8.1.2 双缝干涉实验
一旦物理学家不情愿地将波粒二象性这个魔鬼纳入量子力学之中,怪异的结论就会接踵而来。最著名的一个实验就是电子的双缝干涉实验 ¹,如图 8-2 所示。
假设我们将电子从 O 点发射而出,它们就会从 A 或 B 这两条缝隙中的一个通过,并打到右手的屏幕(II)上的某一点 C 处,同时在 C 处留下了一个亮点。当大量的粒子经过 A 或 B 时,就会在 II 屏幕上留下一个光斑的图像——花纹 I。还是类似的实验,只不过我们在一半时间里挡住缝隙 A,让电子只能通过 B,另一半时间则挡住缝隙 B,让电子只能通过 A,这时这两段实验的整体效果会在屏幕 II 上形成另外一种图像——花纹 II。有意思的是,花纹 I 和花纹 II 完全不同——这是量子区别于经典粒子的特性。
更神奇的是,我们可以在屏幕 II 处设置两个探测装置,它们分别对准了A 和 B 两个缝隙,以探测电子是否从 A 或者 B 飞出来并打到屏幕上。有意思的是,我们同样可以得到花纹 II。而如果我们不试图探测电子是从哪个缝隙通过的时候,花纹 I 就又会出现。也就是说,我们的探测方式会影响实验的结果。
我们甚至还可以往前走一步,让屏幕 I 和 II 的距离相差非常远。并且在电子已经穿越屏风 I 之后,当电子快要打到屏幕 II 的时候再来决定用哪一种方式探测电子。这样的话,探测方式就不可能再逆时间流而上来影响电子在 I 处的选择。
假如电子是我们熟悉的经典小球,那么我们很清楚电子要么会经过缝隙A,要么会经过缝隙 B。无论你如何探测这个电子,这都是一个确定性的事件。于是在它经过了屏风 I 之后,假设它经过了缝隙 A,电子必然会径直飞向盯住缝隙 A 的探测器,无论你最后是否又更换了探测方式。然而,实验结果却是,只要在最后一刻我们采用的探测方式是第二种,那么就一定会得到花纹 I,无论此前是否有盯住 A 的探测器。反过来,只要最后一刻有探测缝隙 A 的探测器存在,那么就必然会出现花纹 II。所以,与经典的小球不同,电子在被探测之前是没有走哪一条路径的概念的,或 者说电子在被测量之前就是不存在的。
正是这个实验,让物理学家们不得不将人类的观测行为纳入到整个量子力学的数学框架之中。于是,一个量子力学系统的演化就出现了两种不同的过程:一种是完全确定性的演化过程(探测之前,电子诡异地在空中飞行);第二种则是人的观测过程。这两种模式在数学上的区分可谓是天壤之别。在第一种过程中,粒子处于量子态,而第二种过程——测量,则使得量子态塌缩形成经典的状态。
可问题的关键是,我们明明知道人类都是由大量的分子和原子组成的,这也就意味着量子力学也必须制约着我们的所有一切行为。那么,测量无非是一种物质的运动过程,也理应服从第一种运作模式才对。但是,最终答案却不是这样的,科学家们费了九牛二虎之力也无法将测量过程归纳为第一种机械运动过程 ²。他们不得不再次接受一种他们感情上不愿意接受的东西。
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