续光的波粒二象性及双缝实验

　　光既是粒子又是波，你在读到这句话的时候不感到奇怪是因为你对“波”和“粒子”并没有感性认识，但是如果我说“XX既是猫又是狗”“XX既是石头又是金子”“XX既是活的又是死的”，你一定会大声说“荒谬”“脑子坏掉了吧”（让我想起了周星驰在国产零零七里面的台词“这看起来像只鞋子，其实是个吹风机”）。在上世纪初，许许多多的物理学家听到“光既是粒子又是波”，与你听到“XX既是猫又是狗”所感到的荒谬是一模一样的，在物理学家的眼里，波就是波，粒子就是粒子，两者是截然不同的两个东西。比如说水波吧，水分子的上下振动引发了波纹，这个波纹只是表示能量的传递，并不是一个真实的客观实在的物体；再比如说声波，也只不过是空气分子振动形成的而已，除了空气分子和传递的能量外，再也没有别的什么东西，水波和声波都不可能是一个个实实在在的小球在水中、空中飞来飞去。那时候的物理学家坚信，光如果是一种波，就必然要在一种叫做“以太”的介质中传播，并没有什么真正的客观实在的“光”，它只不过是“以太振动”在人们眼中造成的效应而已。

然而随着各种各样的实验被设计出来，随着理论物理研究的深入，物理学家们终于开始接受，原来波的产生并不是一定要有介质，以太是不存在的，在真空中光波也能转播，而且光波中真的含有数量无比巨大的光子，单个光子的行为看起来就像是一个经典粒子（或者理解为经典的小球）的行为，但是聚集在一起，就形成了波。当这个观点被越来越多地物理学家所接受的时候，突然有人站出来问了一句：“那么请问，在双缝干涉实验中，单个光子到底是通过了左缝还是右缝呢？” 　　本来喧闹欢庆的场面突然安静了下来，每个人都开始思考起了这个问题。很快，物理学家们都意识到，这下好了，物理学的真正麻烦来了，这个问题就像是打开了阿甘的巧克力盒子，从此物理学陷入了迷惘、混乱、猜疑、神秘之中，有人愤怒，有人抓狂，有人绝望，有人欣喜，有人趁火打劫，有人面壁思过，这场混乱一直持续到今天都没有停歇。 　　“那么请问，在双缝干涉实验中，单个光子到底是通过了左缝还是右缝呢？” 　　这个普普通通，简简单单的问题到底意味着什么？是什么力量使得基础理论物理中经典世界观陷入了万劫不复的深渊呢？让我给你详细解说这个问题对物理学家们的震慑力在哪里。 　　一束光如果只通过一条狭缝，那么在屏幕上不会产生干涉条纹，但是如果通过了两条狭缝，则会产生干涉条纹。我请你想象一下，假如我们把一束光看成是由亿亿万个光子聚合而成，每一个光子就像一个小球（当然光子并不是一个小球的形状，只是打个比方，并不影响我们对问题的探讨），当其中一个光子遇到了狭缝的时候，按照我们朴素的观念，这个光子要么通过了左缝，要么通过了右缝，二者必选其一，但问题是，当一个光子通过左缝的时候，它是怎么知道还有没有另外一条右缝的存在呢？光子只是一个无生命的小球，它可不像人，在快飞到狭缝的时候用眼角的余光扫了一眼就知道边上是不是还有一道缝隙，如果看到还有一道缝我就这么飞，如果没有另外一道缝了，我就那么飞。

　你可能还没听懂，没关系，我来画图讲解，这个事情我必须要喋喋不休地说到你完全听明白了才能罢手，这事关整个物理学的理论根基问题，绝不能含糊过去。 　　现在我们先来在平面上开一条缝，我们看看如果只有一条狭缝的情况下，光子会怎么通过这条单缝：　图9-3光子通过单缝时，随机落在屏幕后面的一片区域内 　　如果我们做一个简单的实验的话，我们很容易就发现这是所谓光的“衍**”现象，一束光通过一条狭缝照在后面的屏幕上，会形成一片光亮区域，离狭缝越近的区域，就越亮，离狭缝越远的区域越暗。上面这张图我们就用了一种很直观的比喻，把光子看成一个个的小球，他们通过一条狭缝后，并不是走的直线，而是根据概率分布在屏幕上，中间多两边少。 　　但是，一旦我们在那条狭缝的边上再开一条狭缝，情况马上会变的很神奇，我们会看到光子就像一支训练有素的军队，排成了整整齐齐的队形。 　　图9-4如果是双缝，光子在通过后会规则的排列在屏幕上

这个事情确实有点神奇，光子会排列成整齐的队形也就算了，毕竟可以用波的干涉现象去解释，但是单个光子在通过了左缝的时候如何知道有右缝的存在，通过右缝的时候又如何知道有左缝的存在呢？你要知道，相对于光子的尺度来说，双缝之间的距离就好像从地球遥望月球一样，把这个问题问得更简洁一点，就是：单个光子到底通过了左缝还是右缝？ 　　我怕你还是没有搞清楚这个事情有多怪异，为了保险起见，我再来打个比方，假如你是一个足球运动员，在球门和和你之间竖着一道开了双缝的墙，然后你开始对着两条缝**门，你觉得会呈现怎样一副情景？是不是下面这幅图显示的那样： 　　如果在现实生活中，看到这样的情景，你是不是会觉得太怪异了，就像玩魔术一样，难道这竟然是真的？为什么呢？

以丹麦物理学家玻尔为首的哥本哈根派站出来跟大家解释道：“这个问题本身不成立！光子既不是通过左缝，也不是通过右缝，而是同时通过了左缝和右缝。”注意，这里玻尔可并不是指光子会分身术，一分为二，一半通过了左缝一半通过了右缝，他说的意思很明确，就是指的同一个光子同时通过了左缝和右缝。 　　对的，你确实没有听错，这确实是从严谨的物理学家嘴里面说出来的话。请相信我，就在你感到莫名其妙的同时，我也跟你一样感到无法理解，量子的所有行为几乎都不是正常思维能够理解的。按我们常识的理解是，爱因斯坦和玻尔可以同时位于丹麦和德国，玻尔可以今天位于丹麦，明天位于德国，但是如果你告诉我爱因斯坦同时位于丹麦和德国，玻尔同时通过了凯旋门和埃菲尔铁塔，我一定会认为你脑子坏掉了。 　　当哥本哈根派这么站出来解释的时候，同样也是冒天下之大不韪，全世界的大多数物理学家都群起而攻之，尤其是爱因斯坦，对玻尔连连摇头叹息，说玻尔丢掉了最基本的理性思想，还有某位最激烈的知名物理学家，说如果哥本哈根派的解释是对的，他宁愿改行去当医生，从此不再搞物理了。

你可能会想，大家何必吵吵闹闹的呢？光子到底通过了左缝还是右缝，我们在实验室里面仔细观察一下不就好了吗，与其坐而论道不如实际行动，去做个实验不就知道了吗？你的想法完全没错，物理学家们也都这么想，只是这个实验的难度远远超过你的想象。光子可不是一个足球，天下没有那么强大的摄影机能把光子的飞行轨迹录像录下来（爱因斯坦的那个梦毕竟是梦，里面的高速影像记录仪是假想出来的，不是真的），也不能在光子身上绑一个美剧《24小时》中的微型跟踪器，然后利用卫星全天候跟踪。再说得深一点，你想想我们为什么能“观测”到一样东西，照相机、摄像机为什么能把东西拍下来，其本质原因不正是物体发射出无数的光子，或者反射出无数的光子，这些光子在我们的视网膜或者底片上产生化学反映，于是被我们“看”到，但如果我们要“观测”的对象就是光子本身，那麻烦可就大了，这个光子本身如果射到我们的眼睛里面来了，那光子就自然不会跑到左缝那里去，也不会跑到右缝那里去了（跑到我们眼睛里面来了）。那有没有可能反射别的光子？很抱歉，不能，别的光子跟它长得一样大，能量一样强，它没有能力把别的光子反射出来而自己的运动又不改变，就好像一粒子弹无法把另外一粒子弹给反弹出去一样。总之要“观测”光子通过左缝还是右缝这个事情，基本上，很难。

但物理学家毕竟是物理学家，他们的智慧不是常人能比的，他们很快发现，光有双缝干涉现象，一束电子流同样也有双缝干涉现象，一束电子流跟光一样具备波粒二象性。要记录和测量电子就要比测量光子容易得多了，因为电子不但有质量，而且带电，大小也比光子大得多。我们大可以在双缝上面各安装一个记录是否有电子通过的仪器，用来“观测”电子有没有通过这道狭缝，大多数物理学家都是为了证明哥本哈根解释有多荒谬而不辞辛劳地苦苦改良实验设备，一次次地提高精度，没日没夜地在实验室挥汗如雨，就是为了拿出明确的证据来说明在双缝干涉实验中，电子是确定无疑地通过了某条缝隙。

但结果怎样呢？

--来自汪洁《时间的形状》?

---未完待续---

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