第1章
回顾双孔实验
理查德·费曼对中心谜题的解释
世界上再没有比现实更离奇和抽象的东西了。[1]
——乔治·莫兰迪
这一天距离理查德·费曼获得诺贝尔物理学奖还有一年的时间。费曼出版过一本好玩的自传，他在书里形容自己是个心直口快的科学家，对一切都很感兴趣，无论是破解保险箱还是打鼓。这本自传让许多非物理学背景的人认识了费曼其人，但那已经是20多年后的事了。而在1964年11月，对纽约州伊萨卡市康奈尔大学的学生们来说，眼前的费曼早已是个响当当的明星，他们对他的到来表示了热烈的欢迎。[2]费曼此行的目的是举办一系列讲座。康奈尔编钟奏响了校歌《远在卡尤加湖之上》，教务长在介绍费曼时称他是一位卓越的导师和物理学家，当然，他也没忘记提费曼是个出色的邦戈鼓手。在一种欢迎表演艺术家的掌声中，费曼大步走上台，以下面这个回应作为演讲的开场：“真奇怪，我偶尔也会在正式场合被叫到台上表演邦戈鼓，可是主持人似乎从来不觉得有必要提一下其实我还搞理论物理研究。”[3]
等到了第6场演讲，面对还在鼓掌的学生，费曼没有说任何开场白便直接切入了正题，甚至连一句客套的“大家好”都没有。他想要探讨的是，虽然直觉可以帮助我们应付看得到、听得到和摸得到的日常事物，但它却难以理解大自然在微观尺度上的表现。
他说，经常是实验挑战了我们对这个世界的直观认识。“于是，我们便看见了意想不到的东西，”费曼说，“这些东西与我们的想象差距巨大。所以我们的想象力被发挥到极致——这与写小说不同，不是幻想现实中不存在的事物，而是通过极致的想象，来认识和理解实际存在的东西。我想谈论的正是类似的情况。”[4]
这个讲座是关于量子力学的，也就是研究微观事物的物理学分支。量子力学尤其关注光和亚原子物质（如电子）的性质。换句话说，它要研究的正是现实的本质。光和电子会（像水一样）表现出波动性吗？还是说它们更像粒子（比如沙粒）？就目前看来，回答“是”或者“否”都是既正确又不正确的。任何试图将微观的亚原子实体具象化的努力，都只是我们的直觉在自取其辱。
“它们的行为遵循自己独特的方式，”费曼说，“用术语来讲，我们可以将其称为‘量子力学’的方式。它们的行为与你见过的任何事物都不同。无论你有多少见识都是不够的——你的见识不完备。在极其微小的尺度上，事物的表现具有根本性的不同。它们的行为不只是像粒子，也不只是像波。”[5]
不过好在，至少光和电子的行为是“完全相同的”，费曼说，“那就是，二者都很古怪”。[6]
费曼提醒现场的听众，接下来的讲座内容会有些难懂，因为它将挑战听众在大自然如何运作这个问题上的长久共识：“但其实，这种难是心理上的，是你施加给自己的永恒折磨，因为你总对自己说：‘可它怎么能是那样的呢？’这种想法源于你控制不住自己想要用熟悉的事物来类比的冲动，但我认为这终究是徒劳的。我不会用任何熟悉的事物做类比，只是单纯地进行描述。”[7]
于是，为了能在接下来的一个小时里通过引人入胜的演讲表明自己的观点，费曼把重点放在了“一个旨在反映量子力学全部奥秘的实验”上，它“将让你直面大自然的自相矛盾、神秘莫测和稀奇古怪”。[8]
这个实验就是双缝实验。很难想象有哪个实验能比它更简单，而在读这本书的过程中，你会发现它虽然简单，却令人感到无比困惑。我们首先需要一个光源，然后在光源前放置一块不透光的板子，板子上开出两道狭窄且间距很小的缝隙或口子，这为光线的传播提供了两条不同的路径。在板子的另一边立一块屏幕，你觉得你能在这块屏幕上看到什么？
这个问题的答案——根据我们所熟悉的现实生活中的经验——取决于回答者如何看待光的本质。在17世纪末和整个18世纪，艾萨克·牛顿的观点主导了我们对于光的看法。他认为光由微小的粒子构成，并把这种微粒称为“光微粒”。牛顿之所以提出光的“微粒说”，部分是为了解释为何光不能像声音一样拐弯。牛顿认为，光肯定是由粒子构成的，因为只有这样，才能解释光线在没有外力作用的情况下不会弯曲的现象。
费曼在讲座中讲解双缝实验时，首先考虑了用粒子轰击双缝的情况。为了强调实验对象的粒子性，他让在场的人忘掉亚原子粒子（比如电子和光微粒），转而想象我们在开枪发射子弹——子弹总是“一颗一颗”的。为避免太多暴力的联想（序言里已经提过了炸弹，后面还有用到枪械火药的思想实验），我们不如想象有这样一种机器，它喷射的是沙粒，而不是子弹。我们都知道，虽然沙粒比子弹小得多，但它也是一颗一颗的。
第一步，我们只用左侧或者右侧的狭缝来做实验。假设沙粒的速度足够快，我们可以把它们的运动轨迹看成直线。经过这样的处理，绝大多数沙粒都会在穿过狭缝后，落到狭缝正后方一个与狭缝相对应的区域内。正中间的数量最多，越往两侧越少。在下图的曲线图中，曲线越高，代表落在该处的沙粒数量越多。
如果我们用两条狭缝来做实验，又会看到什么样的结果呢？正如很多人所预料的，每粒沙子都会从两条狭缝中的一条穿过，然后击中位于屏障另一侧的光屏。有多少沙粒穿过两条狭缝，就有多少沙粒击中后方的光屏。这种简单易懂的运动方式非常符合非量子世界，也就是牛顿运动定律所描绘的经典世界的日常经验。
为了向你证明实验结果的确如此，我们可以把整个实验装置竖起来，让沙子从上而下落在带有两条狭缝的屏障上。[9]很容易想见，穿过狭缝的沙子应该会在开口的正下方形成两个小沙堆。
把实验装置恢复原位，想象这次入射的不是沙子，而是光线，并且假设光是由牛顿所说的光微粒构成的。根据沙粒实验的结果推断，我们应当能在光屏上看到两条光带，它们分别位于左右两条狭缝的正后方，每条光带都是中间最亮，越往两侧越暗，除此之外，我们只要把击中光屏的光微粒悉数相加，就能算出总共有多少光微粒穿过两条狭缝。
可惜，实验的结果却并非如此。从穿越双缝的表现来看，光并不像是由粒子构成的。
哪怕在比牛顿更早的年代，人们就已经观察到了一些不符合牛顿的光微粒说的现象。举个例子，当光从一种介质进入另一种介质时——比如，光从空气进入玻璃，然后再从玻璃进入空气——它的传播路线会发生变化（这种现象被称为折射，正是我们制作玻璃透镜的原理）。如果认为光是由粒子构成的，那就很难解释它在穿越不同的介质时为什么会出现折射的现象，因为无论是从空气进入玻璃，还是从玻璃进入空气，想要改变粒子行进的方向就必须对它们施加外力的作用。但是，如果把光看成是一种波，折射现象就可以解释了（波在空气和玻璃里传播的速度不同，这解释了它在跨越不同介质时传播方向发生变化的现象）。这也正是荷兰科学家克里斯蒂安·惠更斯在17世纪提出的观点。惠更斯主张光是一种波，就像声波一样。鉴于声音的传播必须依靠介质的振动，惠更斯假想存在一种名为“以太”的介质，弥漫在我们周围的空间里，而它的振动便是光的本质。
这是一个严肃的理论，由一位天赋异禀的科学家提出。惠更斯是一名物理学家、天文学家兼数学家。他曾亲手打磨透镜，并用自制的天文望远镜发现了土星的卫星——土卫六（2005年，人类的探测器首次登陆土卫六，探测器名叫惠更斯号，以纪念他的贡献）。他还独立发现了猎户星云。1690年，惠更斯出版了《光论》一书，他在这部著作里详细论述了光的波动理论。
牛顿和惠更斯生活在同一时代，但牛顿的名声更为显赫。毕竟，是他提出了运动三大定律以及万有引力定律，解释了从日常生活中的抛物线到行星绕太阳运行的轨迹的一切现象。不仅如此，牛顿还是个相当博学的通才，在各个领域都颇有建树（作为数学家，他创立了微积分，他甚至曾大胆涉足化学、神学，撰写过《圣经》评注，至于在物理学上的成就，我就不必多费口舌了）。这么看来，牛顿的光微粒理论能压惠更斯的波动理论一头也是情有可原的。在“光是什么”这个问题上，世人还需要一位能与牛顿分庭抗礼的全才来打开局面。
托马斯·杨（Thomas Young）被誉为“世界上最后一个什么都懂的人”。[10]1793年，刚刚20岁出头的托马斯·杨提出了人眼对远近不同的物体对焦的原理，部分依据来自他对牛眼的解剖。一年后，凭借这项研究工作，托马斯·杨成为英国皇家学会会员，然后在1796年，他又成了“药剂师、手术师和助产医师”。[11]在40多岁的时候，杨帮助埃及学学者破译了罗塞塔石碑（这块石碑上的碑文有三种语言的版本，分别是希腊文、古埃及象形文字，还有一种未知的文字[12]）。在治病救人、醉心埃及学乃至研究印欧语系之余，杨抽空做了一场演讲，这场演讲的内容之新奇，足以载入物理学史。演讲的地点在伦敦皇家学会，时间是1803年11月24日。杨以一名物理学家的身份，向台下威严的听众描述了一个朴实无华的实验。在他看来，这个实验已经清晰无误地说明了光的本质，而且可以证明牛顿的观点是错误的。
“我下面要讲的这个实验……重复起来非常简单，只要天上有太阳就行。”杨对在场的人说道。[13]
“只要天上有太阳就行”，杨并没有夸大其词。“我在百叶窗上钻了一个小洞，然后用一张厚纸片将它遮住，再用一根细针在纸上戳个孔。”他说道。[14]纸上的针眼可以容许一缕阳光通过。“我用一条细卡片挡住这束阳光，卡片的宽度约为三十分之一英寸[15]，随后观察它在墙壁或者另一张卡纸上投下的阴影，后一张卡纸的距离可以调节。”[16]
如果光是由粒子构成的，杨的那张“卡片”应该会在正后方的墙壁上投下一道清晰且锐利的影子，因为卡片能完全挡住一部分粒子。倘若真是这样，那么牛顿的理论就是正确的。
但是，如果光是由波构成的，那这张卡片就形同虚设：它犹如水中的石头，光可以像水波绕过石头一样，从左侧或者右侧绕过这张卡片。绕过卡片两侧的光最终在正对百叶窗的墙面上汇合，形成特殊的图案：一排明暗交替的条纹。这种条纹也被称为“干涉条纹”，是两道波重叠后的产物。值得注意的是，正中间的条纹恰恰是一道亮纹：如果光是由粒子构成的，那么这个位置理应有卡片投下的阴影。
波的干涉现象在日常生活中并不鲜见。以水波为例，想象一下海边的防波堤上有两个缺口，海浪打在这两个缺口处，在缺口的另一侧形成新的波浪（这个过程被称为衍射）。新的波浪继续传播，直至两道波纹相遇并发生干涉。在某些位置，两道波纹会同时达到波峰，二者叠加，形成最高的波峰（相当于光的亮纹），这种干涉被称为相长干涉；而在另一些位置，一道波的波峰恰好遇到了另一道波的波谷，二者相互抵消，发生所谓的相消干涉（对应光的暗纹）。
杨在实验中看到的正是光的干涉条纹。[17]更特别的是，由于阳光包含各色可见光，所以他在中央亮纹的两侧看到了彩色的条纹。对于中间的亮纹，我们如果仔细看，会发现它也是由明暗交替的条纹组成的，这些明暗条纹的数量和宽度则由百叶窗上的小孔到光屏或墙面的距离决定。但无论如何改变二者的距离，中央亮纹的正中线都始终是白色的（总是亮纹）。杨的实验表明光具有波动性。
在场的人中当然有不以为然者，毕竟杨直接挑战了牛顿的观点。甚至在杨的演讲开始之前，就有人在《爱丁堡评论》上发表匿名文章，猛烈抨击杨的研究。这篇檄文的作者后被证实是一位名叫亨利·布鲁厄姆（Henry Brougham，他在1830年被任命为英格兰大法官）的出庭律师，[18]文章的措辞尖酸刻薄，称杨的研究“一文不值”，他“陶醉在幼稚淫邪的幻想所带来的快乐中，没有男子气概，毫无意义”。[19]
怎么会一文不值呢！很快，杨的观点就得到了其他物理学家的支持。他的实验是如今的双缝干涉实验的原型，开创了同类实验的先河，费曼在康奈尔的讲座上对它的精妙赞赏有加。在更标准的双缝实验里，我们通常用稳定的人工光源替代杨当初使用的阳光。另外，如今我们也不再通过用“卡片”阻挡阳光的方式来分割光路，而是用一块不透光的挡板，在上面划两道狭窄的缝隙或裂口，让光线同时照在这两道开口上，形成两条不同的光路。而在挡板后方的光屏上，我们看到的干涉条纹与杨在正对百叶窗的墙面上看到的图案基本一致（如果光屏本身是一张照相底板，或者是一块表面涂有感光材料的玻璃板，我们应该不难想象最终形成的图案相当于胶卷底片的负片：受到光照的位置反而形成暗色的条纹）。如果光是由粒子构成的，光屏上应该会出现两道中间最亮、两侧逐渐变暗的条纹，但这样的景象没有出现。光在这个实验里表现出了波的性质。
因此，早在量子力学的微光依稀可辨之前，杨似乎就已经解决了牛顿和惠更斯之间的争论（尽管仍有人对他持怀疑态度，偏袒牛顿）。杨赞成惠更斯的观点，认为光是一种波。这种说法从此站稳了脚跟，直到物理学迎来量子力学的理论革命。
物理学的新一轮变革源于20世纪初一系列令人疑惑的发现，其中包括阿尔伯特·爱因斯坦在1905年提出的主张，他认为光应当被看成是由粒子构成的，因为只有这样才能解释一种名为光电效应的现象（这种效应让我们得以把阳光转化为电，它让太阳能电池技术成为可能）。这些组成光的粒子后来被称为光子。对于无论哪种频率或者哪种颜色的光，光子都是最小的能量单位，不能进一步分割：换句话说，光传递的能量无法小于一个光子所含的能量。爱因斯坦的观点其实要比这更复杂一些，但眼下我们只需要知道，物理学在某些特定的情况下不得不把光看作由粒子组成，可是如此一来，双缝实验便违背了我们对现实的直观感觉。
费曼称双缝实验体现了量子力学的“核心奥秘”。为了说明这一点，他把发射子弹（或者我们所说的沙粒）的枪换成了发射电子的装置。20世纪60年代的人都知道电子是按“个”算的。亚原子世界（包括光子）由许多不同类型的基本粒子构成，而电子就是一种基本粒子。我们的双缝实验选择用光子，而不是电子。光子是构成光的粒子，没有质量，电子则是一种有质量的物质粒子。可是无论我们在双缝实验里使用电子还是光子，实验的过程、结果和意义都没有丝毫的差别，这本身就会令人产生疑问。用费曼的话说，二者的怪异程度不相上下。
如果我们使用光子，那么实验的结果如下。与使用沙粒的情况不同，光屏上不会出现两道光带，取而代之的是明暗交替的条纹，类似于杨看到的干涉图案，这意味着光子的表现与波相似。要想得到清晰的条纹，最好用单色光作为光源。比如，用一束强烈的红光照射两道狭缝。
当两条狭缝都打开时，光屏上会出现干涉条纹，这代表光（我们现在已经知道光是由粒子构成的了）的确穿过了两道狭缝。但是，如果我们挡住其中一条狭缝（无论哪一条都可以），光屏上的干涉条纹就消失了，显然，此时的光只穿过了一条狭缝，单独的一束光没有能够相互干涉的对象。
现在让我们想象，如果每次只发射一个光子会怎么样？这样一来，结果就真正开始令人困惑不解了。后文会介绍物理学家为此发明的光子发射装置，可惜在费曼演讲的1964年，这种技术还没有实现。现在，让我们假设手头正好有这种光子发射装置。这样一来，我们让每一个光子都穿过狭缝，而且保证每次实验的整套装置内都有且仅有一个光子。所有的光子都将击中远处的光屏，并在上面留下一个光点。如果让足够多的光子落到光屏上，直觉告诉我们，光子应当会像沙粒一样分别落在两道狭缝的正后方。光屏上不应该出现干涉图案。
但我们的直觉是错误的。结果是，虽然每一个光子的落点似乎都是随机的，但当打在光屏上光子的数量足够多时，光屏上总会出现明暗交替的条纹。假设每个被光子击中的位置都会留下一个黑点，大量光子的撞击在光屏上形成了黑色的条带，随着实验的进行，明暗相间的条纹会逐渐显现。
这个结果有些古怪。如果有两道波，那出现干涉图案算是合情合理，但在这个实验里，每次只有一个光子穿过狭缝。光子与光子之间没有发生干涉的机会，前后两个光子之间没有，第一个和第十个光子之间更没有。每个光子都是互不相关的。但就算如此，每个光子在光屏上的落点还是最有可能位于发生相长干涉的区域，最不可能位于本应发生相消干涉的地方。我们最后还是得到了干涉条纹，仿佛每个光子都表现出了类似波的行为，它们仿佛在和自己发生干涉。
即便每个光子在发射的时候都是单个的粒子，我们在光屏上检测到的也是单个的粒子，干涉条纹也依旧会出现：这个实验结果似乎意味着，从发射后到检测前，每个粒子在这段时间内都表现出了波的性质，而且以某种方式同时穿过了两道狭缝。如若不然，我们该如何解释最后看到的干涉图案呢？
如果你觉得这还不够神秘，那我们可以试着找出光子究竟穿过了哪条狭缝（毕竟从直觉上来说，一个光子只能穿过一条狭缝，而不是两条）。假设我们有一种方法，能够在不破坏光子的情况下探测它穿过了哪一条狭缝。如果我们真的这样做了，干涉图案就会消失（也就是说，光子不再表现出波的性质，转而变得像粒子），光屏上得到的图像仅仅是“整个”的粒子在穿过双缝后留下的两道明亮的条纹。但只要我们停止窥视光子的运动轨迹，它们就会恢复波的性质：光屏上的干涉图案将重新显现。
你也可以从另一个角度感受这个过程的神秘。当我们没有检测光子的路径时，它们几乎永远不会落到光屏的某些位置，也就是最终发生相消干涉的地方。可是一旦我们开始监测光子的运动路径，它们就会击中这些本该避开的区域。这究竟是怎么回事？
光子奇怪的表现还不止这些。如果向双缝发射的是沙粒，只要知道每一粒沙子的初始条件（它的初始速度、离开枪管时的角度等），再把经过双缝时产生的偏差考虑在内，我们就可以用牛顿运动定律预测沙粒在光屏上的最终落点。物理学本应是这么回事，但这招对光子（或者电子，以及任何量子力学研究对象）却行不通。
从离开光源到射向双缝，在这个过程中，就算掌握了每个光子的所有信息，我们也只能计算出它们落在光屏上某个特定区域内的概率。以光屏上众多发生相长干涉的区域为例，虽然我们知道光子大概率会落入这些区域，但我们不可能预先知道具体某个光子会落入哪个相长干涉区域。大自然的骨子里似乎有一种内在的非确定性，还是说它在隐藏什么秘密，而我们挖得还不够深？
疑问一个接一个地冒了出来。光子在产生和最终被检测到的时候，都展现出实实在在的粒子性质。只要我们不试图弄清光子在此期间的行进路线，它们就会像波一样；而一旦我们开始观测它们，它们又会表现得像粒子。难道光子“知道”我们在观测它们的波动性或粒子性吗？如果是，那它们是如何知道的？我们能否欺骗光子？比如，让它误以为我们没有观测，然后在它刚刚以波的形式穿过双缝后，立刻查看它是从哪一边通过的，随后检测它的粒子性？
或许答案并没有那么复杂：光子就是一种粒子，且只能从两条狭缝中的一条穿过。与此同时，有某种我们目前的标准理论还无法解释的东西同时穿过了两条狭缝，波动性正是由它表现出来的。如果真是这样，那这种东西会是什么呢？
你或许认为光子不同的表现牵扯到了人类的意识，有类似想法的人并不在少数。在面对两种同样神秘莫测的事物（这里分别指的是诡异的量子世界和令人费解的意识）时，把两者关联起来几乎可以说是人之常情。
在费曼的康奈尔大学演讲后大约20年，才出现了使用单个光子的双缝实验。从19世纪初杨的巧思，到现代的改良版本，这段历史很好地体现了物理学家如何利用双缝实验不断增进我们对现实的理解。200多年来，这个实验的核心概念一如既往地简单，但实验设备和技术变得越来越精巧复杂，实验设计者不断想出更为巧妙的思路，想方设法地刺探大自然最深邃的秘密。
[1] Siri Hustvedt, “The Drama of Perception: Looking at Morandi,”Yale Review 97, no. 4 (Oct 2009): 20–30.
[2] http://www.cornell.edu/video/playlist/richard-feynman-messenger lectures.
[3] Feynman Messenger Lectures, Lecture 1, “Law of Gravitation,”http://www.cornell.edu/video/richard-feynman-messenger-lecture-1-law of-gravitation.
[4] Feynman Messenger Lectures, Lecture 6, “Probability and Uncertainty: The Quantum Mechanical View of Nature,” http://www.cornell.edu/video/richard-feynman-messenger-lecture-6-probability uncertainty-quantum-mechanical-view-nature.
[5] Feynman Messenger Lectures, Lecture 6, “Probability and Uncertainty: The Quantum Mechanical View of Nature,” http://www.cornell.edu/video/richard-feynman-messenger-lecture-6-probability uncertainty-quantum-mechanical-view-nature.
[6] Feynman Messenger Lectures, Lecture 6, “Probability and Uncertainty: The Quantum Mechanical View of Nature,” http://www.cornell.edu/video/richard-feynman-messenger-lecture-6-probability uncertainty-quantum-mechanical-view-nature.
[7] Feynman Messenger Lectures, Lecture 6, “Probability and Uncertainty: The Quantum Mechanical View of Nature,” http://www.cornell.edu/video/richard-feynman-messenger-lecture-6-probability uncertainty-quantum-mechanical-view-nature.
[8] Feynman Messenger Lectures, Lecture 6, “Probability and Uncertainty: The Quantum Mechanical View of Nature,” http://www.cornell.edu/video/richard-feynman-messenger-lecture-6-probability uncertainty-quantum-mechanical-view-nature.
[9] 英国物理学家吉姆·阿尔–哈里里也用同一个思路展示了用粒子做的双缝实验：https://youtube/A9tKncAdlHQ?t=125。
[10] Andrew Robinson, The Last Man Who Knew Everything (London:OneWorld, 2007).
[11] Andrew Robinson, The Last Man Who Knew Everything (London:OneWorld, 2007)，51。
[12] 即后来所说的俗体文。——编者注
[13] Thomas Young, “The Bakerian Lecture: Experiments and Calculations Relative to Physical Optics,” Philosophical Transactions of the Royal Society of London 94 (1804): 1–16.
[14] Thomas Young, “The Bakerian Lecture: Experiments and Calculations Relative to Physical Optics,” Philosophical Transactions of the Royal Society of London 94 (1804): 1–16.
[15] 1英寸=2.54厘米。——译者注
[16] Thomas Young, “The Bakerian Lecture: Experiments and Calculations Relative to Physical Optics,” Philosophical Transactions of the Royal Society of London 94 (1804): 1–16.
[17] Thomas Young, “The Bakerian Lecture: Experiments and Calculations Relative to Physical Optics,” Philosophical Transactions of the Royal Society of London 94 (1804): 1–16.
[18] https://www.britannica.com/biography/Henry-Peter-Brougham 1st-Baron-Brougham-and-Vaux.
[19] Whipple Museum of the History of Science, http://www.sites.hps.cam.ac.uk/whipple/explore/models/wavemachines/thomasyoung/#ref_ 2.