你可能已經(jīng)在各種營(yíng)銷號(hào)中聽(tīng)過(guò)“量子力學(xué)”這個(gè)詞，甚至建立了“量子力學(xué)=詐騙”的感覺(jué)。但是，在真正專攻物理的人看來(lái)，有時(shí)候一些“量子力學(xué)”的奇妙實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，會(huì)讓人對(duì)世界的真實(shí)性產(chǎn)生懷疑。每當(dāng)他們半夜想起這件事，都會(huì)不由自主地感到一陣寒意。

我來(lái)介紹一下量子力學(xué)中一個(gè)困擾了物理學(xué)幾百年的恐怖實(shí)驗(yàn)——電子的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。為了解釋這個(gè)問(wèn)題，我們不得不提到一位天才的物理學(xué)家——托馬斯·楊。他設(shè)計(jì)了光的楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，被譽(yù)為物理學(xué)史上最美的實(shí)驗(yàn)之一。

早在17 ~ 18世紀(jì)，人們對(duì)光的認(rèn)識(shí)一般來(lái)源于牛頓的光粒子理論，把光一個(gè)個(gè)看成粒子。當(dāng)光線照射到介質(zhì)的界面上時(shí)，會(huì)像球撞擊桌面一樣，以相同的角度(即光線的反射)反彈出去。

然而在物理領(lǐng)域，關(guān)于光的本質(zhì)的爭(zhēng)論(粒子論和波動(dòng)論兩大流派)是一場(chǎng)持續(xù)千年的混戰(zhàn)。甚至可以說(shuō)，人類認(rèn)識(shí)光的過(guò)程，就是整個(gè)物理學(xué)史的發(fā)展軌跡(有機(jī)會(huì)我會(huì)分段寫(xiě)這個(gè)，整個(gè)歷史不一定幾天幾夜就寫(xiě)完)。19世紀(jì)初，年輕的英國(guó)物理學(xué)家托馬斯·楊設(shè)計(jì)了一個(gè)精致的實(shí)驗(yàn)。他用光束照射兩條平行的狹縫。根據(jù)粒子理論的觀點(diǎn)，應(yīng)該只有兩條垂直的亮條紋。其實(shí)顯示屏上是有明暗條紋的(物理二年級(jí)的時(shí)候會(huì)學(xué)這個(gè)實(shí)驗(yàn))。后來(lái)托馬斯·楊發(fā)表了相關(guān)論文，用波的干涉原理完美地解釋了這一現(xiàn)象，從而證明了光是一種波(只有波才能干涉，比如聲波和水波)。此后，光的波動(dòng)理論逐漸成為主流。

但是好景不長(zhǎng)。20世紀(jì)初，物理學(xué)領(lǐng)域一個(gè)著名的“光電效應(yīng)”使得“波動(dòng)理論”再次宣告破產(chǎn)，甚至顛覆了整個(gè)經(jīng)典物理學(xué)(后面詳述)。愛(ài)因斯坦挺身而出，引入了“量子”的概念，并用“光子理論”成功解釋了“光電效應(yīng)”——光是一個(gè)個(gè)能量量子。與波動(dòng)論和粒子論不同，光子論不僅承認(rèn)光是一種波，也承認(rèn)光是一種粒子。只是同一事物不同的觀察角度決定了不同的性質(zhì)——“波粒二象性”。與此同時(shí)，年輕的博士生德布羅意在博士論文中寫(xiě)道，“既然光是波粒二象性，為什么物理粒子不能工作？”。因此，德布羅意提出了著名的“物質(zhì)波”概念，認(rèn)為所有可見(jiàn)的物質(zhì)(人也一樣)都有其對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，動(dòng)量越大波長(zhǎng)越小(只能計(jì)算出肉眼能看到的宏觀物體的波長(zhǎng)小到無(wú)法觀測(cè))。

德布羅伊

這就是我們所說(shuō)的電子。毫無(wú)疑問(wèn)，電子是一種物理粒子，它的定向運(yùn)動(dòng)就是電流。那么根據(jù)德布羅意的理論，由于質(zhì)量極小，電子的動(dòng)量也相應(yīng)地很小，換句話說(shuō)，它的波長(zhǎng)可以大到足以被觀測(cè)到。事實(shí)上，人們?cè)诮锢韺?shí)驗(yàn)中確實(shí)觀察到了電子的波動(dòng)(干涉和衍射)。

有了上面的鋪墊，我們?cè)賮?lái)想想電子的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)。

第一步:我們從一個(gè)電子發(fā)射源連續(xù)發(fā)射電子，狹縫B和C都是開(kāi)著的。屏幕上會(huì)是什么結(jié)果？

結(jié)果:不出所料，會(huì)像光的干涉一樣出現(xiàn)電子的雙縫干涉(屏幕上的電子會(huì)形成等間距的條紋，一些特定區(qū)域會(huì)聚集大量電子，而另一些區(qū)域則不會(huì))。物理學(xué)家把這解釋為電子之間不可見(jiàn)的波場(chǎng)，影響彼此的運(yùn)動(dòng)。

為了證明電子之間的相互作用導(dǎo)致了奇妙的干涉現(xiàn)象，物理學(xué)家進(jìn)行了第二個(gè)實(shí)驗(yàn)——如果猜測(cè)是正確的，那么只要一次只注入一個(gè)電子，就不應(yīng)該出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。

第二步:一次只注入一個(gè)電子，進(jìn)行雙縫實(shí)驗(yàn)。

電子一個(gè)個(gè)進(jìn)入儀器，隨機(jī)穿過(guò)雙縫。一個(gè)電子，兩個(gè)電子...數(shù)百個(gè)電子。電子在屏幕上的落點(diǎn)看起來(lái)很亂，完全沒(méi)有干涉條紋的影子。物理學(xué)家為他們理論的證實(shí)歡呼慶祝了一整夜。而醒來(lái)后的第二天，忘記關(guān)儀器的物理學(xué)家突然被驚呆了。當(dāng)電子數(shù)量上升到幾萬(wàn)個(gè)的時(shí)候，揮之不去的噩夢(mèng)——干涉條紋又出現(xiàn)了?。?！

事情變得撲朔迷離——電子與誰(shuí)發(fā)生了相互作用，從而產(chǎn)生了干涉？是自己和自己?jiǎn)?？就像一個(gè)人走，面前是兩扇不相連的門(mén)。你沒(méi)有選擇其中一個(gè)，而是把自己劈成兩半，傳進(jìn)去兩個(gè)！

實(shí)驗(yàn)還沒(méi)有結(jié)束。1974年，意大利物理學(xué)家梅里又進(jìn)行了一次電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)，只不過(guò)這一次，他在狹縫處安裝了高清高速攝像機(jī)，真實(shí)地觀察到了電子的運(yùn)動(dòng)，想要打破電子一分為二這一近乎荒謬的理論。接下來(lái)的第三步實(shí)驗(yàn)就像是打開(kāi)了潘多拉魔盒，物理學(xué)家們就因?yàn)檫@一點(diǎn)小小的好奇，觸碰到了深不見(jiàn)底的“恐怖”。

第三步:一次只拍一個(gè)電子，在其中一個(gè)狹縫處安裝攝像頭，再次進(jìn)行雙縫實(shí)驗(yàn)。

讓我們來(lái)猜猜，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是什么？(a)電子一分為二，形成干涉條紋；b .每個(gè)電子從任何一個(gè)門(mén)出去，最終形成干涉條紋)

答案是:都不對(duì)！

物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，裝上相機(jī)后，無(wú)論發(fā)射幾萬(wàn)還是幾十萬(wàn)個(gè)電子，干涉條紋都消失了！只剩下兩個(gè)狹縫，只有兩個(gè)對(duì)應(yīng)的光點(diǎn)嘲笑人類的無(wú)知。而且，無(wú)論誰(shuí)做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，在什么環(huán)境下，答案都是一樣的。

電子就像一個(gè)有意識(shí)的存在。人看著它，它就乖乖地走直線，沒(méi)有干涉條紋。而當(dāng)人們拆下相機(jī)再次實(shí)驗(yàn)時(shí)，該死的干涉條紋又出現(xiàn)了！

不甘心的物理學(xué)家終于想掙扎了，做了最奇怪的最后一個(gè)實(shí)驗(yàn)。

第四步:一次只拍一個(gè)電子，在其中一個(gè)狹縫處安裝攝像頭。當(dāng)電子穿過(guò)某一條狹縫而沒(méi)有到達(dá)屏幕時(shí)，立即移開(kāi)相機(jī)，再次進(jìn)行雙縫實(shí)驗(yàn)。

你認(rèn)為會(huì)發(fā)生什么？

按理說(shuō)，只要電子穿過(guò)狹縫，所有可能的相互作用都已經(jīng)完成，在有相機(jī)的前提下，條紋不可能形成。只要電子還沒(méi)有到達(dá)屏幕，迅速移開(kāi)相機(jī)，應(yīng)該還是沒(méi)有干涉條紋的狀態(tài)。

答案是:詭異的干涉條紋還是出現(xiàn)了?。?！這說(shuō)明了什么樣的可怕事實(shí)？——相機(jī)的拆裝，發(fā)生在電子通過(guò)狹縫沒(méi)有到達(dá)屏幕之后，可以反過(guò)來(lái)影響電子的“過(guò)去”，也就是通過(guò)狹縫之前的選擇！

每次想到這個(gè)實(shí)驗(yàn)，總覺(jué)得人類的渺小。難怪牛頓、愛(ài)因斯坦這樣的大科學(xué)家晚年都是信徒?？茖W(xué)的盡頭是什么？也許只有神仙才能看到。