，平均每个“孤独电子”会和附近的四个“碳13”原子核产生相互吸引的磁力，自旋方向受到“碳13”原子的影响，它的自旋方向是固定的，不再那么自由，而且检测越多的“碳13”原子包围圈，孤独电子的自旋方向越确定，这说明我们可以通过检测环境的状态预测到粒子的状态了。

几乎同时，中国和意大利的科学家也分别独立构建了另一种实验系统，他们的实验结果同样证明了，粒子的状态会受到周边环境的影响。

通过这些实验，我们可以得到这样的结论，尽管量子世界的粒子们的很多性状我们还不知道为什么这样呈现，但是，粒子的最终优势状态，是周边环境“选择”出来的。就像钻石中的“孤独电子”，它的自旋状态会受到其周围的四个“碳13”原子核的影响一样，光的波动性和粒子性谁更占优势，也会受到周边环境的影响。

那么，未来我们可以改变粒子的性状吗？比如改变光粒子的优势状态、铀粒子的衰变时间，甚至改变反粒子所带的电荷？也许这一切都可能实现，因为改变粒子的周边环境，我们就可能控制粒子的性状。