組成物質(zhì)的基本粒子具有波粒二象性，既是粒子又是波

生活在日常的現(xiàn)實中，我們對宇宙和物質(zhì)運動規(guī)律的許多認識是錯誤的。在本期的“特別策劃”欄目里，幾位科普作家將帶著你作一次改變?nèi)祟惾粘＝?jīng)驗的旅行。

你有沒有想過：為什么我們未曾見過一件事“倒序發(fā)生”呢？例如，一只掉在地上打碎的玻璃杯，為什么不能還原成原來的形狀，重新回到飯桌上呢？??

科學(xué)家說，我們熟知的三維空間或許只是海市蜃樓，過去、現(xiàn)在和未來并沒有區(qū)別??

莫衷一是的觀點，開啟了全新世界的可能性。在原子和粒子的微觀領(lǐng)域——量子領(lǐng)域，一些基本規(guī)律超越了人類的想象，例如，粒子并不喜歡被束縛在一個位置，而是像孫悟空一樣，可以同時身處多處。量子力學(xué)與至今所有的實驗結(jié)果之間并無矛盾之處，它到底揭示了些什么？讓我們在量子的虛幻與真實之間來一次“量子躍遷”吧。

電子是一種奇異的東西，是概率波。波在任意位置的強度，代表著電子在那里出現(xiàn)的概率——波最強的地方，并不是電子最多的地方，而是電子最可能出現(xiàn)的地方。你不能夠問：“電子現(xiàn)在在哪里？”你只能問：“如果我在這個地方觀察某個電子，那么它在這里的概率是多少？”這可真讓人抓狂。當你擲出一顆電子之后，你便無法預(yù)測它會落在哪里，但是你能用方程式來算出它落在各處的概率。

數(shù)千年以來，人類一直試圖解開宇宙和世間萬物運動和變化的奧秘。至今人類已經(jīng)歸納出了幾套定律，能清楚地說明星系、恒星與行星以及宏觀世界里物體的運動。然而現(xiàn)在我們知道，在微觀的層面上，事情并沒有這么簡單，因為人類又發(fā)現(xiàn)的幾套革命性的新規(guī)律徹底改變了我們對宇宙的看法。這些新規(guī)律叫做量子力學(xué)。

量子力學(xué)主宰了各種物體中的原子和微粒子，包括恒星和行星，巖石和建筑，甚至是你和我。我們在日常生活中并未感受到量子力學(xué)的奇異之處，但是在原子及其內(nèi)部的粒子層面，主宰微觀世界的量子力學(xué)定律與那些主宰日常物體的定律卻是大相徑庭的。要是你對它們有些許了解，你看待世界的眼光便會大大改變。

量子躍遷

常人幾乎無法想象當物體小到最小的尺度時，事情會變得多么詭異。在量子的世界里，物體似乎并不喜歡被束縛在單一的位置，或者只沿著某一個路線運動；不僅如此，如果你是一個量子的話，你的所作所為可以瞬間影響到遠方的某處，即使遠方那邊根本沒有人在操縱。一個人若是如同原子中的粒子一般運動，那么在大部分的時刻，你將無法得知他的確切位置，取而代之的是他幾乎無處不在，直到你觀察他。

我們怎么會相信這種聽起來十分荒謬的理論呢？那是因為在過去許多年里，科學(xué)家利用它來預(yù)測原子和粒子的行為模式，經(jīng)過了無數(shù)的實驗，證明了量子理論總是對的。

量子效應(yīng)在微觀的尺度下是較為顯著的，比如在單個原子的尺度。不過，既然你我都是由原子組成的，世界上所有的東西也都如此，所以這些詭異的量子定律肯定不只能解釋微小的事物，也能解釋現(xiàn)實世界的一切。這些詭異多端、與我們的日常認知大相徑庭的定律是如何被發(fā)現(xiàn)的呢？

使行星繞太陽運動的法則是什么？被拋出的球如何劃過天空？池塘中水波的漣漪又是如何運動的？——這些問題早已被“經(jīng)典力學(xué)”所解決。牛頓和同時代的科學(xué)家建立起來的經(jīng)典力學(xué)，看上去完美無缺，它能讓我們準確地預(yù)測物體的運動。直到百年前，科學(xué)家們才開始努力著想要解釋光的一些異常性質(zhì)，尤其是氣體在玻璃管中受熱時釋放出來的光。當科學(xué)家透過棱鏡觀察受熱氣體所放出的光時，他們看見了從未預(yù)料到的東西——光形成了一些條紋。這些條紋所呈現(xiàn)的并非像是彩虹那種完整連續(xù)的光譜，而是像用鉛筆畫出來的一道道的單色光，只有特定的幾種顏色。

對于這些神秘的彩色條紋顏色的解釋，牽涉到幾位原子物理學(xué)家。在20世紀初期，他們正在努力了解物理世界的根本規(guī)律，其中最具洞察力的觀點是由丹麥物理學(xué)家尼爾斯·波爾（Niels Bohr）所提出的，他喜歡在打乒乓球的時候討論新想法。波耳深信問題的答案就在物質(zhì)的核心，即原子結(jié)構(gòu)中。他認為原子就像是個小太陽系，由小得多的粒子——電子繞著原子核運轉(zhuǎn)，就跟行星繞日差不多。但是波爾認為，與太陽系不同，電子并非能在任意軌道上運轉(zhuǎn)，只有若干條特定軌道是被允許的。他有個非常驚人而且違反物理學(xué)直覺的想法，那就是只有某些狀態(tài)的軌道能被電子所占有。波爾稱電子在原來的軌道上運行，并不會發(fā)出或吸收光；只有電子從一個軌道躍遷到另個軌道時，才會接受或發(fā)出光。倘若電子從原子外層的軌道躍遷到內(nèi)層的軌道（也就是向下躍遷），則會以特定波長的光釋放出能量。這種躍遷稱為“量子躍遷”。如果沒有量子躍遷，而電子可以在原子內(nèi)部任意空間位置之間移動的話，你就會看見有連續(xù)的光譜出現(xiàn)。但我們在實驗室里見到的可不是這樣，我們看到的是明顯的紅色、綠色，等等。量子躍遷便是這些色帶的來源。

量子躍遷之所以令人感到驚奇，是因為電子能直接從一個軌道移到另一個軌道，而不需要經(jīng)過兩處之間的空間，就像是火星突然跳到木星的軌道上一樣。波耳指出，量子躍遷源于電子的一種詭異性質(zhì)，即電子的能量是“可分包”的，而每個包不可能再被分割。這不可再分割的最小量稱為“量子”。這就是為什么電子只能夠占有特定的軌道，只能在這里或那里，而不能夠呆在“中間”。這與我們?nèi)粘Ｉ钪械某ＷR截然不同。

想想你的日常生活，你進食的時候可曾想過食物是量子化的？食物并非是量子化的，但是在原子中，電子的能量卻是量子化的。為何如此？雖然這聽起來很神秘而難以理解，可是證據(jù)很快就出現(xiàn)了，證明了波爾是對的。

波爾的發(fā)現(xiàn)改變了一切。有了對原子的新詮釋，波爾和他的同事們發(fā)現(xiàn)他們與傳統(tǒng)的物理定律有著很大沖突。很快地，波爾激進的觀點使他陷入了與另一位偉大物理學(xué)家的“白刃戰(zhàn)”。

概率波

相對論之父阿爾伯特·愛因斯坦并不畏懼新想法，但在上世紀20年代，量子力學(xué)的世界開始朝著這位物理學(xué)巨匠不愿看到的方向發(fā)展。也就是說，古典物理學(xué)標榜一切都是可預(yù)測的，這與量子力學(xué)產(chǎn)生了分歧。要是你問愛因斯坦或其他同時期的物理學(xué)家：由各種理論所組成的物理學(xué)的卓越之處究竟在哪里？他們肯定會說：它可以讓我們準確地預(yù)測物質(zhì)的運動。而量子力學(xué)似乎把那些定律的根基抽走了。

著名的“雙狹縫實驗”，充分展示了量子的神秘之處——如果你想要完全精確地描述這個世界，你的期望將被完全粉碎。雙狹縫實驗究竟對當時的固有觀念造成了多大的影響，我們可以通過對比實驗來增進對它的了解，一個在宏觀尺度下，另一個在微觀尺度下。想象在球館里打保齡球，但首先在球道上安放一個雙縫柵欄，并且在球道的終點放一個屏幕。當球滾過球道時，要么會被柵欄擋住，要么就從其中一個欄縫穿過，然后擊中后方的屏幕。微觀尺度的雙狹縫實驗就跟這個差不多，只是把保齡球換成了小上幾十億倍的電子。不過，當電子被擲向雙狹縫時，奇怪的事情在屏幕上發(fā)生了，電子不僅擊中了保齡球的那兩個區(qū)域，而且?guī)缀醣椴剂苏麄€屏幕，形成了一些條紋；即使在那些你認為被阻擋了的區(qū)域，也都有著條紋。這到底是怎么回事？

對于上世紀20年代的物理學(xué)家來說，這些條紋只代表著一個東西，就是波。波可以做到一些有趣的事情，而保齡球卻做不到。波可以分離，也可以結(jié)合。如果我們把一道波送到雙狹縫去，它將一分為二，然后那兩列波會彼此相交；當兩列波互相重疊的時候，有些地方會增強，有些地方會削弱，在有些地方它們甚至會彼此相消。將水波的高度對應(yīng)成屏幕上的亮度的話，波峰與波谷也會形成某種條紋，一般稱之為“干涉條紋”。那么身為粒子的電子是如何形成條紋的呢？單一電子是如何能夠像波動般運動的呢？

粒子是粒子，波動是波動。粒子怎么會是波動呢？除非你摒棄了它是粒子的想法，然后幡然頓悟：我以為是粒子的這東西，其實是個波動！

上世紀20年代，當雙狹縫實驗第一次被做出來的時候，科學(xué)家們努力想了解電子的這種似波的行為。有些人猜想，當電子在運動的時候，也許會展開成波動。奧地利物理學(xué)家埃爾溫·薛定諤（Erwin Schr?dinger）找出了一條可以描述它的方程。薛定諤認為這種波動其實就是電子的延伸，電子因為某種原因淡化了粒子性，不再只占據(jù)一個點，而是糊開了。這種說法引起了諸多爭論，最后，德國猶太裔物理學(xué)家馬克斯·波恩（Max Born）為“波函數(shù)到底代表著什么”提出了革命性的新想法。波恩說，那才不是糊開的電子，它也不是科學(xué)所面對過的任何事物，而是一種奇異的東西，那就是概率波。也就是說，波在任意位置的強度，代表著電子在那里出現(xiàn)的概率。波最強的地方，并不是電子最多的地方，而是電子最可能出現(xiàn)的地方。

這不是很奇怪嗎？電子就好像存在于一片概率叢林中。你不能夠問：“電子現(xiàn)在在哪里？”你只能問：“如果我在這個地方觀察某個電子，那么它在這里的概率是多少？”這可真讓人抓狂。雖然這聽起來很奇怪，可是這種描述粒子運動的新方式是正確的。當你擲出一顆電子之后，你便無法預(yù)測它會落在哪里；但如果你用薛定諤方程來算電子的概率波，你就可以準確地預(yù)測；如果你擲出足夠多的電子，你就能夠算出它們落在各處的比例，例如，會有33.1%落在“這里”，7.9%落在“那里”，等等。這些預(yù)測已經(jīng)一次又一次地被眾多的實驗所證實，量子力學(xué)的方程式因而表現(xiàn)出了驚人的準確性。而這所有的一切，都只是概率的問題。

如果你認為用概率來思考就跟胡亂猜測沒兩樣，那么你應(yīng)該去看看澳門的賭場。你親自來玩玩賭博游戲，便可知道概率的強大威力。舉例來說，你押20元賭一盤，莊家并不曉得你到底會在這盤贏還是在下一盤贏，但是他知道你贏錢的概率，盡管你可能贏得一時，但時間一長，莊家贏的總會比輸?shù)亩?。莊家并不需要知道單場游戲的結(jié)果是什么，但是他可以篤定地相信，幾千場賭局下來，他肯定能贏錢，并且他所預(yù)測的結(jié)果十分精確。

根據(jù)量子力學(xué)，這個世界本身也是個概率游戲，宇宙中的所有物質(zhì)都是由受到概率所規(guī)范的原子以及亞原子粒子所組成的。由于這種觀念相當違反直覺，所以有些人難以接受它，愛因斯坦也是其中之一，他說：“上帝不擲骰子?！彪m然愛因斯坦不喜歡概率，但其他許多的物理學(xué)家并不那么對此感到不安，因為量子力學(xué)的方程式能夠以驚人的準確度預(yù)測一群原子或粒子的運動模式。

觀測與決定論

量子力學(xué)理論有著極其神秘的一面，例如“觀測”。波爾認為觀測會改變一切：在你測量或觀察粒子以前，它們的狀態(tài)是未定的——例如在雙狹縫實驗中的電子，在背后的屏幕顯示出電子的位置以前，它似乎能以各種概率在不同位置上存在；直到你觀察它的那一瞬間，這種不確定性才會消失。根據(jù)波爾對量子力學(xué)的詮釋，當你對粒子展開觀測時，“觀測”的行為迫使粒子放棄那些所有它可能存在的位置，然后選出那個被你發(fā)現(xiàn)的位置。也就是說，是“觀測”的這個動作迫使粒子作出了選擇。

波爾接受了大自然本身就是捉摸不定的觀念，但愛因斯坦可不，他恪守著決定論觀念，認為物體不只在被觀察的時候才遵守決定論，而是在任何時候都遵守決定論。正如愛因斯坦所說的：“月亮是否在你看著它的時候才存在？”這就是愛因斯坦所苦惱的：我們真的認為宇宙中的一切事物只與我們有沒有看見有關(guān)系嗎？這太奇怪了。愛因斯坦深信量子理論里肯定少了點可以確切描述粒子狀態(tài)的東西，比如它們的位置，即便沒有人觀察它們。愛因斯坦認為這是理論物理學(xué)家應(yīng)該解決的問題——并不是物理學(xué)有誤，它只是還不夠完備。

對于量子世界的認識，我們無疑是在不斷進步，但我們不能忘了，這個理論的核心仍然有很大的空洞。為什么量子世界中的物質(zhì)能停留在不確定的狀態(tài)，看起來既在這里又在那里，有如此多的可能性，而你我雖然是由原子與微粒子所組成的，卻只能停留在一個確定的狀態(tài)，我們只能在這里或在那里？

波爾沒有對為什么當物體的尺寸增加后便失去量子效應(yīng)作出解釋。雖然量子力學(xué)已被證明是又強大又精確，科學(xué)家們卻還在為這個問題頭疼。有些人認為在量子力學(xué)的方程中肯定少了點什么，方程中缺失的部分會在漸變到宏觀領(lǐng)域時將數(shù)量改變，使一切變得明朗，除去現(xiàn)實之外的可能性，歸結(jié)到一個決定的事實。其他物理學(xué)家則認為，在量子層面展現(xiàn)出的所有可能性是不會消失的，每種可能的狀態(tài)其實都會存在，只是它們大部分會發(fā)生在與我們平行的宇宙中。這是個發(fā)人深省的想法，現(xiàn)實的確可以超越我們所看見的宇宙，同時也在不斷地創(chuàng)造分支，生成同步、全新的世界，讓每一種可能性都有戲份