我们都知道，一束光中包含无数个光子，那么，一爆炸声中是否也含有无数个“声子”？

这问题有点复杂，是这样的……

等等！有“声子”这玩意儿吗？

早在1932年就有了。

中国科研人员的新发现

2024年2月，《自然·通讯》杂志发表了一篇来自中国科学院物理研究所、国家纳米科学中心等单位科研人员的研究成果。

图为三层石墨烯中两种不同的堆垛构型：ABA堆垛和ABC堆垛。

通过研究三层石墨烯的菱形堆垛结构，中国科研人员发现：在菱形堆垛三层石墨烯中，电子和红外声子之间具有强相互作用，这有望应用于光电调制器和光电芯片等领域。

电子和声子之间的耦合作用是凝聚态物理长期以来的重要研究课题之一，也是许多新奇物理现象（如低温超导）的理论基础。

现在我们知道了：这个世界上不但有声子，而且声子还跟很多新奇的物理现象联系在一起。

那么，声子到底是什么？

它真的是一种粒子吗？

它长什么样？

它跟声音、声波是什么关系？

……

从光子开始

为了很好地理解声子的由来，以及它的各种性质，咱们不妨先从光子说起。

人类一开始并不认为光是由光子组成的，他们只是单纯地认为，光就只是光而已。

正如现在不少人所认为的那样：

声音就只是声音而已，如果再往下具体一点就是，声音就是一种震动，一种波而已。

很少有人会去想，声音中是否也可能包含无数的“声子”。

后来，古代的一些哲学家开始认为，光可能是由无数粒子组成的，但这只是一种猜想而已。

这就是最早的“微粒说”，它很好地解释了，为什么光总是沿着直线前进，且会反射。但无法解释清楚，为什么两道光束相互碰撞之后，它们不会继而分开。

之后，英国物理学家牛顿在前人工作的基础上继续发展了光的微粒说。他认为，光是由微小的粒子，也就是光子组成，这些光子具有质量和速度，并遵循牛顿运动定律。

1704年，牛顿的光学著作《光学》出版，从此奠定了光的微粒说基础。

然而这个基础，很大一部分是由牛顿的巨大名气加持下获得的，因为在更早的1678年，惠更斯就明确指出，光是一种波。

1803年，英国物理学家托马斯·杨进行了大名鼎鼎的光的双缝干涉实验，在实验中，他看到了光通过双缝后，出现了只有波才有的干涉现象。

于是，托马斯·杨写书反对牛顿的微粒说，然而由于牛顿名气过大，他的反对失败了。

后来，詹姆斯·麦克斯韦出现了，他通过研究电磁辐射和光，发现真空中的电磁波会以恒定速度传播，而且这个速度恰好等于光速。于是，麦克斯韦得出了光是一种电磁波的结论。

麦克斯韦理论建立之后，德国物理学家海因里希·赫兹继续用不可辩驳的实验证实了光是一种电磁波。

可以说，几乎在整个19世纪，物理学的一个重大成果之一，就是波动理论在所有光学和电磁学的现象中得到了验证。但19世纪末，出现了一个难以解释的物理现象。

而这个难以解释的现象就是“光电效应”。1887年，赫兹的进一步实验发现，紫外线照射到金属电极上，可以产生电火花。也就是光照能产生电效应。

光电效应难以使用波动理论解释，直到1905年，爱因斯坦发表论文《关于光产生和转变的一个启发性观点》，给出了光电效应的理论解释。

爱因斯坦据此提出光量子假设，他认为，光束是由一群离散的能量粒子组成，称为光量子，光束并非连续性波动。

爱因斯坦提出的光量子后来简称为光子。

到此，赞成光是一种波的人，拥有了实验和理论的强大支持。

而赞成光是一种粒子的人，同样也拥有了实验和理论的强大支持。

最终，持续数百年的波粒之争终于逐渐走到尾声。

人们被迫承认了这么一个事实：

光既存在波的特性，也同时存在粒子的特性，这就是波粒二象性。

正确理解波粒二象性

海浪是一种波，海浪还可以看做是由无数个点粒子，也就是水分子组成的。那么光是否也这样呢？

无数的光子形成波动，而在这波动中，单个的光子表现出粒子性，这就是波粒二象性吗？

完全不是。

所谓的波粒二象性，其说的是：就算是一个光子，它是波，也同时是粒子！

你把光子想象成一种点粒子，错！

你把光子想象成一种波，错！

唯有，你把光子同时想象成波和粒子这种怪物时，才是正确的。

但问题来了，这样的怪物，人类怎么可能想象得出来？没错，几乎无法想象。正如，我们无法想象：

一颗紫色的白草莓；

一条大河一样的小蛇；

一只既死又活的猫。

……

这也是“光的波粒之争”能持续数百年的原因之一。

不光是你，历史上那些鼎鼎大名的科学家，在早期也很难在大脑里清晰地构建起这样的怪物。

也许，我们可以这么说，当下很多人觉得量子力学过于晦涩难懂，其最大的原因可能是：

他们当初在刚刚接触波粒二象性时，仅仅把“波粒二象性”用在考试上，而非将它彻底融入到自己的认知里。

凝聚态理论物理学家文小刚曾说：“第四次物理革命是量子革命。这次革命揭示出，我们世界中的真实存在，既不是粒子也不是波，但既是粒子又是波。”

这就是说，诸如光子、原子、电子等这样的微观粒子，它们是一种存在，而过去所认为的“存在”，要么是粒子，要么是一种波，这显然都是错的。

量子力学告诉我们，它们的真实存在其实是这样的：既是粒子同时也是波。这种“存在模式”确实难以想象，但这就是我们目前所知的真实宇宙。

微观粒子真实的“存在”方式，以人类固有的，经过几十万年进化的大脑难以想象出来，此时：

要么改变微观粒子的存在方式，要么改变自己的认知。

显然，后者才是唯一的道路。

辅助理解“波粒二象性”示意图，图片来自Wikipedia，图片作者为Jean-Christophe BENOIST

声波的量子化

既然已经改变认知，那么对声子的理解几乎就是水到渠成了。

声音是一种波，而人类能听到的声波处在宏观尺度上。

问题来了，宏观尺度上有声波，那么微观尺度上难道就没有声波了吗？

必然是有的。微观尺度上的“声波”一般叫做“格波”。

晶体大家很熟悉，它是原子、离子或分子按照一定规则周期性排列的结构。

晶体内这种周期性的结构就叫做“晶格”。

紫水晶是石英的一种，其为二氧化硅晶体，图片来自Wikipedia。

二氧化硅有多种不同的晶体结构，也就是有不同的晶格，而石英只是其中一种，其他的晶格还有诸如“片状双层结构”等。

二氧化硅晶体的片状双层结构，俯视图和侧视图，图片来自Wikipedia。

在晶体中，晶格具有周期性，但它并不是静态不变的，组成晶格的原子们会存在热振动现象。晶格的振动就是晶体内部所有原子参与的集体弹性振动，从空间周期上来看具有波的形式，因此叫做“晶格波”。

有了“波”，我们就可以联想到“粒子”了。没错，晶格波的量子化就是本文探讨的“声子”，它们是传递晶格热振动的能量量子，和传递光波的能量量子“光子”有些类似。1932年，苏联物理学家首次提出声子概念。

声子是一种准粒子

声子具有能量，行为类似光子、电子等，具有粒子的基本性质。而且，声子还可以形成双缝干涉条纹，具有波的性质。跟光子一样，其存在模式也是波粒二象性。

然而，声子不能脱离原子晶格而存在，在真空中，声子不存在，但光子则可以在真空中存在。

所以目前，人们一般将声子归类为一种“准粒子”，我们可以简单认为它是我们熟悉的那些粒子的某种形式的“替身”，因为特征行为是类似的。

声子和光子、电子等粒子一样，具有波粒二象性。所以它们的存在本质并无不同。

什么地方能出现，什么地方不能出现，这并不是关键，仅仅是不同粒子各自的性质不同而已，而其存在模式是否属于波粒二象性才是关键。

虽然声子不像光子、电子那般为大众所知，然而，对声子的研究是凝聚态物理学的重要组成部分。

由于“凝聚态”领域还存在大量极其吸引人的未知，因此，凝聚态物理学目前是物理学最为活跃的领域之一，据不完全统计，该领域的研究者就占到全世界物理学者整体的近三分之一。

作者：寒木钓萌 科普作家、科技部“全国优秀科普作品奖”获得者

审核：罗会仟 中国科学院物理研究所研究员

出品：科普中国

监制：中国科学技术出版有限公司、中科数创（北京）数字传媒有限公司

来源: 科普中国

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