第7章 可擇曆史 (1)

1999年一組物理學家在奧地利向一個障礙射出一串足球狀的分子。那些每個由60個碳原子組成的分子有時被稱作巴基球，因為建築學家巴克明富勒建設過那種形狀的的建築物。富勒的短程線圓頂結構也許是存在的最大的足球狀的物體，而巴基球卻是最小的。科學家瞄準的障礙實際上具有兩道巴基球能通過的窄縫。在牆後麵，物理學家置放一個相當於屏幕的東西以檢驗和計數出現的分子。

如果我們用真的足球建立一個類似的實驗，我們就需要一位目標彌散但具有以我們選取的速率一致地發球能力的球手。我們將這個球手放在有兩條窄縫的牆之前。在牆的另一邊，我們平行地放張長網。球手射出的球多數都打到牆上被彈回，在牆的另一麵出現的兩束高度平行的足球的流注。如果縫隙隻比足球稍寬些，每一束流注就會以扇形展開一些，正如下圖所示。

請注意，如果我們關閉一道縫隙，其相應的足球的流注就不再通過，但這對另一束流注沒有影響。如果我們重開第二道縫隙，那隻會增加落到另一邊的任何給定點的球的數目，因為那時我們就會得到通過一直開著的縫隙的球再加上從新開的縫隙來的其它球。換言之，在兩道縫隙都打開時，我們觀察到的是我們在牆上的每道縫隙分別打開時觀察到的總和。這是我們在日常生活中習以為常的現實。但這不是奧地利研究者在射出他們的分子時發現的情形。

在奧地利實驗中，打開第二道縫隙的確在屏幕上一些點上的到達的分子數目增加了——但在他處這個數目減少了，正如下圖所示。事實上，當兩道縫隙都打開時存在一些地方巴基球根本不到，而就在這些地方，當兩道縫隙中隻有任何一道打開時球確實到達。這似乎非常古怪。打開第二道縫隙何以使到達某些點的分子變得更少呢？

我們可由審視細節獲得答案的線索。在這個實驗中，許多分子足球打到如果球分別通過這道縫隙或那道縫隙時，你預料它們擊中之處的中點。非常少的分子到達偏離中點稍遠處，但是在離那個中心更遠些處，你又會觀測到分子到達。這種模式不是每個縫隙分別打開時形成的模式之和，但是你可以從第三章作為幹涉波的特征條紋將它認出。沒有分子到達的地方對應於從兩縫發射來的波到達時反相，並產生破壞性幹涉；而許多分子到達的地方對應於波到達時同相，並產生建設性幹涉。

在科學思想的最初兩千年左右，科學解釋是基於通常的經驗和直覺之上。隨著我們改善技術並擴展可能觀測的現象範圍，我們開始發現自然行為的方式和我們的日常經驗，也因此和我們的直覺越來越不一致，正如巴基球實驗所顯示的那樣。那個實驗是不能被包括在經典科學中，而隻能被稱作量子物理的所描述的有代表性的那一類現象。事實上，理查德費恩曼寫道：如上麵我們所描述的那個雙縫實驗“包含了量子力學的所有秘密。”

在發現牛頓理論不足以描述在原子或次原子水平上的自然之後，二十世紀的前期發展了量子物理的原理。物理的基本理論描述自然的力和物體對這些力如何反應。諸如牛頓的經典理論是在反映日常經驗的框架的基礎上建立的。物體在其中具有單獨的存在，能位於一個確定的位置，遵循確定的路徑等。量子物理為理解自然如何在原子和次原子尺度下的運行提供框架，但正如我們將更仔細看到的，它要求完全不同的概念綱要，在那裏物體的位置，路徑甚至其過去和未來都不能被精密確定。諸如引力或者電磁力的力的量子理論就是在那個框架中建立的。

基於和日常經驗如此陌生的框架上所建立的理論還能解釋被經典物理如此精確地塑造的尋常經驗嗎？它們能，因為我們以及我們周圍是複合結構，是由不能想象的那麽大量的原子組成，原子的數量比在可觀察宇宙中的恒星數量還要多。而盡管組成部分的原子服從量子物理原理，人們可以證明，大群體形成足球，大頭菜和珍寶飛機——以及我們——的原子確能避免通過縫隙時繞射。這樣，雖然日常物體的組成部分服從量子物理，牛頓定律還是形成一個有效理論，它非常精確地描述形成我們日常世界的組合結構如何行為。

這似乎聽起來很奇怪，但是在科學中有許多情形，大群體以與它單獨成分的行為不同的方式行為。一個單獨神經元的反應幾乎毫無人腦反應的預兆，有關水分子的知識也未告訴你多少湖的行為。在量子物理中的情形，物理學家仍在努力捉摸從量子領域如何湧現牛頓定律的細節。我們所知道的是，所有物體的部分服從量子物理定律，而牛頓定律以很好的近似描述由那些量子成分構成的宏觀物體的行為方式。

因此，牛頓理論的預言和我們大家在經曆周圍世界時發展的實在性觀點相符合。但是單個原子和分子以一種和我們日常經驗根本不同的方式行為。量子物理是一種新的實在模型，它為我們提供了宇宙的圖像。這是一種這樣的圖像，對我們直觀理解實在性的許多很基本的概念在其中都不再具有意義。

1927年貝爾實驗室的實驗物理學家克林頓達維孫和勒斯特澤默首次實現了雙縫實驗，他們是在研究一束電子——比巴基球簡單得多的物體——如何與鎳晶體相互作用。諸如電子的物質粒子像水波那樣行為的事實是啟示量子物理的一類驚人實驗。由於在宏觀尺度下觀察不到這類行為，長期以來，科學家對剛好仍然能顯示這種類波性質的某物可以多大多複雜感到好奇。如果可以利用人或者河馬來演示這個效應一定會引起轟動，但正如我們說過的，物體越大則量子效應就越微弱，越不明顯。這樣任何動物園動物不太可能以類波形式通過它們籠子的柵欄。盡管如此，實驗物理學家仍觀察到了不斷增大尺度的粒子的波動現象。科學家希望有朝一日使用病毒重做巴基球實驗，病毒不僅大得多，還被某些人認為是具有生命的東西。

為了理解我們將在後麵幾章的論證，量子物理隻有一些方麵是必須的。關鍵特點之一是波/粒對偶性。物質粒子象波那樣行為使所有人驚訝，而光象波那樣行為就不再引起任何人驚訝。光的類波行為對我們似乎是自然的，並且在幾乎兩個世紀的時間裏被認為是接受了的事實。如果你在上麵的實驗中將一束光照在兩道縫隙上，兩個波會出現並在屏幕上相遇。它們的波峰和波穀分別在某些點上重合並形成亮斑；在另外點上一束波的波峰會和另一束的波穀相遇，而留下暗的區域。英國物理學家托瑪斯楊在19世紀早期進行了這個實驗，使人們信服光是波，而非如牛頓曾經相信的，由粒子構成。

盡管人們也許會得出結論說，牛頓說光不是一個波時他是錯了，但當他說光能以仿佛它是由粒子組成的那樣行為時，他是正確的。我們今天將它們稱為光子。正如我們是由大量的原子構成，在日常生活中我們看到的光在這個意義上是複合的，即它是由大量的光子構成——甚至一瓦的夜燈每秒就發射出一百億億個光子。單獨光子通常是不明顯的，但是我們能在實驗室產生這麽微弱的一束光，它由一串單獨的光子組成，我們可以把它當作單個檢測，正如我們檢測單獨電子或巴基球那樣。而且我們可以利用一束足夠稀疏的光來重複楊實驗，使得一次隻有一個光子到達障礙，在每次到達之間相隔幾秒鍾。如果我們這麽做，然後將所有記錄在障礙另一方屏幕上的單獨的撞擊都加起來，我們就會發現它們一起累積成幹涉條紋，這個條紋與我們進行達維孫——澤默實驗但用電子(或巴基球)一次射一個到屏幕上所累積的條紋一樣。對於物理學家，這是一個令人驚訝的啟示：如果單獨粒子和自身幹涉，那麽光的波動性質就不僅是一束或一大群光子的性質，而是單獨粒子的性質。

量子物理的另一主要信條是由威納海森伯在1926年表述的不確定性原理。不確定性原理告訴我們，對於我們同時測量一定數據，諸如一個粒子的位置和速度的能力存在限度。例如，根據不確定性原理，如果你將一個粒子位置的不確定性乘上它的動量(質量乘速度)的不確定性，其結果決不能比某一稱為普朗克常數的固定的量更小。這是個繞口令，但可以將其要點敘述如下：你把速度測量得越精確，你就隻能把位置測量得越不精確。例如，如果你將位置的不確定性減半，你必須將速度的不確定性加倍。和諸如米、公斤和秒的日常測量單位相比較，普朗克常數是非常小的，注意到這一點也很重要。

事實上，如果以這些為單位，它的值約為6/10，000，000，000，000，000，000，000，000，000，000，000。由此，如果你將諸如質量為三分之一公斤的足球的宏觀物體在任何方麵都定位在1毫米之內，我們仍能將其速度測量到精度甚至遠比每小時一千億億億分之一公裏高得多。那是因為，以這些單位測量，足球具有質量為1/3，而位置不確定性為1/1000。兩者都不足以負責普朗克常數的所有那些零，這樣責任就落到速度的不確定性上了。但是電子在同樣單位下具有質量0.000000000000000000000000000001，所以對於電子情況完全不同。如果我們測量一個電子的位置，其精度大約對應於一個原子尺度，不確定性原理要求，我們知道電子的速度，精確度不可能比大約正負每秒1000公裏更高，這一點也不精確。

根據量子物理，不管我們得到多少信息，也不管我們計算能力有多強，因為物理過程的結果不能無疑地被確定，所以不能無疑地被預言。相反地，在係統給定的初始狀態下，自然通過一個根本不確定的過程來確定它的未來狀態。換言之，即便在最簡單的情形下，自然也不會要求任何過程或者實驗的結果。更確切地說，它允許幾個不同可能的結果，每一種結果具有確定的實現的可能性。解述愛因斯坦的話，仿佛上帝以投骰子來決定每一個物理過程的結果。這個思想使愛因斯坦苦惱，這樣盡管他是量子物理的創始人之一，他後來卻成為其批評者。

量子物理似乎會削弱自然受定律製約的觀念，但事實並非如此。它反而引導我們去接受決定論的新形式：給定係統在某一瞬間的態，自然定律確定各種將來和過去的概率，而非肯定地確定將來和過去。盡管這不符合某些人的口味，科學家必須接受和實驗相符的理論，而非他們自己的先入為主的觀念。

科學所要求的是理論可被檢驗。如果量子物理預言的概率性質，意味著不可能證實那些預言，那麽量子理論作為正確理論是不夠格的。但是盡管它們預言的概率性質，我們仍然能夠檢測量子理論。例如，我們能夠多次重複一個實驗，並且證實不同結果的頻率符合預言的概率。想想巴基球實驗。量子物理告訴我們，任何東西都不能位於一個明確的點，因為否則的話，動量的不確定性就會是無限的。事實上，根據量子物理，在宇宙中任何地方都有找到任何粒子的某個概率。這樣即便在雙縫裝置中找到一給定電子的機會非常高，在比鄰星外，或在你辦公室自助餐廳的肉餡馬鈴薯餅中，總會有些機會能找到它。由此，如果你把一個量子巴基球踢飛，不管你有多大技巧和知識都不允許你預先說它將準確地落在何處。但如果你多次重複該實驗，你獲得的資料就反映出在不同地方找到球的概率，而實驗者已經證實這種實驗結果和理論預言一致。