下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
所有这一切都很难令你的大脑信服。但量子世界的本质可以用一个简单的实验概括，这个实验中有一个空白挡板，在这个空白挡板上有两个小孔，向这两个小孔中射出光线，或电子束。理查德·费曼（Richard Feynman）曾因在量子理论方面做出的贡献获得过诺贝尔奖，他说这个实验“揭示了量子力学的核心。事实上，这个实验蕴含着量子力学中唯一的谜”。 [1] 如果你发现你仍然无法说服自己的大脑，让它明白这个双孔实验到底是怎么回事，他还评论说：“我想我可以有把握地说，没有人理解量子力学……没有人知道它怎么会是那个样子的。” [2] 所以，和你一样，很多人也有相同的苦恼。
这个双孔试验也被称为双缝实验，因为做这个实验时，这两个孔可以是用剃须刀在一张卡片或纸上划出的两条平行的缝。在暗室中，光线通过这两条狭缝照射出来，从而在卡片的另一边开始扩散，正好扩散到另一张卡片上，并在这张卡片上形成一种图案。这种图案呈明暗相间的条纹状。19 世纪，人们是这样解释这种现象的：光波从两个缝隙中扩散开来，并且互相干扰，这就像把两个鹅卵石同时扔到一塘静水中，所产生的涟漪相互重叠着扩散开来一样。当波以同一步调扩散的时候，它们的力量就会相加，从而形成明亮的条纹；当波不是以同一步调扩散的时候，它们的力量就会相互抵消，从而形成暗条纹，这似乎能确凿地证明光是一种波。
但 20 世纪初，爱因斯坦证明，光的行为就像一串粒子流。这一过程被称为 光电效应 ，在此过程中，射到金属表面的光把金属表面上的电子激发出来。射出的电子的能量值是特定的，爱因斯坦对它的解释是：因为光以粒子的形式照射到了金属表面，这种粒子现在被称为 光子 ，而且每一个粒子都具有一定的能量。顺便提一句，正是因为他的光电理论，而不是相对论，爱因斯坦获得了诺贝尔奖。
因此，对于光，你可以做两种实验，一种实验表明光的行为方式像波，而另一种实验表明光的行为方式就像一串粒子流。在研究电子时，同样证明了电子既像波又像粒子，但证明顺序颠倒了过来，首先证明的是电子是粒子，然后才证明电子是波。
19 世纪末，J. J. 汤姆森（J. J. Thomson）在剑桥指导了一项实验。实验证明电子是粒子，得到了各方的认可。但 20 世纪 20 年代，由一些研究人员，其中包括J. J. 汤姆森的儿子乔治·汤姆森（George Thomson），进行的实验却表明电子的行为方式像波。因为证明电子是粒子，J. J. 汤姆森获得了诺贝尔奖；因为证明电子是波，乔治·汤姆森也获得了诺贝尔奖。没有什么比这更能概括量子世界的非常识性了。
今天，双孔实验已经演化出了多种版本，而且这些实验都做到了非常精细的地步。例如，在不同的实验中，可以发射单实体，如光子或电子，使之通过这两个孔，一次通过一个。本书中，我将描述发射电子得到的实验结果，但也曾有人对光子做过完全相同的实验。实验中，我们不是在孔的另一边放一张卡片，而是放一个类似电脑显示器那样的监测屏幕。电子每次到达这个监测屏幕的时候，它都会记录下一个光点，并且在屏幕上保留这个光点。随着越来越多的电子的到来，这些光点就会构成一种图案。研究人员在做这项实验的时候，每一个电子都是以一个粒子的形式到达屏幕的，而且每个电子都会在屏幕上形成一个光点。但随着成百上千的电子相继通过实验中的孔，在屏幕上所形成的图案就成了一种 干涉图案 ，这是实验中波扩散形成的典型图案。
每个电子看来不仅是一次穿过两个孔然后互相干涉，而且还会在干涉图案上给自己找到合适的位置。这个位置位于先于它或在它之后到来的电子的旁边。无论是在空间上（两个孔），还是在时间上，量子世界的实体似乎了解整个实验。
在另一项实验中，实验者可以设置监测器来观察这两个孔，监视每个电子到底穿过了哪个孔。当他们这样做的时候，他们从未发现一个电子可以同时通过两个孔。他们只看见这个电子不是穿过这个孔，就是穿过那个孔。而且当他们这么做的时候，从未出现过干涉图案。屏幕上的光点会形成两个斑块，每个孔后面都有一个，如果你把电子看成是粒子的话，你就会想象出它会形成怎样的斑块了。电子似乎也知道是否有人在监视着它们——同样，光子和所有其他的量子实体都有这样的表现。
这就是为什么费曼说，双孔实验可以揭示量子物理学的核心，而且没有人知道它为什么是那样的。我们最好还是像谈论“有（一）天皇里，那些活济济的狳子在卫边儿尽着那么跌那么霓”一样，谈谈双孔实验中的电子吧。尽管我们不明白量子世界内部到底是怎么运转的，但量子力学方程式使我们可以精确描述正在发生的事情。例如，如果知道了在何种情况下电子会像波那样运动，而且也知道了电子在何种情况下会像粒子那样运动，我们就可以设计出电脑芯片。这看起来很荒唐，但确实奏效。
[1] 理查德·费曼，罗伯特·雷顿（Robert Leighton）和马修·山德士（Matthew Sands），《费曼物理学讲义》（ The Feynman Lectures on Physics ），第三卷，艾迪生-韦斯利出版社，马萨诸塞州，1965年。术语“量子力学”基本等同于“量子物理学”。
[2] 《物理之美》（ The Character of Physical Law ）。