兩百多年之前的托馬斯·楊所做的干涉實(shí)驗(yàn)，向我們展示了光不僅僅是粒子，還是一種波。實(shí)驗(yàn)結(jié)果有力地證明了光能夠展現(xiàn)

波的特性，例如自我干涉。

光作為一種波，它在通過(guò)兩條狹窄的通道之后，會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象，在屏幕的后方形成明暗相間的條紋。

這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)在發(fā)明后的一個(gè)多世紀(jì)中，成為了物理學(xué)的核心，甚至被視作現(xiàn)代量子力學(xué)的起點(diǎn)。

愛(ài)因斯坦提出，光由一個(gè)個(gè)的“光量子”，簡(jiǎn)稱“光子”組成。

這些光子聚合在一起時(shí)表現(xiàn)出波的特性，但當(dāng)它們單獨(dú)存在時(shí)，又呈現(xiàn)出粒子的特性。這就是我們所稱的“波粒二象性”。

也就是說(shuō)，光既可以是粒子，也可以是波。

在聽(tīng)到“光既是粒子也是波”這樣的說(shuō)法時(shí)，你可能并不覺(jué)得驚訝，那是因?yàn)槟銓?duì)“波”和“粒子”缺乏直觀的理解。

但是，如果你聽(tīng)到“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”這樣的話，你肯定會(huì)覺(jué)得不可思議。

在20世紀(jì)初期，許多物理學(xué)家聽(tīng)到“光既是粒子也是波”時(shí)，他們的震驚與你聽(tīng)到“XX既是貓又是狗”時(shí)的感覺(jué)是一樣的。

在物理學(xué)家們的眼中，波就是波，粒子就是粒子，兩者是截然不同的。

比如水波，它是由水分子上下移動(dòng)而引起的，但這只是表示能量的傳遞，并非一個(gè)實(shí)際的物體；

再如聲波，它僅僅是由空氣分子的震動(dòng)所產(chǎn)生，除了空氣分子和傳遞的能量之外，并沒(méi)有其他物質(zhì)存在。

水波和聲波不可能是實(shí)實(shí)在在的小球在水中或空氣中飛來(lái)飛去。

然而，隨著各種實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展和理論物理研究的深入，物理學(xué)家們不得不接受這樣的觀點(diǎn)：波的產(chǎn)生并不一定要有媒介，以太這種物質(zhì)并不存在，在真空中光波也能傳播。

而且光波確實(shí)包含了巨大的光子數(shù)量，單個(gè)光子的行為類似于經(jīng)典粒子，但聚集起來(lái)就形成了波。

當(dāng)這一觀點(diǎn)被越來(lái)越多的物理學(xué)家接受時(shí)，有人提出了一個(gè)問(wèn)題：“在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，單個(gè)光子是通過(guò)了左縫還是右縫？”

物理學(xué)家們意識(shí)到，真正的難題出現(xiàn)了。

這個(gè)問(wèn)題到底意味著什么？是什么導(dǎo)致了基礎(chǔ)理論物理中的經(jīng)典世界觀陷入困境？

讓我來(lái)詳細(xì)地為你解釋這個(gè)問(wèn)題對(duì)物理學(xué)家們?cè)斐闪耸裁礃拥恼鸷场?/span>

如果一束光只通過(guò)一條狹縫，屏幕上不會(huì)出現(xiàn)干涉條紋；

如果光通過(guò)兩條狹縫，干涉條紋就會(huì)出現(xiàn)。

設(shè)想我們將一束光看作是由億萬(wàn)個(gè)光子構(gòu)成，每個(gè)光子相當(dāng)于一個(gè)小球。

（當(dāng)然，光子并非小球，這只是一個(gè)比喻，不會(huì)影響我們探討問(wèn)題）。

當(dāng)一個(gè)光子遇到狹縫時(shí)，我們通常會(huì)認(rèn)為這個(gè)光子要么通過(guò)左縫，要么通過(guò)右縫，二選其一。

但問(wèn)題是，光子是如何在通過(guò)左縫時(shí)知道還有右縫的存在呢？

光子只是沒(méi)有生命的小球，它不像人一樣能在飛向狹縫時(shí)用眼角的余光觀察到是否有其他縫隙，

如果看到還有一道縫我就這么飛，如果沒(méi)有另外一道縫，我就那么飛。

你可能還沒(méi)聽(tīng)懂，沒(méi)關(guān)系，我會(huì)用圖示來(lái)解釋，這個(gè)事情我必須詳細(xì)說(shuō)明，因?yàn)檫@關(guān)乎整個(gè)量子力學(xué)的基礎(chǔ)。

現(xiàn)在，我們先假設(shè)只有一條縫，看看光子如何通過(guò)這條單縫：

光子通過(guò)單縫時(shí)，會(huì)隨機(jī)地落在屏幕后方的一片區(qū)域內(nèi)。

我們可以做一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這就是所謂的光的“衍射”現(xiàn)象，一束光通過(guò)一條狹縫后，會(huì)在屏幕上形成一片光亮區(qū)域，

離狹縫越近的區(qū)域越亮，離狹縫越遠(yuǎn)的區(qū)域越暗。在這幅圖中，我們把光子想象成小球，它們通過(guò)一條狹縫后，并非走直線，

而是根據(jù)概率分布在屏幕上，中間多兩邊少。

但是，如果我們?cè)谀菞l狹縫旁邊再開(kāi)一條縫，情況就會(huì)變得非常奇妙，仿佛光子成了一支訓(xùn)練有素的軍隊(duì)，排成了整齊的隊(duì)列。

如果是雙縫，光子通過(guò)雙縫后會(huì)在屏幕上規(guī)律地排列。

光子能排列成整齊的隊(duì)形并不奇怪，可以用波的干涉現(xiàn)象來(lái)解釋；但單個(gè)光子是如何在通過(guò)左縫時(shí)知道右縫的存在，通過(guò)右縫時(shí)又知道左縫的存在呢？要知道，相對(duì)于光子的尺度而言，雙縫間的距離就如同地球與月球之間的距離。簡(jiǎn)潔地提問(wèn)就是：?jiǎn)蝹€(gè)光子到底通過(guò)了左縫還是右縫？

我擔(dān)心你可能還沒(méi)有完全理解這個(gè)問(wèn)題的奇特之處，為了確保你能明白，我再舉一個(gè)例子。假設(shè)你是一個(gè)足球運(yùn)動(dòng)員，在你和球門之間立著一個(gè)雙縫墻，你開(kāi)始向兩條縫隙踢球，你覺(jué)得會(huì)發(fā)生什么？是不是像下面這幅圖展示的那樣：

但如果你踢的不是足球，而是一個(gè)個(gè)光子，你會(huì)看到如下奇特的景象：

這樣的景象在現(xiàn)實(shí)生活中看到，你肯定會(huì)覺(jué)得不可思議，像變魔術(shù)一樣？難道這是真的？這是為何？

哥本哈根學(xué)派的物理學(xué)家玻爾向大家解釋道：“這個(gè)問(wèn)題本身不成立！光子既不是通過(guò)左縫，也不是通過(guò)右縫，而是同時(shí)通過(guò)了左縫和右縫?！闭?qǐng)注意，玻爾并不是指光子會(huì)分身術(shù)，一半通過(guò)左縫，一半通過(guò)右縫，他明確表示，同一個(gè)光子同時(shí)通過(guò)了左縫和右縫。

是的，你沒(méi)聽(tīng)錯(cuò)，這正是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈锢韺W(xué)家所說(shuō)的話。相信我，當(dāng)你感到困惑的同時(shí)，我也有同樣的感受，量子世界的行為幾乎無(wú)法用正常思維去理解。按照我們的理解，愛(ài)因斯坦和玻爾可以分別位于德國(guó)和丹麥，或者他們可以今天在德國(guó)，明天在丹麥；但如果有人告訴你愛(ài)因斯坦同時(shí)位于德國(guó)和丹麥，玻爾同時(shí)通過(guò)了凱旋門和埃菲爾鐵塔，你一定會(huì)認(rèn)為他思維混亂。

當(dāng)哥本哈根學(xué)派這樣解釋時(shí)，他們也是冒天下之大不韙。大多數(shù)物理學(xué)家都反對(duì)玻爾，尤其是愛(ài)因斯坦，對(duì)他表示失望，認(rèn)為玻爾拋棄了基本的理性。還有一位最激烈反對(duì)的物理學(xué)家表示，如果哥本哈根學(xué)派的解釋正確，他寧愿放棄物理，轉(zhuǎn)行做醫(yī)生。

你可能會(huì)想，大家何必爭(zhēng)吵呢？光子到底通過(guò)了左縫還是右縫，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里仔細(xì)觀察一下不就行了嗎？直接做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證不是更好嗎？你的想法完全正確，物理學(xué)家們也是這樣想的，但實(shí)驗(yàn)的難度遠(yuǎn)超人類的想象。光子不是足球，也沒(méi)有攝影機(jī)能夠記錄下光子的飛行軌跡，也不能在光子上安裝跟蹤器，全天候跟蹤。

再深入一點(diǎn)，我們之所以能“看見(jiàn)”物體，是因?yàn)槲矬w發(fā)射出無(wú)數(shù)的光子，或者反射出無(wú)數(shù)的光子，這些光子在我們的視網(wǎng)膜或底片上成像，讓我們“看見(jiàn)”。但如果我們要“看見(jiàn)”的對(duì)象是光子本身，那問(wèn)題就大了，這個(gè)光子如果射到了我們的眼睛里，它自然不會(huì)跑到左縫或右縫去（跑到我們眼睛里了）。

那么，有沒(méi)有可能反射其他光子呢？很遺憾，不可能，因?yàn)槠渌庾雍退粯哟?，能量一樣?qiáng)，它沒(méi)有能力把其他光子反射出來(lái)，同時(shí)自己的運(yùn)動(dòng)不改變，就像一粒子彈不能把另一粒子彈反彈出去一樣?？傊?，要“看見(jiàn)”光子通過(guò)左縫還是右縫，幾乎不可能。

但是物理學(xué)家們畢竟不同于常人，他們的探索之魂無(wú)人能及。

他們不久便察覺(jué)，不單單是光，連電子流也能呈現(xiàn)出雙縫干涉的奇景，電子亦展現(xiàn)出波粒二象性。與測(cè)量光子相比，測(cè)量電子輕而易舉，這得益于電子既有質(zhì)量又?jǐn)y帶電荷，其尺寸也遠(yuǎn)大于光子。于是，科學(xué)家們便能在雙縫的每個(gè)縫隙安裝觀測(cè)設(shè)備，以監(jiān)視電子是否穿越狹縫。

因此，眾多物理學(xué)家為了證明哥本哈根解釋的荒誕，不惜耗費(fèi)巨大精力改良實(shí)驗(yàn)裝置，不斷提升測(cè)量精度，日以繼夜地在實(shí)驗(yàn)室里揮灑汗水。他們渴求獲得確鑿證據(jù)，以證明電子在雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中確切地通過(guò)了特定縫隙。

然而，實(shí)驗(yàn)結(jié)果出乎意料。我們必須得承認(rèn)，物理學(xué)家們秉性誠(chéng)實(shí)客觀。盡管他們對(duì)哥本哈根解釋反感至極，但全球的物理學(xué)者們都不得不承認(rèn)，實(shí)驗(yàn)表明：

一旦在雙縫上安裝了觀測(cè)裝置，電子的確可以通過(guò)特定的縫隙被觀察到；但詭異的是，一旦電子被觀測(cè)到，雙縫干涉條紋便會(huì)消失無(wú)蹤，而忽視觀測(cè)時(shí)，雙縫條紋又奇跡般地顯現(xiàn)。這如同那個(gè)以光子作為足球的實(shí)驗(yàn)一樣，一旦有人看到了足球穿過(guò)某道墻縫，足球便不再整齊地落入網(wǎng)內(nèi)固定的位置，而一旦無(wú)人觀察，足球便會(huì)奇跡般地再次落入那些固定位置。

如此奇異的現(xiàn)象，物理學(xué)家們絞盡腦汁也無(wú)法理解，為何電子的行為與觀測(cè)竟有牽連？

一旦觀測(cè)，電子只選擇一條縫隙通過(guò)，不形成干涉條紋；忽略觀測(cè)，電子卻似同時(shí)通過(guò)兩條縫隙，留下干涉條紋，這實(shí)在不可思議。

舉個(gè)例子，假設(shè)你用一支自動(dòng)射擊的沖鋒槍瞄準(zhǔn)靶心，每次都能命中，你對(duì)此甚是滿意。但當(dāng)你換成由電子制成的“子彈”，一旦你盯著靶心，每次都能命中，但一旦你背過(guò)身，等你轉(zhuǎn)回頭，發(fā)現(xiàn)“子彈”以靶心為圓心，散落一地。你以為是槍的固定裝置出了問(wèn)題，于是盯著靶心再次射擊；這次仍舊是每次都命中。但當(dāng)你再次轉(zhuǎn)身射擊，“子彈”又開(kāi)始亂飛。

這已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了奇異的范疇，近乎令人瘋狂。

還記得愛(ài)因斯坦世界觀的中心及其兩大基本點(diǎn)嗎？中心即“因果律”，兩大基本點(diǎn)是“定域”與“實(shí)在”。如今，“實(shí)在”這一愛(ài)因斯坦理想宇宙的基礎(chǔ)受到了嚴(yán)重質(zhì)疑，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)反復(fù)向物理學(xué)家們表明：電子的行為似乎與我們的觀測(cè)有關(guān)。

電子似乎不再是一個(gè)獨(dú)立于我們意識(shí)之外的“客觀實(shí)在”，它仿佛是為我們而存在，為我們的觀測(cè)而表演，其行為受我們“看”與“不看”的影響，愛(ài)因斯坦的世界觀遭受了首次最直接的沖擊。

此時(shí)，玻爾帶領(lǐng)的哥本哈根學(xué)派再次站出來(lái)解釋：“正如大家所見(jiàn)，電子的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)結(jié)果總是一致。

這表明電子必須遵循'不確定原理’，即電子的運(yùn)動(dòng)路徑是不確定的，我們不能用一條直線來(lái)描繪其軌跡，而要用一團(tuán)概率云來(lái)表示。在觀測(cè)前，我們無(wú)法確定電子的確切位置，只能知道它出現(xiàn)在某位置的概率。當(dāng)我們觀測(cè)到電子后，雖然它處于確定位置，但我們?nèi)詿o(wú)法知曉它如何到達(dá)此位置或通過(guò)何種路徑。

事實(shí)上，這個(gè)電子同時(shí)存在于概率云的每一個(gè)位置。

而且，我們對(duì)電子的位置測(cè)量得越精確，對(duì)其速度的測(cè)量必然越模糊，測(cè)量行為本身將影響電子的運(yùn)動(dòng)。反之，我們對(duì)電子的速度測(cè)量得越精確，對(duì)其位置的測(cè)量也將越模糊。換言之，我們永遠(yuǎn)無(wú)法同時(shí)得知一個(gè)電子的位置和速度。因此，不確定原理也可稱為'測(cè)不準(zhǔn)原理’”。

如果牛頓在地下有知，聽(tīng)到玻爾的這番言論，定會(huì)勃然大怒，斥責(zé)玻爾背離正道。牛頓是堅(jiān)定的決定論者，他認(rèn)為，只要知道某一時(shí)刻的所有信息，就能預(yù)言未來(lái)發(fā)生的一切。

但玻爾卻無(wú)情地告訴牛頓：“抱歉，你連最基本的速度和位置信息都無(wú)法同時(shí)準(zhǔn)確得知，何談?dòng)?jì)算與預(yù)測(cè)？”愛(ài)因斯坦也表示反對(duì)：“玻爾先生，我實(shí)在無(wú)法贊同您的解釋。沒(méi)有明確的運(yùn)動(dòng)軌跡，只有概率，這算什么解釋？您以為上帝是一個(gè)愛(ài)擲骰子的賭徒嗎？時(shí)間和空間竟被您帶到了賭桌上！”

雙縫實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展已經(jīng)足夠瘋狂，竟引出了“不確定性”原理：物質(zhì)的基本組成——電子，以及所有與電子大小相當(dāng)?shù)幕玖Ｗ拥男袨槎际遣淮_定的。我們只能得知它們?cè)谀睦铮蛩鼈兊倪\(yùn)動(dòng)速度，想要同時(shí)知道兩者，那是癡心妄想。

然而，接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)更告訴我們一個(gè)道理：在量子的世界里，沒(méi)有最瘋狂，只有更瘋狂。物理學(xué)家們幾乎同時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)更“恐怖”的結(jié)果：哪怕你是在電子已經(jīng)通過(guò)了雙縫之后再去觀測(cè)電子實(shí)際通過(guò)了哪條縫隙（原理較為復(fù)雜，我們無(wú)需深究具體觀測(cè)手段，只需了解物理學(xué)家們有方法觀測(cè)），一旦進(jìn)行觀測(cè)，干涉條紋便會(huì)消失。

也就是說(shuō)，只要你在電子通過(guò)雙縫之后再觀測(cè)，電子就不再同時(shí)通過(guò)雙縫；而放棄觀測(cè)，電子又會(huì)同時(shí)通過(guò)雙縫。讓電子同時(shí)通過(guò)還是不同時(shí)通過(guò)雙縫，這個(gè)選擇可以在電子實(shí)際通過(guò)之后再?zèng)Q定。

這簡(jiǎn)直太詭異了！這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果直接與愛(ài)因斯坦堅(jiān)守的“因果律”相悖，原本因果關(guān)系明確，結(jié)果由原因引起，現(xiàn)在卻成了觀測(cè)行為影響了電子之前的選擇，難道結(jié)果能改變?cè)騿?？難道歷史可以被改變？（費(fèi)曼辯護(hù)說(shuō)，不是歷史可以改變，而是歷史本就是無(wú)數(shù)個(gè)可能發(fā)生的，許多人聽(tīng)完都暈倒在地）這嚴(yán)重違背了因果律，離經(jīng)叛道。

哥本哈根學(xué)派進(jìn)一步解釋道：“我們認(rèn)為，沒(méi)有真正的因果關(guān)系，只有'互補(bǔ)原理’，原因和結(jié)果是互補(bǔ)關(guān)系而非先后關(guān)系。你我既是演員又是觀眾，觀測(cè)者與被觀測(cè)者互相影響，形成互補(bǔ)關(guān)系。原因能影響結(jié)果，結(jié)果也能影響原因?！?/span>

愛(ài)因斯坦實(shí)在坐不住了，他發(fā)表了一系列文章，并在公開(kāi)會(huì)議上與玻爾辯論。他認(rèn)為玻爾已經(jīng)從物理學(xué)家蛻變?yōu)樾味系恼軐W(xué)家，玻爾的理論哪還像物理學(xué)，簡(jiǎn)直就是哲學(xué)，還是帶有偽字的哲學(xué)。盡管愛(ài)因斯坦對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果同樣感到震驚，但他堅(jiān)信，一定會(huì)有一個(gè)溫暖的、符合經(jīng)典世界觀的理論來(lái)解釋這些現(xiàn)象，只是我們尚未找到這個(gè)理論。

此外，他對(duì)物理學(xué)家的實(shí)驗(yàn)方法也提出了質(zhì)疑，認(rèn)為所有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果只能算是一種統(tǒng)計(jì)近似，并非顛覆自己信仰的“因果律”和“實(shí)在性”的直接證據(jù)。

但不管怎樣，這個(gè)雙縫干涉實(shí)驗(yàn)對(duì)愛(ài)因斯坦世界觀的一個(gè)中心兩個(gè)基本點(diǎn)中的兩項(xiàng)內(nèi)容造成了嚴(yán)重沖擊。整個(gè)物理界陷入混亂，從此波瀾壯闊，天下再無(wú)寧日。

要知道，這個(gè)世界上所有物質(zhì)，從根本上說(shuō)，都是由基本粒子，也就是量子構(gòu)成的。如果量子是不確定的，那么由量子構(gòu)成的我們是否也是不確定的呢？最令人震驚的一次實(shí)驗(yàn)發(fā)生在1999年，由一組物理學(xué)家在奧地利完成，他們用60個(gè)碳原子組成一個(gè)叫“巴基球”的東西，用它來(lái)模擬雙縫實(shí)驗(yàn)，同樣得到了神奇的干涉現(xiàn)象?，F(xiàn)代科學(xué)家們?cè)O(shè)想用更大的病毒來(lái)進(jìn)行雙縫實(shí)驗(yàn)，病毒在某種意義上算是生命體，它們可能具有“意識(shí)”。不知道它們將如何體驗(yàn)同時(shí)通過(guò)雙縫的感覺(jué)。

如果一個(gè)光子穿越有雙縫的平面，

只要觀察了其中一個(gè)縫隙，

那么光子就不會(huì)同時(shí)穿越兩條縫隙，

但如果不進(jìn)行觀察，它就會(huì)同時(shí)穿越兩條縫隙。

然而，哪怕光子是在離開(kāi)平面（即縫隙后）后，

在撞擊目標(biāo)之前被觀察了，

它還是不會(huì)同時(shí)穿越兩個(gè)縫隙。

現(xiàn)在我相信你肯定明白了，不僅明白了，而且開(kāi)始感到困惑了。顯然，我們每個(gè)人心中那個(gè)樸素的宇宙觀受到了挑戰(zhàn)？