双狭缝实验的启示

双狭缝实验的启示

双狭缝实验的启示
图片来自网络

文/朱及瑞

这奇妙的世界提供给艺术家的是无穷的灵感,提供给科学家的是无尽的新发现,提供给研究生命现象的学者却是一个解不开的谜。到底谁最有资格解释生命?是哲学家吗?在过去的几十年哲学已成了物理学家的一个新领域。物理学家把物质拆开研究,越拆越小,终於拆到什麽都没有了。他们不但发现物质并不是物质所组成的(这句话在逻辑上本来就是矛盾的,哲学家早就知道了),而且物质奇妙的特性已经要靠哲学来解释了;有许多物理学家甚至相信“自我意识”是物理现象重要的一环。而另一方面生命学家却又因电脑及人工智慧的发展,而步上一百年前物理学家的後尘,相信生命现象是没有超然的意义的。这一切要从杨氏的双狭缝实验(DoubleSlit Experiment)说起。

双狭缝实验是第一个证明光是“能量”而不是“粒子”的实验。在这之前科学家相信光是一些速度极快的“光子”所组成。而双狭缝实验却证明光像水波一样是一种“波动”而不是物质。当我们丢一个石头到一个池塘里时,会激起一圈圈向外扩散的涟漪(水波);若同时丢两个石头则两组水波交会形成放射状的条纹,这叫“干涉现象”。杨氏实验是在一个平板上切出两条平行的缝,然後以光线照在板子上,结果发现,通过狭缝的光线照在平板後的墙上形成许多条纹。这证明了光线是“同时”经过两个缝。如果把光线减到很弱使得光子是一个一个的射出灯泡,然後用底片感光,所得到的仍是干涉条纹。光子怎麽可能一个一个到达底片,却又“同时”经过两个狭缝呢?科学家用电子重覆同样的实验,所得的结果完全一样。最後他们的结论是∶物体只有在被“侦测”的那一瞬间才从能量的波动“凝聚”成有本体的物质!

当我们看到一个桌子的时候,是因为光波被桌子表面的电场反弹进入我们的眼睛,在网膜上凝聚成光子才形成视觉。触觉也是一样,是桌子的波动在触摸的一瞬间凝聚成原子。不信吗?问问一个物理系毕业的朋友就知道了。

这并不表示我们的感受是幻觉,因为能量和物质一样的真实。杨氏实验使人们更能了解爱因斯坦“质能互变”的本质。但最奇妙的是∶一,能量波在被侦测或被“观察”的时候才形成实体,这是否有特别的意义?,二,假设两百亿年前的一个小星爆炸产生的光线经过这许久的时间终於到达地球,而被你一抬头看见了那小小的光点,同时在宇宙的另一端有个外星人刚好也抬起头,可是晚了万分之一秒,结果什麽也没有看见,因为那奔向宇宙四面八方的光波在那一瞬间凝聚成了一个光子落在你眼里,像一个消失的肥皂泡,这有什麽启示?

一九一七年十月,三十几位当时著名的物理学家聚集在一起讨论量子物理的一些哲学意义,这就是著名的第五次SolvayCongress会议,参加的都是赫赫有名的物理学家,包括爱因斯坦、波尔、波恩、普朗克、海森柏、薛定格等。会议中讨论的重点就是波尔所提出的所谓“哥本哈根释意”,内容是说“物质只有被观察的时候才存在,在这之前只有存在的可能性,因此所谓“既成事实”是没有意义的。会中爱因斯坦对杨氏的双狭缝实验也提出了他的看法。他认为当波动到达观察者或观测仪器的时候是全面性的,像海浪打在岸上一样,而不是像波尔等人所说的在瞬间“凝聚成物质”。爱因斯坦虽然自谦他对量子物理没有什麽研究,其实他已花了七年思考这个问题,因此很从容的解释如果波尔所说是事实,那就违反了相对论,因为“一瞬间”违反了相对论“没有任何运动可以超越光速”的基本前提。

波尔和爱因坦所辩论的,简单的说就是“原子到底是一个物体,或只是用以解释物理现象的工具?”如果原子真的是实体,那麽原子一定有位置及运动方向!但量子物理的数学公式(就是海森柏的测不准定理)完全否认这一点。如果这公式是错的,那麽雷射、半导体、超导体、电子显微镜等都不可能存在。但物质是这麽的实在,怎麽会是一种现象呢?让我们做个比喻∶

人的眼睛像个凸透镜,所以射到网膜上影像都是倒反的,但为什麽我们看到的东西都是正的?理由很简单,我们已习惯了直立看东西,就发展出非常真实的“正”的观念,如果一个人习惯倒立用手行走,一旦站立起来,也会觉得整个世界都反了。

量子物理最广为人所津津乐道的就是“薛定格的猫”这个比喻。如果波尔、薛定格、海森柏等哥本哈根学派的物理学家不是诺贝尔物理奖的得主,这苹猫绝不会受到重视的。这比喻是说,假设有一个密闭的箱子,里面放了个半衰期是一小时的放射性原子,箱中还有一个侦测放射线的仪器,一但侦测到放射线就会启动一个开关放出致命的毒气。假设将一苹猫放入箱中,一小时後这猫是死的还是活的?依照量子物理的观念,如果是你开了箱子而第一个看到猫,你看的那一瞬间才决定猫的命运,那一刻之前“事实”还没有发生,所以没有人能说开箱之前猫“已经”死了。

相信大多数人都没有办法完全理解这种超越时间、空间的物理现象。但我们不得不承认,物理已经能渐渐让我们认识到一个远超过我们所能想像的境界,正等著我们去发现。一个认真的科学家寻求上帝时,也会有同样的体会。

本文刊发于《海外校园》

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(1)条精彩评论:
  1. 量子物理太高深了~
    大禹2012-08-24 16:00 回复