|
量子论很多令人困惑的特点，都可以用一种奇特的“波一粒”二象性来理解。这使人想起了精神—肉体的二重性。根据“波—粒”二象性，一个象电子或光子这样的微观实体有时行为象个粒子，有时行为象一个波。是波还是粒子，要依所选择的实验来定。粒子与波是完全不同的东西。粒子是一小块浓缩的物质，而波则是无定形的运动，能够扩散和消失。一个东西怎么会既是粒子又是波呢？
这里又是并协性的问题了。精神怎么可能既是思想，又是神经兴奋呢？一部小说怎么能既是一个故事，又是一大堆字词呢？波—粒二象性是一种软件—硬件的双重性。粒子的一面是原子的硬件面——这些小球在格格地碰撞。波的一面则相当于软件，或精神，或信息，因为量子波与人们所知的任何种类的波都不同。它不是任何实体或物质构成的波，而是知识或信息的波。它是一种告诉我们就原子来说我们能了解什么的波，而不是原子本身构成的波。没有谁说原子会象波一样扩散开去。但是，能够扩散开去的是观察者对原子的了解。我们都知道犯罪率的波动，犯罪率的波不是物质的波而是或然率的波。在犯罪率的波最强的地方，最有可能出现重罪。
量子波也是一种或然率的波。它告诉你在什么地方可能有粒子，粒子具有这样或那样的属性（如旋转的方向、能量的大小之类）的可能性有多大。因此，量子波也就包含了量子因素的固有的测不准性和不可预测性。
托玛斯·杨的双狭缝系统是说明波—粒二象性的冲突和二重性的最好实验。根据经典物理学长久以来的传统观点，光是一种波，是一种电磁波，是电磁场的波动。然而，在1900年，麦克斯·普朗克从数学上证明，光波在某些方面行为可以如同粒子一样——现在我们已把这些粒子叫光子。普朗克认为，光是以不可分的块状或批量的形式（量子的名词quantum〔量〕这个希腊词就是这么来的）传播的。爱因斯坦使普朗克的思想进一步精确化了。他指出，这些光子微粒子把原子的电子击离原子，这正是现在大家已经见惯不怪的光电管中发生的事，有些奇怪，但还不离谱。
但是，当两道光线合并起来时，最初的意料不到的事发生了。假如两个波系统重迭了，就会出现所谓的干涉效应。可以想象一下，两块石头相距几寸，落入一平静的池塘。当扩散开去的波纹重迭时，就出现了复杂的波形条纹。在一些区域，两个波运动的相位一致，于是，波动就放大了，在另一些区域，波的相位不一致，于是就相互抵消了。
要想用光来得到相同的效应，我们可以用光来照射屏幕上的两个缝，通过两个缝的光波扩散开来，就形成了干涉条纹。这很容易用照相底版显示出来。两个缝的映象并不是两个模糊的斑点，而是由明暗斑块组成的条理分明的图样，分别标明了在哪些地方两个光波是同步的，在哪些地方两个光波是不同步的（见图14）。
这一切在19世纪开始时人们就都知道了。然而，一考虑到光的微粒子性质，这就有些奇特了。每一个光子都是打到照片底版上的某一特定的点上，形成了一个小点。大群光子如同万箭齐射打到底版上，形成了成百上亿的光点，于是就出现了底版上的影象，就象电视机荧光屏上的情况一样。任何一个单个的光子要到达哪一点，这是完全不可预言的。我们所知道的只是，光子打到底版的明亮区域的可能性很大。
然而，还不仅仅就是这些。假如我们降低照明度，使每一次只有一个光子通过实验系统，那么，只要时间足够长，由众多光子累加造成的斑点仍是组成明暗相间的干涉花纹。这里，令人难解的问题是，假如说任何一个特定的光子肯定只能通过一个缝，那么，干涉花纹则表明必定是有两个重迭的波系列，每一个缝都发出一个波系列。整个的实验也可用原子、电子、或其他的亚原子粒子来作。不管用什么粒子来作，都会出现明暗相间的条纹，表明光子、原子、电子、介子等等都同时显示出波与粒子的特征。
在20世纪20年代，玻尔为这一难题提出了一个可能的解决方法。可以把光子通过狭缝A的情况看成是一可能的世界（世界A），把光子通过狭缝B的情况看成是另一个可能的世界（世界B）。不知为什么，这两个世界即世界A与世界B一同出现了，迭加起来了。玻尔断言，我们不能说我们的经验世界就是A或就是B，而应当说我们的经验世界纯粹是这两个可能的世界的混合物。而且，这种混合的实在并不是两种可能性的简单相加，而是二者难以捉摸的结合：每一个世界都干涉另一个世界，形成了那有名的条纹。两个可能的世界迭加、结合在一起，颇象是两张电影片同时打到一块屏幕上。
爱因斯坦是位死心塌地的怀疑论者，拒绝承认所谓混合的实在。他又提出一个经过修改的双缝实验继续与玻尔争论。在这个实验中，屏幕是可以自由移动的。他坚持认为，只要仔细观察，就可以判定光子走的是那个缝。若光子通过左边的缝，就会稍微向右偏转，那么，原则上就能够看到反冲的屏幕移向左边。假如屏幕移向右边，就说明光子通过了右边的缝。用这种方式，就可以通过实验判断是世界A还是世界B相当于实在。而且，这样一来，原先实验中光子行为明显的不确定性也就可以归结为实验技术的粗糙造成的。
玻尔对爱因斯坦提出的实验思路进行了决定性的反驳。他说，爱因斯坦这是在游戏的中间改变游戏规则。假如屏幕可以自由移动，那么，其移动也同样是受量子物理学内在的测不准性支配的。玻尔很容易地证明，准许屏幕反弹，将会毁坏照相底片上的干涉花纹，而只留下两个模糊的斑点。要么是屏幕固定，使光的波一样的性质以干涉花纹的形式显现出来。要么就让屏幕自由移动，使光子有确定的轨迹。但这么一来，光的波一样的特征就消失了，光的行为就纯粹是微粒一样的了。这里是两个不同的实验。它们不是矛盾的，而是并存的。爱因斯坦提出的实验思路并没有对原先实验中光子的路径问题进行任何说明，而原先的实验确实显示了那混合的世界。
玻尔与爱因斯坦的交锋，可以使人得出一个不同寻常的结论，那就是，我们这些实验者以一种基本的方式参与了实在性质的形成。假如我们固定住屏幕，就可以建构出一个神秘的混合世界，在这个世界中，光子的路径是确定不了的。
34/74 首页 上一页 32 33 34 35 36 37 下一页 尾页
|
