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要命的雙縫

謝耳朵說的其實是物理學史上非常非常非常著名的「楊氏雙縫干涉實驗」。這個實驗雖說不如MM實驗那樣在物理學史上具有分水嶺的意義,但我敢跟你保證,任何一本講量子物理學歷史的書籍,這個雙縫干涉實驗都是必定被提及的,不但是必定提及,而且還會一而再再而三的提及。這個實驗最早是在1801年被一個叫作托馬斯·楊的英國醫生(他同時也是一個物理學家)做出來的,當時他做這個實驗的目的是為了向世人證明光是一種波而不是一種微粒,這個實驗非常有力地證明了光具有波才具備的自我干涉性質。現在的高中物理都會做到這個實驗(圖3-2)。

光因為是一種波,所以在通過雙縫之後,會發生干涉現象,從而在屏幕後面形成明暗相間的條紋,這個現象具備高中物理知識的人都可以明白。如果剛好你對高中物理忘得差不多了,那麼我再把這個明暗條紋產生的原理圖畫出來,幫助你回想一下:

【圖9-1】雙縫干涉實驗原理圖

麥克爾遜和莫雷也正是利用光的這種自我干涉現象,設計了著名的MM實驗,試圖通過干涉條紋的移動來證明光在不同方向上的速度不同,MM實驗最終導致了偉大的相對論的誕生。那麼這個看似普普通通,現在每個高中生都做的雙縫干涉實驗中到底藏著什麼玄機,讓謝耳朵念念不忘呢?那是大大的有門道。這個實驗剛開始並沒有在物理學界引起多麼巨大的轟動效應,但是隨著人們對光、原子、電子的進一步認識,這個實驗開始逐步引起越來越多的物理學家的關注,直到最後引發了空前的全「民」大討論,整個物理學界開始為這個實驗抓狂(用抓狂來形容一點都不過分)。於是這個實驗在它被發明的一百多年後,再次成了整個物理學的中心,甚至成了現代量子物理學開端的標誌性實驗,大物理學家費曼(就是我們講時間旅行時提出多歷史假說的那位)寫道:「雙縫實驗包含量子物理學的所有秘密。」難怪《生活大爆炸》的劇作者要在第一集的第一秒,迫不及待地提到它。

還記得那個物理學的奇跡年嗎?1905年,愛因斯坦接連發表了5篇傳世論文,其中第一篇不是關於相對論的,而是叫作《關於光的產生和轉化的一個試探性觀點》,我們一般簡稱為「愛因斯坦關於光電效應的那篇論文」(貌似一點都不簡)。在這篇論文中,愛因斯坦解決了困擾物理學界多年的一個問題,那就是為什麼光會在金屬上「打出」電子來——光電效應。愛因斯坦的觀點認為光是由一個個的「光量子」(簡稱「光子」)組成,這些光子聚集在一起,表現出波的特性,但是單獨來看,它又具備粒子性。這就是現在每個高中生都知道的光的「波粒二象性」。換句話說,光既是粒子又是波,愛因斯坦因為這篇論文在1921年獲得諾貝爾物理學獎。

光既是粒子又是波,你在讀到這句話的時候不感到奇怪,是因為你對「波」和「粒子」並沒有感性認識,但是如果我說「XX既是貓又是狗」「XX既是石頭又是金子」「XX既是活的又是死的」,你一定會大聲說「荒謬」「腦子壞掉了吧」。在上世紀初,許許多多物理學家聽到「光既是粒子又是波」,與你聽到「XX既是貓又是狗」時感到荒謬是一模一樣的。在物理學家的眼裡,波就是波,粒子就是粒子,兩者截然不同。比如說水波吧,水分子的上下振動引發了波紋,這個波紋只是表示能量的傳遞,並不是一個真實的客觀實在的物體;再比如說聲波,也只不過是空氣分子振動形成的而已,除了空氣分子和傳遞的能量外,再也沒有別的什麼東西。水波和聲波都不可能是一個個實實在在的小球在水中、空中飛來飛去。那時候的物理學家堅信,光如果是一種波,就必然要在一種叫作「以太」的介質中傳播,並沒有什麼真正的客觀實在的「光」,它只不過是「以太振動」在人們眼中造成的效應而已。

然而隨著各種各樣的實驗被設計出來,隨著理論物理研究的深入,物理學家們終於開始接受,原來波的產生並不是一定要有介質,以太是不存在的,在真空中光波也能轉播,而且光波中真的含有數量無比巨大的光子,單個光子的行為看起來就像是一個經典粒子的行為,但是聚集在一起,就形成了波。當這個觀點被越來越多的物理學家接受的時候,突然有人站出來問了一句:「那麼請問,在雙縫干涉實驗中,單個光子到底是通過了左縫還是右縫呢?」

本來喧鬧歡騰的場面突然安靜下來,每個人都開始思考起這個問題。很快,物理學家們都意識到,這下好了,物理學的真正麻煩來了,這個問題就像是打開了阿甘的巧克力盒子,從此物理學界陷入迷惘、混亂、猜疑、神秘之中,有人憤怒,有人抓狂,有人絕望,有人欣喜,有人趁火打劫,有人面壁思過,這場混亂一直持續到今天都沒有停歇。

「那麼請問,在雙縫干涉實驗中,單個光子到底是通過了左縫還是右縫呢?」

這個普普通通、簡簡單單的問題到底意味著什麼?是什麼力量使基礎理論物理中經典世界觀陷入了萬劫不復的深淵呢?讓我給你詳細解說這個問題對物理學家們造成的震撼。

一束光如果只通過一條狹縫,那麼在屏幕上不會產生干涉條紋;如果通過兩條狹縫,則會產生干涉條紋。請你想像一下,假如我們把一束光看成是由億億萬個光子聚合而成,每一個光子就像一個小球(當然光子並不是一個小球的形狀,只是打個比方,並不影響我們對問題的探討),當其中一個光子遇到了狹縫的時候,按照我們樸素的觀念,這個光子要麼通過左縫,要麼通過右縫,二者必選其一。但問題是,當一個光子通過左縫的時候,它是怎麼知道還有另外一條右縫的存在的呢?光子只是一個無生命的小球,它可不像人,在快飛到狹縫的時候用眼角的餘光掃一眼就知道邊上是否還有一道縫隙,如果看到還有一道縫我就這麼飛,如果沒有另外一道縫,我就那麼飛。

你可能還沒聽懂,沒關係,我來畫圖講解,這個事情我必須要喋喋不休地說到你完全聽明白了才能罷手,這事關整個量子物理學的理論根基,絕不能含糊過去。

現在我們先在平面上開一條縫,看看如果只有一條狹縫的情況下,光子會怎麼通過這條單縫:

【圖9-2】光子通過單縫時,隨機落在屏幕後面的一片區域內

如果我們做一個簡單實驗,很容易就發現這是所謂光的「衍射」現象,一束光通過一條狹縫照在後面的屏幕上,會形成一片光亮區域,離狹縫越近的區域越亮,離狹縫越遠的區域越暗。上面這幅圖中我們用了一種很直觀的比喻,把光子看成一個個小球,它們通過一條狹縫後,並不是走直線,而是根據概率分佈在屏幕上,中間多兩邊少。

但是,一旦在那條狹縫的邊上再開一條狹縫,情況馬上會變得很神奇,我們會看到光子就像一支訓練有素的軍隊,排成了整整齊齊的隊形。

【圖9-3】如果是雙縫,光子在通過雙縫後會規則地排列在屏幕上

這個事情確實有點神奇。光子會排列成整齊的隊形也就算了,畢竟可以用波的干涉現象去解釋;但是單個光子在通過了左縫的時候如何知道有右縫的存在,通過右縫的時候又如何知道有左縫的存在呢?你要知道,相對於光子的尺度來說,雙縫之間的距離就好像從地球到月球一樣遠。把這個問題問得更簡潔一點,就是:單個光子到底通過了左縫還是右縫?

我怕你還是沒有搞清楚這個事情有多怪異,為保險起見,我再來打個比方。假如你是一個足球運動員,在球門和你之間豎著一道開了雙縫的牆,然後你開始對著兩條縫射門,你覺得會呈現出怎樣一幅情景?是不是下面這幅圖顯示的那樣:

【圖9-4】你對著雙縫的牆射門的場景

但是現在,如果你腳下踢的不是足球,而是一個個光子,就會呈現出下面這樣怪異的圖像:

【圖9-5】如果用光子當足球,會射成這樣

如果在現實生活中看到這樣的情景,你是不是會覺得太怪異了,就像玩魔術一樣?難道這竟然是真的?這是為什麼呢?