第7章 可择历史 (1)

　　1999年一组物理学家在奥地利向一个障碍射出一串足球状的分子。那些每个由60个碳原子组成的分子有时被称作巴基球，因为建筑学家巴克明富勒建设过那种形状的的建筑物。富勒的短程线圆顶结构也许是存在的最大的足球状的物体，而巴基球却是最小的。科学家瞄准的障碍实际上具有两道巴基球能通过的窄缝。在墙后面，物理学家置放一个相当于屏幕的东西以检验和计数出现的分子。

　　如果我们用真的足球建立一个类似的实验，我们就需要一位目标弥散但具有以我们选取的速率一致地发球能力的球手。我们将这个球手放在有两条窄缝的墙之前。在墙的另一边，我们平行地放张长网。球手射出的球多数都打到墙上被弹回，在墙的另一面出现的两束高度平行的足球的流注。如果缝隙只比足球稍宽些，每一束流注就会以扇形展开一些，正如下图所示。

　　请注意，如果我们关闭一道缝隙，其相应的足球的流注就不再通过，但这对另一束流注没有影响。如果我们重开第二道缝隙，那只会增加落到另一边的任何给定点的球的数目，因为那时我们就会得到通过一直开着的缝隙的球再加上从新开的缝隙来的其它球。换言之，在两道缝隙都打开时，我们观察到的是我们在墙上的每道缝隙分别打开时观察到的总和。这是我们在日常生活中习以为常的现实。但这不是奥地利研究者在射出他们的分子时发现的情形。

　　在奥地利实验中，打开第二道缝隙的确在屏幕上一些点上的到达的分子数目增加了——但在他处这个数目减少了，正如下图所示。事实上，当两道缝隙都打开时存在一些地方巴基球根本不到，而就在这些地方，当两道缝隙中只有任何一道打开时球确实到达。这似乎非常古怪。打开第二道缝隙何以使到达某些点的分子变得更少呢？

　　我们可由审视细节获得答案的线索。在这个实验中，许多分子足球打到如果球分别通过这道缝隙或那道缝隙时，你预料它们击中之处的中点。非常少的分子到达偏离中点稍远处，但是在离那个中心更远些处，你又会观测到分子到达。这种模式不是每个缝隙分别打开时形成的模式之和，但是你可以从第三章作为干涉波的特征条纹将它认出。没有分子到达的地方对应于从两缝发射来的波到达时反相，并产生破坏性干涉；而许多分子到达的地方对应于波到达时同相，并产生建设性干涉。

　　在科学思想的最初两千年左右，科学解释是基于通常的经验和直觉之上。随着我们改善技术并扩展可能观测的现象范围，我们开始发现自然行为的方式和我们的日常经验，也因此和我们的直觉越来越不一致，正如巴基球实验所显示的那样。那个实验是不能被包括在经典科学中，而只能被称作量子物理的所描述的有代表性的那一类现象。事实上，理查德费恩曼写道：如上面我们所描述的那个双缝实验“包含了量子力学的所有秘密。”

　　在发现牛顿理论不足以描述在原子或次原子水平上的自然之后，二十世纪的前期发展了量子物理的原理。物理的基本理论描述自然的力和物体对这些力如何反应。诸如牛顿的经典理论是在反映日常经验的框架的基础上建立的。物体在其中具有单独的存在，能位于一个确定的位置，遵循确定的路径等。量子物理为理解自然如何在原子和次原子尺度下的运行提供框架，但正如我们将更仔细看到的，它要求完全不同的概念纲要，在那里物体的位置，路径甚至其过去和未来都不能被精密确定。诸如引力或者电磁力的力的量子理论就是在那个框架中建立的。

　　基于和日常经验如此陌生的框架上所建立的理论还能解释被经典物理如此精确地塑造的寻常经验吗？它们能，因为我们以及我们周围是复合结构，是由不能想象的那么大量的原子组成，原子的数量比在可观察宇宙中的恒星数量还要多。而尽管组成部分的原子服从量子物理原理，人们可以证明，大群体形成足球，大头菜和珍宝飞机——以及我们——的原子确能避免通过缝隙时绕射。这样，虽然日常物体的组成部分服从量子物理，牛顿定律还是形成一个有效理论，它非常精确地描述形成我们日常世界的组合结构如何行为。

　　这似乎听起来很奇怪，但是在科学中有许多情形，大群体以与它单独成分的行为不同的方式行为。一个单独神经元的反应几乎毫无人脑反应的预兆，有关水分子的知识也未告诉你多少湖的行为。在量子物理中的情形，物理学家仍在努力捉摸从量子领域如何涌现牛顿定律的细节。我们所知道的是，所有物体的部分服从量子物理定律，而牛顿定律以很好的近似描述由那些量子成分构成的宏观物体的行为方式。

　　因此，牛顿理论的预言和我们大家在经历周围世界时发展的实在性观点相符合。但是单个原子和分子以一种和我们日常经验根本不同的方式行为。量子物理是一种新的实在模型，它为我们提供了宇宙的图像。这是一种这样的图像，对我们直观理解实在性的许多很基本的概念在其中都不再具有意义。

　　1927年贝尔实验室的实验物理学家克林顿达维孙和勒斯特泽默首次实现了双缝实验，他们是在研究一束电子——比巴基球简单得多的物体——如何与镍晶体相互作用。诸如电子的物质粒子像水波那样行为的事实是启示量子物理的一类惊人实验。由于在宏观尺度下观察不到这类行为，长期以来，科学家对刚好仍然能显示这种类波性质的某物可以多大多复杂感到好奇。如果可以利用人或者河马来演示这个效应一定会引起轰动，但正如我们说过的，物体越大则量子效应就越微弱，越不明显。这样任何动物园动物不太可能以类波形式通过它们笼子的栅栏。尽管如此，实验物理学家仍观察到了不断增大尺度的粒子的波动现象。科学家希望有朝一日使用病毒重做巴基球实验，病毒不仅大得多，还被某些人认为是具有生命的东西。

　　为了理解我们将在后面几章的论证，量子物理只有一些方面是必须的。关键特点之一是波\/粒对偶性。物质粒子象波那样行为使所有人惊讶，而光象波那样行为就不再引起任何人惊讶。光的类波行为对我们似乎是自然的，并且在几乎两个世纪的时间里被认为是接受了的事实。如果你在上面的实验中将一束光照在两道缝隙上，两个波会出现并在屏幕上相遇。它们的波峰和波谷分别在某些点上重合并形成亮斑；在另外点上一束波的波峰会和另一束的波谷相遇，而留下暗的区域。英国物理学家托玛斯杨在19世纪早期进行了这个实验，使人们信服光是波，而非如牛顿曾经相信的，由粒子构成。

　　尽管人们也许会得出结论说，牛顿说光不是一个波时他是错了，但当他说光能以仿佛它是由粒子组成的那样行为时，他是正确的。我们今天将它们称为光子。正如我们是由大量的原子构成，在日常生活中我们看到的光在这个意义上是复合的，即它是由大量的光子构成——甚至一瓦的夜灯每秒就发射出一百亿亿个光子。单独光子通常是不明显的，但是我们能在实验室产生这么微弱的一束光，它由一串单独的光子组成，我们可以把它当作单个检测，正如我们检测单独电子或巴基球那样。而且我们可以利用一束足够稀疏的光来重复杨实验，使得一次只有一个光子到达障碍，在每次到达之间相隔几秒钟。如果我们这么做，然后将所有记录在障碍另一方屏幕上的单独的撞击都加起来，我们就会发现它们一起累积成干涉条纹，这个条纹与我们进行达维孙——泽默实验但用电子(或巴基球)一次射一个到屏幕上所累积的条纹一样。对于物理学家，这是一个令人惊讶的启示：如果单独粒子和自身干涉，那么光的波动性质就不仅是一束或一大群光子的性质，而是单独粒子的性质。

　　量子物理的另一主要信条是由威纳海森伯在1926年表述的不确定性原理。不确定性原理告诉我们，对于我们同时测量一定数据，诸如一个粒子的位置和速度的能力存在限度。例如，根据不确定性原理，如果你将一个粒子位置的不确定性乘上它的动量(质量乘速度)的不确定性，其结果决不能比某一称为普朗克常数的固定的量更小。这是个绕口令，但可以将其要点叙述如下：你把速度测量得越精确，你就只能把位置测量得越不精确。例如，如果你将位置的不确定性减半，你必须将速度的不确定性加倍。和诸如米、公斤和秒的日常测量单位相比较，普朗克常数是非常小的，注意到这一点也很重要。

　　事实上，如果以这些为单位，它的值约为6\/10，000，000，000，000，000，000，000，000，000，000，000。由此，如果你将诸如质量为三分之一公斤的足球的宏观物体在任何方面都定位在1毫米之内，我们仍能将其速度测量到精度甚至远比每小时一千亿亿亿分之一公里高得多。那是因为，以这些单位测量，足球具有质量为1\/3，而位置不确定性为1\/1000。两者都不足以负责普朗克常数的所有那些零，这样责任就落到速度的不确定性上了。但是电子在同样单位下具有质量0.000000000000000000000000000001，所以对于电子情况完全不同。如果我们测量一个电子的位置，其精度大约对应于一个原子尺度，不确定性原理要求，我们知道电子的速度，精确度不可能比大约正负每秒1000公里更高，这一点也不精确。

　　根据量子物理，不管我们得到多少信息，也不管我们计算能力有多强，因为物理过程的结果不能无疑地被确定，所以不能无疑地被预言。相反地，在系统给定的初始状态下，自然通过一个根本不确定的过程来确定它的未来状态。换言之，即便在最简单的情形下，自然也不会要求任何过程或者实验的结果。更确切地说，它允许几个不同可能的结果，每一种结果具有确定的实现的可能性。解述爱因斯坦的话，仿佛上帝以投骰子来决定每一个物理过程的结果。这个思想使爱因斯坦苦恼，这样尽管他是量子物理的创始人之一，他后来却成为其批评者。

　　量子物理似乎会削弱自然受定律制约的观念，但事实并非如此。它反而引导我们去接受决定论的新形式：给定系统在某一瞬间的态，自然定律确定各种将来和过去的概率，而非肯定地确定将来和过去。尽管这不符合某些人的口味，科学家必须接受和实验相符的理论，而非他们自己的先入为主的观念。

　　科学所要求的是理论可被检验。如果量子物理预言的概率性质，意味着不可能证实那些预言，那么量子理论作为正确理论是不够格的。但是尽管它们预言的概率性质，我们仍然能够检测量子理论。例如，我们能够多次重复一个实验，并且证实不同结果的频率符合预言的概率。想想巴基球实验。量子物理告诉我们，任何东西都不能位于一个明确的点，因为否则的话，动量的不确定性就会是无限的。事实上，根据量子物理，在宇宙中任何地方都有找到任何粒子的某个概率。这样即便在双缝装置中找到一给定电子的机会非常高，在比邻星外，或在你办公室自助餐厅的肉馅马铃薯饼中，总会有些机会能找到它。由此，如果你把一个量子巴基球踢飞，不管你有多大技巧和知识都不允许你预先说它将准确地落在何处。但如果你多次重复该实验，你获得的资料就反映出在不同地方找到球的概率，而实验者已经证实这种实验结果和理论预言一致。