上帝掷骰子吗-量子物理史话-第24部分
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那个巨型显微镜开刀，证明在很大程度上不确定性 不单单出自不连续的粒子性，更是出自波动性。我们在前面讨论过德布罗意波长公式λ= h/mv，mv就是动量p，所以p= h/λ，对于每一个动量p来说，总是有一个波长的概念伴随 着它。对于E…t关系来说，E= hν，依然有频率ν这一波动概念在里面。海森堡对此一口 拒绝，要让他接受波动性可不是一件容易的事情，对海森堡的顽固玻尔显然开始不耐烦了 ，他明确地对海森堡说：“你的显微镜实验是不对的”，这把海森堡给气哭了。两人大吵 一场，克莱恩当然帮着玻尔，这使得哥本哈根内部的气氛闹得非常尖锐。从物理问题出发 ，后来几乎变成了私人误会，以致海森堡不得不把写给泡利的信要回去以作出澄清。最后 ，泡利本人亲自跑去丹麦，这才最后平息了事件的余波。 对海森堡来说不幸的是，在显微镜问题上的确是他错了。海森堡大概生来患有某种“显微 镜恐惧症”，一碰到显微镜就犯晕。当年，他在博士论文答辩里就搞不清最基本的显微镜 分辨度问题，差点没拿到学位。这次玻尔也终于让他意识到，不确定性是建立在波和粒子 的双重基础上的，它其实是电子在波和粒子间的一种摇摆：对于波的属性了解得越多，关 于粒子的属性就了解得越少。海森堡最后终于接受了玻尔的批评，给他的论文加了一个附 注，声明不确定性其实同时建筑在连续性和不连续性两者之上，并感谢玻尔指出了这一点 。 玻尔也在这场争论中有所收获，他发现不确定原理的普遍意义原来比他想象中的要大。他 本以为，这只是一个局部的原理，但现在他领悟到这个原理是量子论中最核心的基石之一 。在给爱因斯坦的信中，玻尔称赞了海森堡的理论，说他“用一种极为漂亮的手法”显示 了不确定如何被应用在量子论中。复活节长假后，双方各退一步，局面终于海阔天空起来 。海森堡写给泡利的信中又恢复了良好的心情，说是“又可以单纯地讨论物理问题，忘记 别的一切”了。的确，兄弟阋于墙，也要外御其侮，哥本哈根派现在又团结得像一块坚石 了，他们很快就要共同面对更大的挑战，并把哥本哈根这个名字深深镌刻在物理学的光辉 历史上。 不过，话又说回来。波动性，微粒性，从我们史话的一开始，这两个词已经深深困扰我们 ，一直到现在。好吧，不确定性同时建立在波动性和微粒性上……可这不是白说吗？我们 的耐心是有限的，不如摊开天窗说亮话吧，这个该死的电子到底是个粒子还是波那？ 粒子还是波，真是令人感慨万千的话题啊。这是一出300年来的传奇故事，其中悲欢起落 ，穿插着物理史上最伟大的那些名字：牛顿、胡克、惠更斯、杨、菲涅尔、傅科、麦克斯 韦、赫兹、汤姆逊、爱因斯坦、康普顿、德布罗意……恩恩怨怨，谁又能说得明白？我们 处在一种进退维谷的境地中，一方面双缝实验和麦氏理论毫不含糊地揭示出光的波动性， 另一方面光电效应，康普顿效应又同样清晰地表明它是粒子。就电子来说，玻尔的跃迁， 原子里的光谱，海森堡的矩阵都强调了它不连续的一面，似乎粒子性占了上风，但薛定谔 的方程却又大肆渲染它的连续性，甚至把波动的标签都贴到了它脸上。 怎么看，电子都没法不是个粒子；怎么看，电子都没法不是个波。 这该如何是好呢？ 当遇到棘手的问题时，最好的办法还是问问咱们的偶像，无所不能的歇洛克？福尔摩斯先 生。他是这样说的：“我的方法，就建立在这样一种假设上面：当你把一切不可能的结论 都排除之后，那剩下的，不管多么离奇，也必然是事实。”（《新探案？皮肤变白的军人 》） 真是至理名言啊。那么，电子不可能不是个粒子，它也不可能不是波。那剩下的，唯一的 可能性就是…… 它既是个粒子，同时又是个波！ 可是，等等，这太过分了吧？完全没法叫人接受嘛。什么叫“既是个粒子，同时又是波” ？这两种图像分明是互相排斥的呀。一个人可能既是男的，又是女的吗（太监之类的不算 ）？这种说法难道不自相矛盾吗？ 不过，要相信福尔摩斯，更要相信玻尔，因为玻尔就是这样想的。毫无疑问，一个电子必 须由粒子和波两种角度去作出诠释，任何单方面的描述都是不完全的。只有粒子和波两种 概念有机结合起来，电子才成为一个有血有肉的电子，才真正成为一种完备的图像。没有 粒子性的电子是盲目的，没有波动性的电子是跛足的。 这还是不能让我们信服啊，既是粒子又是波？难以想象，难道电子像一个幽灵，在粒子的 周围同时散发出一种奇怪的波，使得它本身成为这两种状态的叠加？谁曾经亲眼目睹这种 恶梦般的场景吗？出来作个证？ “不，你理解得不对。”玻尔摇头说，“任何时候我们观察电子，它当然只能表现出一种 属性，要么是粒子要么是波。声称看到粒子…波混合叠加的人要么是老花眼，要么是纯粹 在胡说八道。但是，作为电子这个整体概念来说，它却表现出一种波…粒的二像性来，它 可以展现出粒子的一面，也可以展现出波的一面，这完全取决于我们如何去观察它。我们 想看到一个粒子？那好，让它打到荧光屏上变成一个小点。看，粒子！我们想看到一个波 ？也行，让它通过双缝组成干涉图样。看，波！” 奇怪，似乎有哪里不对，却说不出来……好吧，电子有时候变成电子的模样，有时候变成 波的模样，嗯，不错的变脸把戏。可是，撕下它的面具，它本来的真身究竟是个什么呢？ “这就是关键！这就是你我的分歧所在了。”玻尔意味深长地说，“电子的‘真身’？或 者换几个词，电子的原型？电子的本来面目？电子的终极理念？这些都是毫无意义的单词 ，对于我们来说，唯一知道的只是每次我们看到的电子是什么。我们看到电子呈现出粒子 性，又看到电子呈现出波动性，那么当然我们就假设它是粒子和波的混合体。我一点都不 关心电子‘本来’是什么，我觉得那是没有意义的。事实上我也不关心大自然‘本来’是 什么，我只关心我们能够‘观测’到大自然是什么。电子又是个粒子又是个波，但每次我 们观察它，它只展现出其中的一面，这里的关键是我们‘如何’观察它，而不是它‘究竟 ’是什么。” 玻尔的话也许太玄妙了，我们来通俗地理解一下。现在流行手机换彩壳，我昨天心情好， 就配一个shining的亮银色，今天心情不好，换一个比较有忧郁感的蓝色。咦奇怪了，为 什么我的手机昨天是银色的，今天变成蓝色了呢？这两种颜色不是互相排斥的吗？我的手 机怎么可能又是银色，又是蓝色呢？很显然，这并不是说我的手机同时展现出银色和蓝色 ，变成某种稀奇的“银蓝”色，它是银色还是蓝色，完全取决于我如何搭配它的外壳。我 昨天决定这样装配它，它就呈现出银色，而今天改一种方式，它就变成蓝色。它是什么颜 色，取决于我如何装配它！ 但是，如果你一定要打破砂锅地问：我的手机“本来”是什么颜色？那可就糊涂了。假如 你指的是它原装出厂时配着什么外壳，我倒可以告诉你。不过要是你强调是哲学意义上的 “本来”，或者“理念中手机的颜色”到底是什么，我会觉得你不可理喻。真要我说，我 觉得它“本来”没什么颜色，只有我们给它装上某种外壳并观察它，它才展现出某种颜色 来。它是什么颜色，取决于我们如何观察它，而不是取决于它“本来”是什么颜色。我觉 得，讨论它“本来的颜色”是痴人说梦。 再举个例子，大家都知道“白马非马”的诡辩，不过我们不讨论这个。我们问：这匹马到 底是什么颜色呢？你当然会说：白色啊。可是，也许你身边有个色盲，他会争辩说：不对 ，是红色！大家指的是同一匹马，它怎么可能又是白色又是红色呢？你当然要说，那个人 在感觉颜色上有缺陷，他说的不是马本来的颜色，可是，谁又知道你看到的就一定是正确 的颜色呢？假如世上有一半色盲，谁来分辨哪一半说的是“真相”呢？不说色盲，我们戴 上一副红色眼镜，这下看出去的马也变成了红色吧？它怎么刚刚是白色，现在是红色呢？ 哦，因为你改变了观察方式，戴上了眼镜。那么哪一种方式看到的是真实呢？天晓得，庄 周做梦变成了蝴蝶还是蝴蝶做梦变成了庄周？你戴上眼镜看到的是真实还是脱下眼镜看到 的是真实？ 我们的结论是，讨论哪个是“真实”毫无意义。我们唯一能说的，是在某种观察方式确定 的前提下，它呈现出什么样子来。我们可以说，在我们运用肉眼的观察方式下，马呈现出 白色。同样我们也可以说，在戴上眼镜的观察方式下，马呈现出红色。色盲也可以声称， 在他那种特殊构造的感光方式观察下，马是红色。至于马“本来”是什么色，完全没有意 义。甚至我们可以说，马“本来的颜色”是子虚乌有的。我们大多数人说马是白色，只不 过我们大多数人采用了一种类似的观察方式罢了，这并不指向一种终极真理。 电子也是一样。电子是粒子还是波？那要看你怎么观察它。如果采用光电效应的观察方式 ，那么它无疑是个粒子；要是用双缝来观察，那么它无疑是个波。它本来到底是个粒子还 是波呢？又来了，没有什么“本来”，所有的属性都是同观察联系在一起的，让“本来” 见鬼去吧。 但是，一旦观察方式确定了，电子就要选择一种表现形式，它得作为一个波或者粒子出现 ，而不能再暧昧地混杂在一起。这就像我们可怜的马，不管谁用什么方式观察，它只能在 某一时刻展现出一种颜色。从来没有人有过这样奇妙的体验：这匹马同时又是白色，又是 红色。波和粒子在同一时刻是互斥的，但它们却在一个更高的层次上统一在一起，作为电 子的两面被纳入一个整体概念中。这就是玻尔的“互补原理”（plementary Principle），它连同波恩的概率解释，海森堡的不确定性，三者共同构成了量子论“哥 本哈根解释”的核心，至今仍然深刻地影响我们对于整个宇宙的终极认识。 “第三次波粒战争”便以这样一种戏剧化的方式收场。而量子世界的这种奇妙结合，就是 大名鼎鼎的“波粒二象性”。
上帝掷骰子吗——量子物理史话（7…4） 版权所有：castor_v_pollux 原作 提交时间：2003…11…13 20：50：26 第七章 不确定性 四 三百年硝烟散尽，波和粒子以这样一种奇怪的方式达成了妥协：两者原来是不可分割的一 个整体。就像漫画中教皇善与恶的两面，虽然在每个确定的时刻，只有一面能够体现出来 ，但它们确实集中在一个人的身上。波和粒子是一对孪生兄弟，它们如此苦苦争斗，却原 来是演出了一场物理学中的绝代双骄故事，这教人拍案惊奇，唏嘘不已。 现在我们再回到上一章的最后，重温一下波和粒子在双缝前遇到的困境：电子选择左边的 狭缝，还是右边的狭缝呢？现在我们知道，假如我们采用任其自然的观测方式，它波动的 一面就占了上风。这个电子于是以某种方式同时穿过了两道狭缝，自身与自身发生干涉， 它的波函数ψ按照严格的干涉图形花样发展。但是，当它撞上感应屏的一刹那，观测方式 发生了变化！我们现在在试图探测电子的实际位置了，于是突然间，粒子性接管了一切， 这个电子凝聚成一点，按照ψ的概率随机地出现在屏幕的某个地方。 假使我们在某个狭缝上安装仪器，试图测出电子究竟通过了哪一边，注意，这是另一种完 全不同的观测方式！！！我们试图探测电子在通过狭缝时的实际位置，可是只有粒子才有 实际的位置。这实际上是我们施加的一种暗示，让电子早早地展现出粒子性。事实上，的 确只有一边的仪器将记录下它的踪影，但同时，干涉条纹也被消灭，因为波动性随着粒子 性的唤起而消失了。我们终于明白，电子如何表现，完全取决于我们如何观测它。种瓜得 瓜，种豆得豆，想记录它的位置？好，那是粒子的属性，电子善解人意，便表现出粒子性 来，同时也就没有干涉。不作这样的企图，电子就表现出波动性来，穿过两道狭缝并形成 熟悉的干涉条纹。 量子派物理学家现在终于逐渐领悟到了事情的真相：我们的结论和我们的观测行为本身大 有联系。这就像那匹马是白的还是红的，这个结论和我们用什么样的方法去观察它有关系 。有些看官可能还不服气：结论只有一个，亲眼看见的才是唯一的真实。色盲是视力缺陷 ，眼镜是外部装备，这些怎么能够说是看到“真实”呢？其实没什么分别，它们不外乎是 两种不同的观测方式罢了，我们的论点是，根本不存在所谓“真实”。 好吧，现在我视力良好，也不戴任何装置，看到马是白色的。那么，它当真是白色的吗？ 其实我说这话前，已经隐含了一个前提：“用人类正常的肉眼，在普通光线下看来，马呈 现出白色。”再技术化一点，人眼只能感受可见光，波长在400－760纳米左右，这些频段 的光混合在一起才形成我们印象中的白色。所以我们论断的前提就是，在400－760纳米的 光谱区感受马，它是白色的。 许多昆虫，比如蜜蜂，它的复眼所感受的光谱是大大不同的。蜜蜂看不见波长比黄光还长 的光，却对紫外线很敏感。在它看来，这匹马大概是一种蓝紫色，甚至它可能绘声绘色地 向你描绘一种难以想象的“紫外色”。现在你和蜜蜂吵起来了，你坚持这马是白色的，而 蜜蜂一口咬定是蓝紫色。你和蜜蜂谁对谁错呢？其实都对。那么，马怎么可能又是白色又 是紫色呢？其实是你们的观测手段不同罢了。对于蜜蜂来说，它也是“亲眼”见到，人并 不比蜜蜂拥有更多的正确性，离“真相”更近一点。话说回来，色盲只是对于某些频段的 光有盲点，眼镜只不过加上一个滤镜而已，本质上也是一样
