寻找多重宇宙
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|唯一的谜|

所有这一切都很难令你的大脑信服。但量子世界的本质可以用一个简单的实验概括,这个实验中有一个空白挡板,在这个空白挡板上有两个小孔,向这两个小孔中射出光线,或电子束。理查德·费曼(Richard Feynman)曾因在量子理论方面做出的贡献获得过诺贝尔奖,他说这个实验“揭示了量子力学的核心。事实上,这个实验蕴含着量子力学中唯一的谜”。〔1〕如果你发现你仍然无法说服自己的大脑,让它明白这个双孔实验到底是怎么回事,他还评论说:“我想我可以有把握地说,没有人理解量子力学……没有人知道它怎么会是那个样子的。”〔2〕所以,和你一样,很多人也有相同的苦恼。

这个双孔试验也被称为双缝实验,因为做这个实验时,这两个孔可以是用剃须刀在一张卡片或纸上划出的两条平行的缝。在暗室中,光线通过这两条狭缝照射出来,从而在卡片的另一边开始扩散,正好扩散到另一张卡片上,并在这张卡片上形成一种图案。这种图案呈明暗相间的条纹状。19世纪,人们是这样解释这种现象的:光波从两个缝隙中扩散开来,并且互相干扰,这就像把两个鹅卵石同时扔到一塘静水中,所产生的涟漪相互重叠着扩散开来一样。当波以同一步调扩散的时候,它们的力量就会相加,从而形成明亮的条纹;当波不是以同一步调扩散的时候,它们的力量就会相互抵消,从而形成暗条纹,这似乎能确凿地证明光是一种波。

但20世纪初,爱因斯坦证明,光的行为就像一串粒子流。这一过程被称为光电效应,在此过程中,射到金属表面的光把金属表面上的电子激发出来。射出的电子的能量值是特定的,爱因斯坦对它的解释是:因为光以粒子的形式照射到了金属表面,这种粒子现在被称为光子,而且每一个粒子都具有一定的能量。顺便提一句,正是因为他的光电理论,而不是相对论,爱因斯坦获得了诺贝尔奖。

因此,对于光,你可以做两种实验,一种实验表明光的行为方式像波,而另一种实验表明光的行为方式就像一串粒子流。在研究电子时,同样证明了电子既像波又像粒子,但证明顺序颠倒了过来,首先证明的是电子是粒子,然后才证明电子是波。

19世纪末,J. J. 汤姆森(J. J. Thomson)在剑桥指导了一项实验。实验证明电子是粒子,得到了各方的认可。但20世纪20年代,由一些研究人员,其中包括J. J. 汤姆森的儿子乔治·汤姆森(George Thomson),进行的实验却表明电子的行为方式像波。因为证明电子是粒子,J. J. 汤姆森获得了诺贝尔奖;因为证明电子是波,乔治·汤姆森也获得了诺贝尔奖。没有什么比这更能概括量子世界的非常识性了。

今天,双孔实验已经演化出了多种版本,而且这些实验都做到了非常精细的地步。例如,在不同的实验中,可以发射单实体,如光子或电子,使之通过这两个孔,一次通过一个。本书中,我将描述发射电子得到的实验结果,但也曾有人对光子做过完全相同的实验。实验中,我们不是在孔的另一边放一张卡片,而是放一个类似电脑显示器那样的监测屏幕。电子每次到达这个监测屏幕的时候,它都会记录下一个光点,并且在屏幕上保留这个光点。随着越来越多的电子的到来,这些光点就会构成一种图案。研究人员在做这项实验的时候,每一个电子都是以一个粒子的形式到达屏幕的,而且每个电子都会在屏幕上形成一个光点。但随着成百上千的电子相继通过实验中的孔,在屏幕上所形成的图案就成了一种干涉图案,这是实验中波扩散形成的典型图案。

每个电子看来不仅是一次穿过两个孔然后互相干涉,而且还会在干涉图案上给自己找到合适的位置。这个位置位于先于它或在它之后到来的电子的旁边。无论是在空间上(两个孔),还是在时间上,量子世界的实体似乎了解整个实验。

在另一项实验中,实验者可以设置监测器来观察这两个孔,监视每个电子到底穿过了哪个孔。当他们这样做的时候,他们从未发现一个电子可以同时通过两个孔。他们只看见这个电子不是穿过这个孔,就是穿过那个孔。而且当他们这么做的时候,从未出现过干涉图案。屏幕上的光点会形成两个斑块,每个孔后面都有一个,如果你把电子看成是粒子的话,你就会想象出它会形成怎样的斑块了。电子似乎也知道是否有人在监视着它们——同样,光子和所有其他的量子实体都有这样的表现。

这就是为什么费曼说,双孔实验可以揭示量子物理学的核心,而且没有人知道它为什么是那样的。我们最好还是像谈论“有(一)天皇里,那些活济济的狳子在卫边儿尽着那么跌那么霓”一样,谈谈双孔实验中的电子吧。尽管我们不明白量子世界内部到底是怎么运转的,但量子力学方程式使我们可以精确描述正在发生的事情。例如,如果知道了在何种情况下电子会像波那样运动,而且也知道了电子在何种情况下会像粒子那样运动,我们就可以设计出电脑芯片。这看起来很荒唐,但确实奏效。

〔1〕理查德·费曼,罗伯特·雷顿(Robert Leighton)和马修·山德士(Matthew Sands), 《费曼物理学讲义》(The Feynman Lectures on Physics),第三卷,艾迪生-韦斯利出版社,马萨诸塞州,1965年。术语“量子力学”基本等同于“量子物理学”。

〔2〕《物理之美》(The Character of Physical Law)。