光的波粒二象性及雙縫實驗

光既是粒子又是波，你在讀到這句話的時候不感到奇怪是因為你對「波」和「粒子」並沒有感性認識，但是如果我說「XX既是貓又是狗」「XX既是石頭又是金子」「XX既是活的又是死的」，你一定會大聲說「荒謬」「腦子壞掉了吧」（讓我想起了周星馳在國產零零七裡面的台詞「這看起來像只鞋子，其實是個吹風機」）。在上世紀初，許許多多的物理學家聽到「光既是粒子又是波」，與你聽到「XX既是貓又是狗」所感到的荒謬是一模一樣的，在物理學家的眼裡，波就是波，粒子就是粒子，兩者是截然不同的兩個東西。比如說水波吧，水分子的上下振動引發了波紋，這個波紋只是表示能量的傳遞，並不是一個真實的客觀實在的物體；再比如說聲波，也只不過是空氣分子振動形成的而已，除了空氣分子和傳遞的能量外，再也沒有別的什麼東西，水波和聲波都不可能是一個個實實在在的小球在水中、空中飛來飛去。那時候的物理學家堅信，光如果是一種波，就必然要在一種叫做「以太」的介質中傳播，並沒有什麼真正的客觀實在的「光」，它只不過是「以太振動」在人們眼中造成的效應而已。

然而隨著各種各樣的實驗被設計出來，隨著理論物理研究的深入，物理學家們終於開始接受，原來波的產生並不是一定要有介質，以太是不存在的，在真空中光波也能轉播，而且光波中真的含有數量無比巨大的光子，單個光子的行為看起來就像是一個經典粒子（或者理解為經典的小球）的行為，但是聚集在一起，就形成了波。當這個觀點被越來越多地物理學家所接受的時候，突然有人站出來問了一句：「那麼請問，在雙縫干涉實驗中，單個光子到底是通過了左縫還是右縫呢？」

本來喧鬧歡慶的場面突然安靜了下來，每個人都開始思考起了這個問題。很快，物理學家們都意識到，這下好了，物理學的真正麻煩來了，這個問題就像是打開了阿甘的巧克力盒子，從此物理學陷入了迷惘、混亂、猜疑、神秘之中，有人憤怒，有人抓狂，有人絕望，有人欣喜，有人趁火打劫，有人面壁思過，這場混亂一直持續到今天都沒有停歇。

「那麼請問，在雙縫干涉實驗中，單個光子到底是通過了左縫還是右縫呢？」

這個普普通通，簡簡單單的問題到底意味著什麼？是什麼力量使得基礎理論物理中經典世界觀陷入了萬劫不復的深淵呢？讓我給你詳細解說這個問題對物理學家們的震懾力在哪裡。

一束光如果只通過一條狹縫，那麼在屏幕上不會產生干涉條紋，但是如果通過了兩條狹縫，則會產生干涉條紋。我請你想像一下，假如我們把一束光看成是由億億萬個光子聚合而成，每一個光子就像一個小球（當然光子並不是一個小球的形狀，只是打個比方，並不影響我們對問題的探討），當其中一個光子遇到了狹縫的時候，按照我們樸素的觀念，這個光子要麼通過了左縫，要麼通過了右縫，二者必選其一，但問題是，當一個光子通過左縫的時候，它是怎麼知道還有沒有另外一條右縫的存在呢？光子只是一個無生命的小球，它可不像人，在快飛到狹縫的時候用眼角的餘光掃了一眼就知道邊上是不是還有一道縫隙，如果看到還有一道縫我就這麼飛，如果沒有另外一道縫了，我就那麼飛。

你可能還沒聽懂，沒關係，我來畫圖講解，這個事情我必須要喋喋不休地說到你完全聽明白了才能罷手，這事關整個物理學的理論根基問題，絕不能含糊過去。

現在我們先來在平面上開一條縫，我們看看如果只有一條狹縫的情況下，光子會怎麼通過這條單縫：

圖9-3 光子通過單縫時，隨機落在屏幕後面的一片區域內

如果我們做一個簡單的實驗的話，我們很容易就發現這是所謂光的「衍**」現象，一束光通過一條狹縫照在後面的屏幕上，會形成一片光亮區域，離狹縫越近的區域，就越亮，離狹縫越遠的區域越暗。上面這張圖我們就用了一種很直觀的比喻，把光子看成一個個的小球，他們通過一條狹縫後，並不是走的直線，而是根據概率分布在屏幕上，中間多兩邊少。

但是，一旦我們在那條狹縫的邊上再開一條狹縫，情況馬上會變的很神奇，我們會看到光子就像一支訓練有素的軍隊，排成了整整齊齊的隊形。

圖9-4 如果是雙縫，光子在通過後會規則的排列在屏幕上

這個事情確實有點神奇，光子會排列成整齊的隊形也就算了，畢竟可以用波的干涉現象去解釋，但是單個光子在通過了左縫的時候如何知道有右縫的存在，通過右縫的時候又如何知道有左縫的存在呢？你要知道，相對於光子的尺度來說，雙縫之間的距離就好像從地球遙望月球一樣，把這個問題問得更簡潔一點，就是：單個光子到底通過了左縫還是右縫？

我怕你還是沒有搞清楚這個事情有多怪異，為了保險起見，我再來打個比方，假如你是一個足球運動員，在球門和和你之間豎著一道開了雙縫的牆，然後你開始對著兩條縫**門，你覺得會呈現怎樣一副情景？是不是下面這幅圖顯示的那樣：

如果在現實生活中，看到這樣的情景，你是不是會覺得太怪異了，就像玩魔術一樣，難道這竟然是真的？為什麼呢？

以丹麥物理學家玻爾為首的哥本哈根派站出來跟大家解釋道：「這個問題本身不成立！光子既不是通過左縫，也不是通過右縫，而是同時通過了左縫和右縫。」注意，這裡玻爾可並不是指光子會分身術，一分為二，一半通過了左縫一半通過了右縫，他說的意思很明確，就是指的同一個光子同時通過了左縫和右縫。

對的，你確實沒有聽錯，這確實是從嚴謹的物理學家嘴裡面說出來的話。請相信我，就在你感到莫名其妙的同時，我也跟你一樣感到無法理解，量子的所有行為幾乎都不是正常思維能夠理解的。按我們常識的理解是，愛因斯坦和玻爾可以同時位於丹麥和德國，玻爾可以今天位於丹麥，明天位於德國，但是如果你告訴我愛因斯坦同時位於丹麥和德國，玻爾同時通過了凱旋門和埃菲爾鐵塔，我一定會認為你腦子壞掉了。

當哥本哈根派這麼站出來解釋的時候，同樣也是冒天下之大不韙，全世界的大多數物理學家都群起而攻之，尤其是愛因斯坦，對玻爾連連搖頭嘆息，說玻爾丟掉了最基本的理性思想，還有某位最激烈的知名物理學家，說如果哥本哈根派的解釋是對的，他寧願改行去當醫生，從此不再搞物理了。

你可能會想，大家何必吵吵鬧鬧的呢？光子到底通過了左縫還是右縫，我們在實驗室裡面仔細觀察一下不就好了嗎，與其坐而論道不如實際行動，去做個實驗不就知道了嗎？你的想法完全沒錯，物理學家們也都這麼想，只是這個實驗的難度遠遠超過你的想像。光子可不是一個足球，天下沒有那麼強大的攝影機能把光子的飛行軌跡錄像錄下來（愛因斯坦的那個夢畢竟是夢，裡面的高速影像記錄儀是假想出來的，不是真的），也不能在光子身上綁一個美劇《24小時》中的微型跟蹤器，然後利用衛星全天候跟蹤。再說得深一點，你想想我們為什麼能「觀測」到一樣東西，照相機、攝像機為什麼能把東西拍下來，其本質原因不正是物體發射出無數的光子，或者反射出無數的光子，這些光子在我們的視網膜或者底片上產生化學反映，於是被我們「看」到，但如果我們要「觀測」的對象就是光子本身，那麻煩可就大了，這個光子本身如果射到我們的眼睛裡面來了，那光子就自然不會跑到左縫那裡去，也不會跑到右縫那裡去了（跑到我們眼睛裡面來了）。那有沒有可能反射別的光子？很抱歉，不能，別的光子跟它長得一樣大，能量一樣強，它沒有能力把別的光子反射出來而自己的運動又不改變，就好像一粒子彈無法把另外一粒子彈給反彈出去一樣。總之要「觀測」光子通過左縫還是右縫這個事情，基本上，很難。

但物理學家畢竟是物理學家，他們的智慧不是常人能比的，他們很快發現，光有雙縫干涉現象，一束電子流同樣也有雙縫干涉現象，一束電子流跟光一樣具備波粒二象性。要記錄和測量電子就要比測量光子容易得多了，因為電子不但有質量，而且帶電，大小也比光子大得多。我們大可以在雙縫上面各安裝一個記錄是否有電子通過的儀器，用來「觀測」電子有沒有通過這道狹縫，大多數物理學家都是為了證明哥本哈根解釋有多荒謬而不辭辛勞地苦苦改良實驗設備，一次次地提高精度，沒日沒夜地在實驗室揮汗如雨，就是為了拿出明確的證據來說明在雙縫干涉實驗中，電子是確定無疑地通過了某條縫隙。

但結果怎樣呢？

--來自汪潔《時間的形狀》?

---未完待續---