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今天我们将送出由高等教育出版社提供的优质科普书籍《材料力学趣话》。

《材料力学趣话》以科普小专题的形式，介绍身边事物的若干材料力学相关研究，包括豆荚弹射籽粒和黄瓜卷须自攀援的双层预应力条设计、捕蝇草捕食昆虫的力学原理、超强韧贝壳和超柔韧蜘蛛丝的跨尺度微结构、雾姥甲虫“斗”雾、人厌槐叶萍“闭”水、复合材料的乘积效应、人类精湛复杂的折纸技艺、自然简约神妙的折纸运动与折纸型超材料的研究等。

本书注重从《Science》《Nature》等国际顶级科技期刊选材，同时结合作者的科研和教学积累，可供中学生、大学生和中等文化程度以上的读者阅读

只要你认真阅读下面的这篇文章，思考文末提出的问题，严格按照 互动：你的答案 格式在评论区留言，就有机会获得奖品！

作者：Marianne Freiberger

翻译：ignhysp

审校：Nour

教科书上有一个典型的问题：当你汽车的油耗尽后，你需要多大的力去推动它，才能够将它加速到给定的速度呢？来自于牛顿运动第二定律的答案是：F=ma，其中a是加速度，m为质量，F为力的大小。这个非常直接而又精妙的定律能够描绘各种各样的运动。至少在理论上它可以解答这个世界的所有物理问题。

真的么？当人们开始从极小的尺度去思考这个世界时，比如：电子绕着原子核旋转，他们意识到一切变得非常奇怪，牛顿定律好像不能用了。为了描写这个微观的世界，你需要用到二十世纪初期发展而来的量子力学。这个理论的核心是薛定谔方程，可以类比经典力学中的牛顿第二定律。

波和粒子

“在经典力学中，我们用位置和动量来描述一个物理系统的状态”，剑桥大学的理论物理学家纳齐姆·布瓦塔解释道。例如：你有一个桌子，上面放了许多可以移动的台球，只要你知道了每一个球在某个时刻t的位置和动量（动量是质量乘以速度），你就可以知道这个系统在这个时刻t的所有信息：一切物体的运动状态和速度。“ 我们会问：如果我们知道系统的初始状态，即，如果我们知道系统在t时刻的状态，那么系统的状态将会如何演化？我们可以用牛顿第二定律解决这个问题。在量子力学中，如果问同样的问题，得到的答案却是棘手的，因为位置和动量不再是描述这个系统的合适的变量了。”

问题的关键是：量子力学试图去描述的对象及其行为并不是像小小的台球那么简单，有时将它想象为波更好一些。“以光作为例，牛顿除了在引力方面的工作，对光也非常感兴趣。”布瓦塔说，“根据牛顿的理论，光可以被描述为粒子。但是之后，根据许多其他科学家对其进行的研究，包括詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell）提供的理论理解，我们发现，光用波来描述。”

但是在1905年的时候，爱因斯坦意识到，波的图像也不完全正确。为了解释光电效应，你需要将光束想象为粒子流，爱因斯坦称这种粒子为光子。光子的数目正比于光强，每个光子的能量正比于频率：

其中

，它是普朗克常数，是一个非常小的常数，以马克斯-普朗克（Max Planck）的名字命名，1900年他在黑体辐射的工作中已经猜出了这个公式。“现在我们面临的问题是，描述光的正确方式是有时将它看成波，有时将其看成粒子”，布瓦塔说。

爱因斯坦的结果可以联系到科学界长久以来的努力，从十七世纪克里斯蒂安·惠更斯便开始尝试，十九世纪威廉·哈密顿继续进行探索，他们都想要统一关于光的波动性与粒子性的物理。被光在不同情况下的特性激励，年轻的法兰西物理学家路易·维克多·德布罗意在这个探索的旅程中迈出了激动人心的一步：他假定不止光，物质也有这种可称之为波粒二象性的特性。物质的基本组成单位，比如电子，也是在一些情况下表现的像粒子，一些情况下像波。