讀古今文學網 > 時間的形狀 > 玻爾的上帝 >

玻爾的上帝

以丹麥物理學家玻爾為首的哥本哈根學派站出來跟大家解釋道:「這個問題本身不成立!光子既不是通過左縫,也不是通過右縫,而是同時通過了左縫和右縫。」注意,這裡玻爾可並不是指光子會分身術,一分為二,一半通過了左縫一半通過了右縫,他說的意思很明確,就是指同一個光子同時通過了左縫和右縫。

對,你沒有聽錯,這確實是從嚴謹的物理學家嘴裡說出來的話。請相信我,就在你感到莫名其妙的同時,我也跟你一樣感到無法理解,量子的所有行為幾乎都不是正常思維能夠理解的。按我們慣常的理解,愛因斯坦和玻爾兩人可以同時分別位於德國和丹麥,或者他們可以今天位於德國,明天位於丹麥;但是如果你告訴我愛因斯坦同時位於德國和丹麥,玻爾同時通過了凱旋門和埃菲爾鐵塔,我一定會認為你腦子壞掉了。

當哥本哈根學派這麼站出來解釋的時候,同樣也是冒天下之大不韙。大多數物理學家起而攻之,尤其是愛因斯坦,對玻爾連連搖頭歎息,說玻爾丟掉了最基本的理性思想。還有某位最激烈的物理學家,說如果哥本哈根學派的解釋是對的,他寧願改行去當醫生,從此不再搞物理了。

你可能會想,大家何必吵吵鬧鬧呢?光子到底通過了左縫還是右縫,我們在實驗室裡仔細觀察一下不就好了嗎?與其坐而論道不如實際行動,去做個實驗不就知道了嗎?你的想法完全沒錯,物理學家們也都這麼想,只是這個實驗的難度遠遠超過人類的想像。光子可不是一個足球,天下還沒有那麼強大的攝影機能把光子的飛行軌跡錄下來,也不可能在光子身上綁一個微型跟蹤器,然後全天候跟蹤。再說得深一點,你想想我們為什麼能「觀測」到一樣東西?照相機、攝像機為什麼能把物體的影像拍下來,本質原因在於物體發射出無數的光子,或者反射出無數的光子,這些光子在我們的視網膜或者底片上成像,於是被我們「看」到。但如果我們要「觀測」的對象就是光子本身,那麻煩可就大了,這個光子如果射到了我們的眼睛裡,那它就自然不會跑到左縫那裡去,也不會跑到右縫那裡去(跑到我們眼睛裡來了)。那有沒有可能反射別的光子?很抱歉,不能,別的光子跟它長得一樣大,能量一樣強,它沒有能力把別的光子反射出來而自己的運動又不改變,就好像一粒子彈無法把另外一粒子彈給反彈出去一樣。總之要「觀測」光子通過左縫還是右縫這個事情,基本上,很難。

但物理學家畢竟是物理學家,他們的探索精神不是常人能比的。他們很快發現,光有雙縫干涉現象,一束電子流同樣也有雙縫干涉現象,一束電子流跟光一樣具備波粒二象性。記錄和測量電子就比測量光子容易得多了,因為電子不但有質量,而且帶電,大小也比光子大得多。我們大可以在雙縫上各安裝一個用來觀測和記錄的儀器,來觀察電子有沒有通過這道狹縫。於是,很多物理學家都是為了證明哥本哈根解釋有多荒謬,不辭辛勞地苦苦改良實驗設備,一次次地提高精度,沒日沒夜地在實驗室揮汗如雨。他們想拿到明確的證據,來說明在雙縫干涉實驗中,電子是確定無疑地通過了某條縫隙。

但結果怎樣呢?好在我們的物理學家們都有誠實客觀的本性,儘管他們是如此地厭惡哥本哈根解釋,但是全世界的物理學家都不得不承認,他們的實驗表明:

一旦在狹縫上裝了記錄儀,他們確實可以觀測到電子通過了某條狹縫;但怪異的是,一旦電子被觀測到了,雙縫干涉條紋也就消失了,如果不去觀測,雙縫條紋又會神奇地出現。這就好像在那個用光子當足球踢的實驗中,一旦有人在某個牆縫上看到了足球,足球就不再會整齊地落在網的固定位置,而一旦沒有人去看足球到底飛過了哪個牆縫,足球又會神奇地出現在那些固定位置上。這事實在是太怪異了,物理學家們怎麼也想不通,電子的行為怎麼還跟觀測有關?一旦觀測,它就只通過一條狹縫,不產生干涉條紋;不觀測,它就同時通過(看來只能這麼理解了)兩條狹縫,留下干涉條紋,這實在太不可思議了。再打個比方,如果你用一桿衝鋒鎗瞄準了標靶,然後把衝鋒鎗用裝置固定住,讓槍自動開槍射擊,槍槍都正中靶心,你很滿意。於是你換上由電子製成的子彈,再次開槍射擊,但是怪異的事情出現了:如果你盯著標靶看的話,槍槍都命中靶心,可是一旦你背過身去,不看靶子,打了一梭子之後,你轉頭一看,發現子彈以靶心為圓心成散狀分佈。你以為槍的固定裝置出了問題,於是再盯著靶子打一次;這次又是槍槍命中靶心,當你再次轉過頭去開槍,子彈又開始「亂打」了。這事已經遠遠超出了怪異的範圍,簡直是讓人抓狂。還記得愛因斯坦的世界觀說的一個中心兩個基本點嗎?一個中心是「因果律」,兩個基本點是「定域」和「實在」。現在「實在」這個愛因斯坦的理想宇宙的基本點遭到了嚴重的懷疑,這個實驗居然再三向物理學家們展示:電子的行為跟我們的觀測有關。電子似乎不再是一個超脫於我們意識而存在的「客觀實在」,它似乎是為我們而存在,為我們而表演,它的行為受我們「看」與「不看」影響,愛因斯坦的世界觀遭受到第一次最直接的衝擊。

玻爾領銜的哥本哈根學派此時又站出來跟大家解釋說:「實驗結果大家都看到了,我們也反覆地做了電子的雙縫干涉實驗,結果都是一樣的。這說明電子必須符合『不確定原理』,也就是說電子的運動軌跡是不確定的,它的運動軌跡不能用一根線來表示,只能用一朵概率雲來表示。我們在觀測之前永遠無法說出電子的確切位置,只能說出它在某一個位置的概率。當我們觀測到電子以後,電子雖然處於確定位置,但它是怎麼到這個位置、通過什麼路徑來的,我們仍然不可能知道。事實上這個電子同時存在於那朵概率雲中的所有位置。而且,我們對電子的位置測量得越精確,對它的速度就必然測量得越模糊,測量行為本身就會影響電子的運動。反之,我們對它的速度測量得越精確,對它的位置就必然測量得越模糊。換句話說,我們永遠不可能同時知道一個電子的位置和速度。因此不確定原理也可以叫作『測不准原理』」。

如果牛頓地下有知,聽到了玻爾的這段話,必然會蹦出來大罵玻爾離經叛道。牛頓是堅定的決定論者,他認為只要知道了某一時刻的所有信息,就能預言未來發生的一切。然而現在玻爾很無情地告訴牛頓:對不起,你連最基本的速度和位置信息都是永遠無法同時準確地知道的,又何談計算和預測呢?愛因斯坦也站出來反對說:「玻爾先生,很抱歉,本人實在不喜歡你們的這個解釋,沒有確切的運動軌跡,只有概率,這叫什麼解釋?你以為上帝是一個喜歡擲骰子的賭徒嗎?時間和空間都被你們拿到賭桌上來碰運氣了!」

雙縫實驗做到這一步已經夠瘋狂的了,居然引出了一個「不確定性」原理:物質的最基本構成——電子,以及所有跟電子差不多大小的基本粒子的行為都是不確定的,我們要麼只能知道他們在什麼地方,要麼只能知道它們的運動速度,想同時知道兩樣,想都別想。但接下去的實驗進一步告訴我們這樣一個道理:在量子的世界,沒有最瘋狂,只有更瘋狂。物理學家們又幾乎同時發現了一個更「恐怖」的結果:哪怕你是在電子已經通過了雙縫之後再去觀測電子實際通過了哪條狹縫(這裡的原理比較複雜,我們在這裡不需要去搞清楚具體是什麼樣的觀測手段,總之你只要知道物理學家們有巧妙的方法可以觀測),只要一觀測,干涉條紋就消失了。也就是說哪怕你在電子通過了雙縫之後再觀測,電子也不再同時通過雙縫;而只要不觀測,電子又同時通過雙縫了,讓電子同時還是不同時通過雙縫是可以在電子實際通過以後再決定的。

詭異,詭異,真是太詭異了!這個實驗結果直接違背了愛因斯坦信仰的「因果律」,本來事情的原因影響結果,結果是原因導致的,現在好了,事後觀測行為居然影響到了電子之前做出的選擇,這豈不是變成了結果影響原因了嗎?難道歷史是可以改變的嗎?(費曼辯護說,不是歷史可以改變,而是歷史本身就是有無數個,可能發生的歷史實際上都已經發生了,很多人聽完當場昏厥在地)這嚴重違背因果律,嚴重離經叛道。

哥本哈根學派繼續解釋說:「在我們看來,沒有什麼真正的因果,只有『互補原理』,原因和結果是一種互補關係而不是先後關係,你我既是演員又是觀眾,觀測者和被觀測者互相影響,形成互補關係,原因會影響結果,結果也一樣會影響原因。」

愛因斯坦這次是真的坐不住了,他寫了一系列文章,還在公開會議上和玻爾辯論。他認為玻爾已經從一個物理學家變成了一個形而上的哲學家,玻爾的理論哪裡像是物理學,簡直就是一種哲學,還是帶偽字的。愛因斯坦雖然對實驗結果也同樣感到震驚,但他認為一定會有一個溫暖的符合經典世界觀的理論去解釋這些現象,只是我們還沒找到這個理論罷了。另外,他對物理學家的實驗方法也提出了一些質疑,認為所有的實驗結果只能作為一種統計近似,並非是顛覆自己所信仰的「因果律」和「實在性」的直接證據。

但不管怎麼說,這個雙縫干涉實驗,對愛因斯坦一個中心兩個基本點中的兩項內容都造成嚴重衝擊。整個物理界發生大混亂,從此狼煙四起,天下不再太平。要知道,這世界的所有物質從本源上來說,都是由基本粒子,也就是量子構成的,如果量子是不確定的,那麼是不是由量子構成的我們也是不確定的呢?最驚人的一次實驗是1999年由一組物理學家在奧地利做的,他們用60個碳原子組成了一種叫「巴基球」的東西,用這個巴基球來模擬雙縫實驗,結果他們同樣得到了神奇的干涉現象。現在的科學家們設想用更大的病毒來做雙縫實驗,病毒從某種意義上來說,已經是生命體了,它們或許具備「意識」。不知道他們會如何體驗這種同時通過雙縫的感覺。此時,我再把謝耳朵的話寫出來給大家回顧一下,你是否能看懂謝耳朵的嘮叨了呢?

So if a photon is directed through a plane with two slits in it

如果一個光子通過有兩個狹縫的平面,

and either slit is observed,

只要觀察了其中的任意一個狹縫,

it will not go through both slits.

那麼光子就不會同時通過兩條狹縫,

If it\'s unobserved,it will.

但如果不進行觀察,那它就會同時通過兩條狹縫。

However,if it\'s observed after it\'s left the plane,

然而,即便光子是在離開平面(狹縫後)後,

But before it hits its target,

在擊中目標之前被觀察了,

it won\'t have gone through both slits.

它居然也不會同時通過兩個狹縫。

這次我相信你一定看懂了,不但看懂了,而且開始感到抓狂了。很顯然,我們每個普通人心目中的那個樸素的宇宙觀受到了衝擊,這種感覺和愛因斯坦是一樣的。但好在,愛因斯坦還保有自己最後一塊神聖不可侵犯的領地,那就是「定域性」:這個宇宙是定域的,不存在什麼超光速的信號,光速是一切運動速度的極限;兩個事件之間想要產生相互影響,必然不可能突破光錐所劃定的時空範圍。

然而事情真的像愛因斯坦認為的那樣嗎?這最後一個定域性的堡壘真的有那麼堅固嗎?