科学论道十：粒子还是波？

从东方智慧思想的角度来看相对论，还仅仅是一个开始，我们将沿着这个方向继续向量子理论出发。为了说明我们并不是牵强附会，有必要先引出以下三段量子物理学家的话：

J．R．奥本海默：在原子物理学的发现中所表现出来的……关于人类认识的一般概念，……就其本质而言并非我们根本不熟悉、前所未闻或者完全是新的。即使在我们自己的文化中它们也有一定的历史，而在佛教和印度教的思想中更居有中心的地位。我们所要作的发现只是古代智慧的一个例证、一种促进和精细化。

N．玻尔：为了与原子理论的教程作一类比……（我必须转向）这样一些方法论的问题，如来佛与老子这样一些思想家早就遇到了这类问题，就是在存在这幕壮观的戏剧中，如何使我们既是观众又是演员的身分能够协调起来。

W．海森堡：自从第一次世界大战以来，日本科学研究对于理论物理的巨大贡献可能是一种迹象，它表明在东方传统中的哲学思想与量子力学的哲学本质之间有着某种确定的联系。

以上三位都是量子科学领域无可争议的顶尖人物，他们不约而同的提到东方哲学思想，应该不仅仅是偶然的原因。因此，我们有必要仔细考察量子理论与东方哲学思想的关联性，看看能否给我们带来新的启发。

量子理论与相对论一样，都是科学发展以来最为成功的理论之一，基于量子理论的预言在极高的精度上与实验相符。量子理论给我们提供了新的关于自然界的表述方法和思考方法，揭示了微观物质世界的基本规律，为原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学奠定了理论基础。它能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性质、光的吸收与辐射等。现代的许多科技成果都带着量子理论的烙印。没有量子理论，我们的科技可能还只停留在20世纪初的水平上。

但是，这样一个成功的理论，却是目前物理学家们最感困惑的一个理论。最主要的困惑在于，一些基本的实验现象不能得到合理的解释，另外，海森堡不确定性原理的机制是什么，也不能得到有说服力的解释。

不确定性原理是说：一个微观粒子的某些物理量（如位置和动量，或方位角与动量矩，还有时间和能量等），不可能同时具有确定的数值，其中一个量越确定，另一个量的不确定程度就越大。测量一对共轭量的误差的乘积必然大于一个常数。这个规律是海森堡在1927年通过数学手段推出来的，之后被许多实验确认，是微观粒子运动的基本规律。

我们可以用一个通俗的比喻来理解不确定性原理：在一个密闭而漆黑的房间里，我们被告知，有一只苍蝇在房间里漫无目的的飞翔，但由于一片漆黑，我们无法确实认定这一点。现在我们手头有两个道具，一个是带闪光的照相机，一个是具有红外功能的摄影机。我们一次只能选择一个道具，当我们选择照相机时，我们可以拍下苍蝇的照片，这样，苍蝇的模样等细节信息就一清二楚，但同时关于苍蝇运动方面的信息却完全失去了，我们得到的只是一幅静止的图片。当我们选择红外摄影机时，苍蝇的运动轨迹被我们记录了下来，但同时苍蝇具体的模样等细节信息我们却一无所知，因为红外摄影机里记录的只是一个不断移动的光点。总之，我们不可能同时即把苍蝇的样子看得清清楚楚，又把苍蝇的运动记录完整，这是一对共轭的矛盾。在微观的量子世界，科学必须要面对这样的矛盾，而在宏观领域，则没有这样的限制。在宏观领域，就象在房间里装上了电灯，苍蝇的样貌和运动轨迹都可以被摄影机同时记录下来，这并不是矛盾的。

不确定性原理诞生80多年来，物理学家们一直不知道这个原理背后的原因。也有一些解释，如霍金就认为，测不准的原因是当人去观察粒子时，光子对粒子造成了扰动，所以测不准。这个解释虽然很形象，但并不能使人信服，因为测不准原理并不是实验室中的发现，而是首先通过数学公式推导得出的，这就说明，只要量子理论的公设没有问题，那么从理论上说，粒子的位置和动量就是没办法同时精确测量，而这并不是测量手段的问题。况且，有些亚原子粒子的质量可以非常大，光子的扰动可以忽略不计，因此说测不准的原因是光子扰动的说法是说不过去的。

我们再来看电子的双缝实验。

如果我们把一束电子直接打在屏幕上，屏幕会显示一个亮点，表明电子是粒子性的。我们再让一束电子通过两段平行的狭缝，在屏幕上则会显示出明暗相间的干涉图案，表现出波动性。如果将双缝之一关闭，则屏幕会立即出现衍射图案，但干涉图案与衍射图案并不相同，双缝干涉图案并不是单缝衍射图案的叠加。最奇怪的是，在上述实验中，让电子一粒一粒的发射，实验结果还是一样的。那么电子到底是粒子还是波呢？

图一杨氏双缝干涉

图二双缝干涉示意图

图三 电子一粒粒的发射，

最终还是会形成干涉图案

如果说电子是粒子，通过单缝时，为什么会出现衍射图案？而且如果是粒子的话，必定不可分割，也无法解释一粒一粒发射的电子通过双缝后怎么会形成干涉图案——前一粒不可能与后一粒发生干涉，单个粒子也不可能同时穿过两条狭缝自己与自己发生干涉。在双缝实验中，我们快速遮去其中一个缝，单个的电子又是如何感知我们的这一行为并立即表现出完全不同的运动轨迹，本来应该落在干涉图案中的亮点变成了落在衍射图案中的亮点？要知道，双缝之间的距离相对于电子的运动尺度来说，至少是十万倍的差距，如果电子是粒子的话，电子要如何瞬间感知到十万倍距离外的缝的状态？

如果说电子是波，可以解释电子同时通过两条狭缝后发生干涉，但通过狭缝后打在屏幕上的为什么仍然是一个小亮点，而不是较暗的干涉图案？如果我们想要一探究竟，在双缝旁边安装一个粒子监视器，此时我们会看到一个个的粒子，但是干涉图案也随之消失。电子好像知道人们的心思，我们想要偷看它的秘密，它立即会掩饰得很好，一点破绽也没有。

粒子和波这两种最不可能合一的状态，在亚原子世界竟然是融合在一起的，这是量子科学中最难以理解的谜团。目前主流的看法是，电子（其他亚原子粒子也一样）是处在一种所有可能状态的迭加态中，我们无法推测电子在某一时刻的具体位置（除非进行观测），但我们可以知道电子出现在某一位置的几率是多少，这个几率可通过薛定谔波函数计算得出。

那么，粒子在通过狭缝前到底是一种什么状态呢？是粒子还是波？还是一种被几率波函数约束的量子迭加态？如果是后者，我们又要如何来理解呢？显然，微观亚原子粒子的行为不能用我们经典的理论来解释。我们只能笼统的说，粒子具有波粒二象性。如果我们只满足于对现象的了解，这个认知就足够了，教科书这么写，我们也就这么看。就像世界上几乎所有的应用物理学家都认为的那样，知不知道粒子的秘密和能不能运用量子理论是两回事。现在量子计算机的研究正如火如荼的开展，应用物理学家们不会干等着理论物理学家的解释再干活的。况且，粒子世界怎么回事，跟我们的生活关系好像不大。粒子再怎么奇怪，太阳还是有规律的东升西落，我们还是要有规律的上学上班，微观粒子世界和宏观世界是不相干的。

但是，真的不相干吗？薛定谔的那只可怜的猫打碎了我们希望窝在有规律的宏观世界的美梦，把微观世界和宏观世界生生的扯到了一起。埃尔温·薛定谔是量子力学的奠基人之一，在1935年就已经觉察到量子迭加的哲学问题怎样可以在宏观级上出现。他设计了这样一个思想实验：“一只猫关在一钢盒内，盒中有一种残忍的装置（必须保证此装置不受猫的直接干扰）：在盖革计数器中有一小块辐射物质，它非常小，或许在1小时内只有一个原子衰变。在相同的几率下或许没有一个原子衰变。如果发生衰变，计数管便放电并通过继电器释放一锤，击碎一个小的氢氰酸瓶。于是猫被毒死”。

我们运用自己的逻辑推测，那只猫是非死即活的，两者必居其一。可是，按照量子力学规则，盒内整个系统处于两种态的迭加之中，一态中有活猫，另一态中有死猫。但是，一只又活又死的猫，是什么意思呢？猫的死活被摆在了台面上，我们不能再奉行鸵鸟政策了！

对于量子领域的这种奇怪特性，量子理论的奠基人之一的玻尔给出了自己的理解。他的解释也被认为是量子理论的传统观点，被称为哥本哈根解释。玻尔认为：在对某个量子物体实行一次测量之前，就把一组完全的属性委归于它，那是没有意义的。也就是说，询问一个电子“实际”是什么的问题，是没有意义的。或者至少，当您提这个问题时，物理学家不可能给予回答。他宣称：物理学不告诉我们世界是什么，我们只能说观察到的世界是什么。对于薛定谔的那只被量子论决定生死的猫，玻尔的观点是，物理学不能告诉我们猫是生还是死（当然我们的逻辑可以判断），只有在我们观察后，波函数发生“塌缩”，我们才能知道确定的结果。

玻尔的结论是惊世骇俗的，因为本来是客观的物理实验，结果却要由主观的意识来决定，这是大多数人所不愿接受的。我们一般会毫不犹豫的认为这个世界是实实在在存在着的，眼前的电脑、屋外的果树、鲜花，一切的一切，都是实实在在的呆在那儿，这一切，并不会因为我们没有注意到就不存在。换句话说，就算我们魂归西天，这个地球还是一样的转。是的，我们坚定的这样认为。不仅我们，大多数物理学家都是同样的看法，认为我们这个世界具有两种特性：实在性和定域性。其中定域性是指，一个物体或人，比如张三，要么在家里，要么在办公室，或者在其他某个地方从事秘密活动。我们可以确定，在某个具体的时间，张三只可能出现在一个地方，他不可能同时在家又在办公室（当然除了他是SOHO的在家办公一族）。也就是说，没有一种东西可以超过光的速度。然而玻尔告诉我们，在粒子世界，所谓的定域性是不存在的，而实在性，从物理学角度也是无法确定的。

出于保卫经典世界的定域性和实在性角度出发，一些物理学家发展出了关于量子特性的多种解释。一种隐变量理论认为，我们不清楚粒子的行为是因为某种暂时还没有被我们发现的因素导致的，粒子其实和乒乓球一样是经典实在的。另一种多宇宙论则认为，我们每次观测，宇宙就发生一次分裂。比如我们看到粒子从左缝穿过，与此同时，另一个平行的宇宙被分裂出去，在那个宇宙，粒子其实是从右缝穿过的。这样，与我们平行的宇宙就有天文数字般那么多。我们不禁感叹，为了保卫实在世界的代价未免也太大了！况且这也不符合奥卡姆剃刀的经济性原则，奥卡姆剃刀原则告诉我们：不要把简单的事情复杂化。

如果仅是理论的不完善，我们还可以勉强接受，然而以下将要谈到的两个已被证实的实验，将彻底粉碎任何保卫实在性和定域性的企图。

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