費曼：這個實驗“體現了量子力學的全部奧秘”

雙縫實驗是物理學中的一個經典實驗，每個學習過物理學的人都知道甚至親手操作過這個實驗。英國物理學家托馬斯·楊最早在1803年演示的這個實驗，被認爲是人類認識光的本質的一個里程碑，它既迴應了牛頓和惠更斯關於光究竟是粒子還是波的爭論，也爲一個世紀之後開始的量子力學革命埋下了伏筆。

然而，我們可能還是在很大程度上低估了這個耳熟能詳的實驗的意義，或者說我們也許並沒有真正理解大自然通過雙縫實驗所泄露的“天機”。理查德·費曼則憑藉驚人的物理直覺和深刻洞見，指出雙縫實驗“體現了量子力學的全部奧秘”。

在印度科學作家阿尼爾·阿南塔斯瓦米的《雙縫實驗和量子力學》一書中，我們從費曼對雙縫實驗的講解開始，跟隨作者的文字，漫遊超過兩個世紀的歷史，看看牛頓、愛因斯坦、玻爾、海森伯、薛定諤等物理學巨擘如何理解光、粒子、波和現實的意義，以及雙縫實驗如何展示着世界那迷人卻又令人困惑的本質。

這一天距離理查德·費曼獲得諾貝爾物理學獎還有一年的時間。費曼出版過一本好玩的自傳，他在書裡形容自己是個心直口快的科學家，對一切都很感興趣，無論是破解保險箱還是打鼓。這本自傳讓許多非物理學背景的人認識了費曼其人，但那已經是20多年後的事了。而在1964年11月，對紐約州伊薩卡市康奈爾大學的學生們來說，眼前的費曼早已是個響噹噹的明星，他們對他的到來表示了熱烈的歡迎。費曼此行的目的是舉辦一系列講座。康奈爾編鐘奏響了校歌《遠在卡尤加湖之上》，教務長在介紹費曼時稱他是一位卓越的導師和物理學家，當然，他也沒忘記提費曼是個出色的邦戈鼓手。在一種歡迎表演藝術家的掌聲中，費曼大步走上臺，以下面這個迴應作爲演講的開場：“真奇怪，我偶爾也會在正式場合被叫到臺上表演邦戈鼓，可是主持人似乎從來不覺得有必要提一下其實我還搞理論物理研究。”

▲ 理查德·費曼

等到了第6場演講，面對還在鼓掌的學生，費曼沒有說任何開場白便直接切入了正題，甚至連一句客套的“大家好”都沒有。他想要探討的是，雖然直覺可以幫助我們應付看得到、聽得到和摸得到的日常事物，但它卻難以理解大自然在微觀尺度上的表現。

他說，經常是實驗挑戰了我們對這個世界的直觀認識。“於是，我們便看見了意想不到的東西，”費曼說，“這些東西與我們的想象差距巨大。所以我們的想象力被髮揮到極致——這與寫小說不同，不是幻想現實中不存在的事物，而是通過極致的想象，來認識和理解實際存在的東西。我想談論的正是類似的情況。”

這個講座是關於量子力學的，也就是研究微觀事物的物理學分支。量子力學尤其關注光和亞原子物質（如電子）的性質。換句話說，它要研究的正是現實的本質。光和電子會（像水一樣）表現出波動性嗎？還是說它們更像粒子（比如沙粒）？就目前看來，回答“是”或者“否”都是既正確又不正確的。任何試圖將微觀的亞原子實體具象化的努力，都只是我們的直覺在自取其辱。

“它們的行爲遵循自己獨特的方式，”費曼說，“用術語來講，我們可以將其稱爲‘量子力學’的方式。它們的行爲與你見過的任何事物都不同。無論你有多少見識都是不夠的——你的見識不完備。在極其微小的尺度上，事物的表現具有根本性的不同。它們的行爲不只是像粒子，也不只是像波。”

不過好在，至少光和電子的行爲是“完全相同的”，費曼說，“那就是，二者都很古怪”。

費曼提醒現場的聽衆，接下來的講座內容會有些難懂，因爲它將挑戰聽衆在大自然如何運作這個問題上的長久共識：“但其實，這種難是心理上的，是你施加給自己的永恆折磨，因爲你總對自己說：‘可它怎麼能是那樣的呢？’這種想法源於你控制不住自己想要用熟悉的事物來類比的衝動，但我認爲這終究是徒勞的。我不會用任何熟悉的事物做類比，只是單純地進行描述。”

於是，爲了能在接下來的一個小時裡通過引人入勝的演講表明自己的觀點，費曼把重點放在了“一個旨在反映量子力學全部奧秘的實驗”上，它“將讓你直面大自然的自相矛盾、神秘莫測和稀奇古怪”。

這個實驗就是雙縫實驗。很難想象有哪個實驗能比它更簡單，而在讀這本書的過程中，你會發現它雖然簡單，卻令人感到無比困惑。我們首先需要一個光源，然後在光源前放置一塊不透光的板子，板子上開出兩道狹窄且間距很小的縫隙或口子，這爲光線的傳播提供了兩條不同的路徑。在板子的另一邊立一塊屏幕，你覺得你能在這塊屏幕上看到什麼？

這個問題的答案——根據我們所熟悉的現實生活中的經驗——取決於回答者如何看待光的本質。在17世紀末和整個18世紀，艾薩克·牛頓的觀點主導了我們對於光的看法。他認爲光由微小的粒子構成，並把這種微粒稱爲“光微粒”。牛頓之所以提出光的“微粒說”，部分是爲了解釋爲何光不能像聲音一樣拐彎。牛頓認爲，光肯定是由粒子構成的，因爲只有這樣，才能解釋光線在沒有外力作用的情況下不會彎曲的現象。

費曼在講座中講解雙縫實驗時，首先考慮了用粒子轟擊雙縫的情況。爲了強調實驗對象的粒子性，他讓在場的人忘掉亞原子粒子（比如電子和光微粒），轉而想象我們在開槍發射子彈——子彈總是“一顆一顆”的。爲避免太多暴力的聯想，我們不如想象有這樣一種機器，它噴射的是沙粒，而不是子彈。我們都知道，雖然沙粒比子彈小得多，但它也是一顆一顆的。

第一步，我們只用左側或者右側的狹縫來做實驗。假設沙粒的速度足夠快，我們可以把它們的運動軌跡看成直線。經過這樣的處理，絕大多數沙粒都會在穿過狹縫後，落到狹縫正後方一個與狹縫相對應的區域內。正中間的數量最多，越往兩側越少。在下圖的曲線圖中，曲線越高，代表落在該處的沙粒數量越多。

如果我們用兩條狹縫來做實驗，又會看到什麼樣的結果呢？正如很多人所預料的，每粒沙子都會從兩條狹縫中的一條穿過，然後擊中位於屏障另一側的光屏。有多少沙粒穿過兩條狹縫，就有多少沙粒擊中後方的光屏。這種簡單易懂的運動方式非常符合非量子世界，也就是牛頓運動定律所描繪的經典世界的日常經驗。

爲了向你證明實驗結果的確如此，我們可以把整個實驗裝置豎起來，讓沙子從上而下落在帶有兩條狹縫的屏障上。很容易想見，穿過狹縫的沙子應該會在開口的正下方形成兩個小沙堆。

把實驗裝置恢復原位，想象這次入射的不是沙子，而是光線，並且假設光是由牛頓所說的光微粒構成的。根據沙粒實驗的結果推斷，我們應當能在光屏上看到兩條光帶，它們分別位於左右兩條狹縫的正後方，每條光帶都是中間最亮，越往兩側越暗，除此之外，我們只要把擊中光屏的光微粒悉數相加，就能算出總共有多少光微粒穿過兩條狹縫。

可惜，實驗的結果卻並非如此。從穿越雙縫的表現來看，光並不像是由粒子構成的。

哪怕在比牛頓更早的年代，人們就已經觀察到了一些不符合牛頓的光微粒說的現象。舉個例子，當光從一種介質進入另一種介質時——比如，光從空氣進入玻璃，然後再從玻璃進入空氣——它的傳播路線會發生變化（這種現象被稱爲折射，正是我們製作玻璃透鏡的原理）。如果認爲光是由粒子構成的，那就很難解釋它在穿越不同的介質時爲什麼會出現折射的現象，因爲無論是從空氣進入玻璃，還是從玻璃進入空氣，想要改變粒子行進的方向就必須對它們施加外力的作用。但是，如果把光看成是一種波，折射現象就可以解釋了（波在空氣和玻璃裡傳播的速度不同，這解釋了它在跨越不同介質時傳播方向發生變化的現象）。這也正是荷蘭科學家克里斯蒂安·惠更斯在17世紀提出的觀點。惠更斯主張光是一種波，就像聲波一樣。鑑於聲音的傳播必須依靠介質的振動，惠更斯假想存在一種名爲“以太”的介質，瀰漫在我們周圍的空間裡，而它的振動便是光的本質。

▲ 克里斯蒂安·惠更斯

這是一個嚴肅的理論，由一位天賦異稟的科學家提出。惠更斯是一名物理學家、天文學家兼數學家。他曾親手打磨透鏡，並用自制的天文望遠鏡發現了土星的衛星——土衛六（2005年，人類的探測器首次登陸土衛六，探測器名叫惠更斯號，以紀念他的貢獻）。他還獨立發現了獵戶星雲。1690年，惠更斯出版了《光論》一書，他在這部著作裡詳細論述了光的波動理論。

牛頓和惠更斯生活在同一時代，但牛頓的名聲更爲顯赫。畢竟，是他提出了運動三大定律以及萬有引力定律，解釋了從日常生活中的拋物線到行星繞太陽運行的軌跡的一切現象。不僅如此，牛頓還是個相當博學的通才，在各個領域都頗有建樹（作爲數學家，他創立了微積分，他甚至曾大膽涉足化學、神學，撰寫過《聖經》評註，至於在物理學上的成就，我就不必多費口舌了）。這麼看來，牛頓的光微粒理論能壓惠更斯的波動理論一頭也是情有可原的。在“光是什麼”這個問題上，世人還需要一位能與牛頓分庭抗禮的全才來打開局面。

（本文摘自《雙縫實驗和量子力學》第1章“回顧雙孔實驗”，標題爲編者所加。）

本文轉載自《墨子沙龍》微信公衆號

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