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《时间的形状》玻尔的上帝

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以丹麦物理学家玻尔为首的哥本哈根学派站出来跟大家解释道:“这个问题本身不成立!光子既不是通过左缝,也不是通过右缝,而是同时通过了左缝和右缝。”注意,这里玻尔可并不是指光子会分身术,一分为二,一半通过了左缝一半通过了右缝,他说的意思很明确,就是指同一个光子同时通过了左缝和右缝。

对,你没有听错,这确实是从严谨的物理学家嘴里说出来的话。请相信我,就在你感到莫名其妙的同时,我也跟你一样感到无法理解,量子的所有行为几乎都不是正常思维能够理解的。按我们惯常的理解,爱因斯坦和玻尔两人可以同时分别位于德国和丹麦,或者他们可以今天位于德国,明天位于丹麦;但是如果你告诉我爱因斯坦同时位于德国和丹麦,玻尔同时通过了凯旋门和埃菲尔铁塔,我一定会认为你脑子坏掉了。

当哥本哈根学派这么站出来解释的时候,同样也是冒天下之大不韪。大多数物理学家起而攻之,尤其是爱因斯坦,对玻尔连连摇头叹息,说玻尔丢掉了最基本的理性思想。还有某位最激烈的物理学家,说如果哥本哈根学派的解释是对的,他宁愿改行去当医生,从此不再搞物理了。

你可能会想,大家何必吵吵闹闹呢?光子到底通过了左缝还是右缝,我们在实验室里仔细观察一下不就好了吗?与其坐而论道不如实际行动,去做个实验不就知道了吗?你的想法完全没错,物理学家们也都这么想,只是这个实验的难度远远超过人类的想象。光子可不是一个足球,天下还没有那么强大的摄影机能把光子的飞行轨迹录下来,也不可能在光子身上绑一个微型跟踪器,然后全天候跟踪。再说得深一点,你想想我们为什么能“观测”到一样东西?照相机、摄像机为什么能把物体的影像拍下来,本质原因在于物体发射出无数的光子,或者反射出无数的光子,这些光子在我们的视网膜或者底片上成像,于是被我们“看”到。但如果我们要“观测”的对象就是光子本身,那麻烦可就大了,这个光子如果射到了我们的眼睛里,那它就自然不会跑到左缝那里去,也不会跑到右缝那里去(跑到我们眼睛里来了)。那有没有可能反射别的光子?很抱歉,不能,别的光子跟它长得一样大,能量一样强,它没有能力把别的光子反射出来而自己的运动又不改变,就好像一粒子弹无法把另外一粒子弹给反弹出去一样。总之要“观测”光子通过左缝还是右缝这个事情,基本上,很难。

但物理学家毕竟是物理学家,他们的探索精神不是常人能比的。他们很快发现,光有双缝干涉现象,一束电子流同样也有双缝干涉现象,一束电子流跟光一样具备波粒二象性。记录和测量电子就比测量光子容易得多了,因为电子不但有质量,而且带电,大小也比光子大得多。我们大可以在双缝上各安装一个用来观测和记录的仪器,来观察电子有没有通过这道狭缝。于是,很多物理学家都是为了证明哥本哈根解释有多荒谬,不辞辛劳地苦苦改良实验设备,一次次地提高精度,没日没夜地在实验室挥汗如雨。他们想拿到明确的证据,来说明在双缝干涉实验中,电子是确定无疑地通过了某条缝隙。

但结果怎样呢?好在我们的物理学家们都有诚实客观的本性,尽管他们是如此地厌恶哥本哈根解释,但是全世界的物理学家都不得不承认,他们的实验表明:

一旦在狭缝上装了记录仪,他们确实可以观测到电子通过了某条狭缝;但怪异的是,一旦电子被观测到了,双缝干涉条纹也就消失了,如果不去观测,双缝条纹又会神奇地出现。这就好像在那个用光子当足球踢的实验中,一旦有人在某个墙缝上看到了足球,足球就不再会整齐地落在网的固定位置,而一旦没有人去看足球到底飞过了哪个墙缝,足球又会神奇地出现在那些固定位置上。这事实在是太怪异了,物理学家们怎么也想不通,电子的行为怎么还跟观测有关?一旦观测,它就只通过一条狭缝,不产生干涉条纹;不观测,它就同时通过(看来只能这么理解了)两条狭缝,留下干涉条纹,这实在太不可思议了。再打个比方,如果你用一杆冲锋枪瞄准了标靶,然后把冲锋枪用装置固定住,让枪自动开枪射击,枪枪都正中靶心,你很满意。于是你换上由电子制成的子弹,再次开枪射击,但是怪异的事情出现了:如果你盯着标靶看的话,枪枪都命中靶心,可是一旦你背过身去,不看靶子,打了一梭子之后,你转头一看,发现子弹以靶心为圆心成散状分布。你以为枪的固定装置出了问题,于是再盯着靶子打一次;这次又是枪枪命中靶心,当你再次转过头去开枪,子弹又开始“乱打”了。这事已经远远超出了怪异的范围,简直是让人抓狂。还记得爱因斯坦的世界观说的一个中心两个基本点吗?一个中心是“因果律”,两个基本点是“定域”和“实在”。现在“实在”这个爱因斯坦的理想宇宙的基本点遭到了严重的怀疑,这个实验居然再三向物理学家们展示:电子的行为跟我们的观测有关。电子似乎不再是一个超脱于我们意识而存在的“客观实在”,它似乎是为我们而存在,为我们而表演,它的行为受我们“看”与“不看”影响,爱因斯坦的世界观遭受到第一次最直接的冲击。

玻尔领衔的哥本哈根学派此时又站出来跟大家解释说:“实验结果大家都看到了,我们也反复地做了电子的双缝干涉实验,结果都是一样的。这说明电子必须符合‘不确定原理’,也就是说电子的运动轨迹是不确定的,它的运动轨迹不能用一根线来表示,只能用一朵概率云来表示。我们在观测之前永远无法说出电子的确切位置,只能说出它在某一个位置的概率。当我们观测到电子以后,电子虽然处于确定位置,但它是怎么到这个位置、通过什么路径来的,我们仍然不可能知道。事实上这个电子同时存在于那朵概率云中的所有位置。而且,我们对电子的位置测量得越精确,对它的速度就必然测量得越模糊,测量行为本身就会影响电子的运动。反之,我们对它的速度测量得越精确,对它的位置就必然测量得越模糊。换句话说,我们永远不可能同时知道一个电子的位置和速度。因此不确定原理也可以叫作‘测不准原理’”。

如果牛顿地下有知,听到了玻尔的这段话,必然会蹦出来大骂玻尔离经叛道。牛顿是坚定的决定论者,他认为只要知道了某一时刻的所有信息,就能预言未来发生的一切。然而现在玻尔很无情地告诉牛顿:对不起,你连最基本的速度和位置信息都是永远无法同时准确地知道的,又何谈计算和预测呢?爱因斯坦也站出来反对说:“玻尔先生,很抱歉,本人实在不喜欢你们的这个解释,没有确切的运动轨迹,只有概率,这叫什么解释?你以为上帝是一个喜欢掷骰子的赌徒吗?时间和空间都被你们拿到赌桌上来碰运气了!”

双缝实验做到这一步已经够疯狂的了,居然引出了一个“不确定性”原理:物质的最基本构成——电子,以及所有跟电子差不多大小的基本粒子的行为都是不确定的,我们要么只能知道他们在什么地方,要么只能知道它们的运动速度,想同时知道两样,想都别想。但接下去的实验进一步告诉我们这样一个道理:在量子的世界,没有最疯狂,只有更疯狂。物理学家们又几乎同时发现了一个更“恐怖”的结果:哪怕你是在电子已经通过了双缝之后再去观测电子实际通过了哪条狭缝(这里的原理比较复杂,我们在这里不需要去搞清楚具体是什么样的观测手段,总之你只要知道物理学家们有巧妙的方法可以观测),只要一观测,干涉条纹就消失了。也就是说哪怕你在电子通过了双缝之后再观测,电子也不再同时通过双缝;而只要不观测,电子又同时通过双缝了,让电子同时还是不同时通过双缝是可以在电子实际通过以后再决定的。

诡异,诡异,真是太诡异了!这个实验结果直接违背了爱因斯坦信仰的“因果律”,本来事情的原因影响结果,结果是原因导致的,现在好了,事后观测行为居然影响到了电子之前做出的选择,这岂不是变成了结果影响原因了吗?难道历史是可以改变的吗?(费曼辩护说,不是历史可以改变,而是历史本身就是有无数个,可能发生的历史实际上都已经发生了,很多人听完当场昏厥在地)这严重违背因果律,严重离经叛道。

哥本哈根学派继续解释说:“在我们看来,没有什么真正的因果,只有‘互补原理’,原因和结果是一种互补关系而不是先后关系,你我既是演员又是观众,观测者和被观测者互相影响,形成互补关系,原因会影响结果,结果也一样会影响原因。”

爱因斯坦这次是真的坐不住了,他写了一系列文章,还在公开会议上和玻尔辩论。他认为玻尔已经从一个物理学家变成了一个形而上的哲学家,玻尔的理论哪里像是物理学,简直就是一种哲学,还是带伪字的。爱因斯坦虽然对实验结果也同样感到震惊,但他认为一定会有一个温暖的符合经典世界观的理论去解释这些现象,只是我们还没找到这个理论罢了。另外,他对物理学家的实验方法也提出了一些质疑,认为所有的实验结果只能作为一种统计近似,并非是颠覆自己所信仰的“因果律”和“实在性”的直接证据。

但不管怎么说,这个双缝干涉实验,对爱因斯坦一个中心两个基本点中的两项内容都造成严重冲击。整个物理界发生大混乱,从此狼烟四起,天下不再太平。要知道,这世界的所有物质从本源上来说,都是由基本粒子,也就是量子构成的,如果量子是不确定的,那么是不是由量子构成的我们也是不确定的呢?最惊人的一次实验是1999年由一组物理学家在奥地利做的,他们用60个碳原子组成了一种叫“巴基球”的东西,用这个巴基球来模拟双缝实验,结果他们同样得到了神奇的干涉现象。现在的科学家们设想用更大的病毒来做双缝实验,病毒从某种意义上来说,已经是生命体了,它们或许具备“意识”。不知道他们会如何体验这种同时通过双缝的感觉。此时,我再把谢耳朵的话写出来给大家回顾一下,你是否能看懂谢耳朵的唠叨了呢?

So if a photon is directed through a plane with two slits in it

如果一个光子通过有两个狭缝的平面,

and either slit is observed,

只要观察了其中的任意一个狭缝,

it will not go through both slits.

那么光子就不会同时通过两条狭缝,

If it/'s unobserved,it will.

但如果不进行观察,那它就会同时通过两条狭缝。

However,if it/'s observed after it/'s left the plane,

然而,即便光子是在离开平面(狭缝后)后,

But before it hits its target,

在击中目标之前被观察了,

it won/'t have gone through both slits.

它居然也不会同时通过两个狭缝。

这次我相信你一定看懂了,不但看懂了,而且开始感到抓狂了。很显然,我们每个普通人心目中的那个朴素的宇宙观受到了冲击,这种感觉和爱因斯坦是一样的。但好在,爱因斯坦还保有自己最后一块神圣不可侵犯的领地,那就是“定域性”:这个宇宙是定域的,不存在什么超光速的信号,光速是一切运动速度的极限;两个事件之间想要产生相互影响,必然不可能突破光锥所划定的时空范围。

然而事情真的像爱因斯坦认为的那样吗?这最后一个定域性的堡垒真的有那么坚固吗?