这个世界——星星、地球,月亮、桌子、质子、电子等,是客观存在的,从日常观察中,对此你可能深信不疑。我们都看到过月亮,我们每个人描述的月亮基本都一样,所以月亮应该是客观存在的。现在我们说,质子或电子呢,那些基本粒子是不是客观存在的呢?这个问题很重要,因为能被我们感知的世界,如月亮等主要是由质子组成的。如果月亮是客观存在,那么质子应该也是客观存在的。逻辑上应该如此,但下面的实验,让你不那么确定基本粒子和宏观物体是同一类客观存在的物质。
在一面墙上有两个平行的狭缝,在墙后面有一个荧光屏。每隔一秒我们就朝狭缝发射一枚电子,电子就会穿过狭缝落到荧光屏上,然后激出一个光点。这好像没有什么稀奇的。有些电子可能没有达到荧光屏,但那些在荧光屏上的两点,东一个,西一个的,没什么规律,也没什么意思。你不知道哪些电子会击到荧光屏,哪些击到荧光屏的,落到什么位置。
就这样一个电子一个电子的发射,后面屏幕上一个光点一个光点闪耀着,枯燥而乏味。起初电子数比较少的时候,屏幕上的光点位置随机而散乱,看上去毫无规律可循,当电子的数量多了以后,屏幕上的光点的痕迹组成一条条明暗相间的条纹,如图1所示。这就是波的干涉现象,与水波的干涉条纹相似,如图2所示。
电子到底是一个点还是一列波?
是点,因为我们在屏幕上看到的电子的痕迹是一个光斑,而不是一列波。
只是,你在屏幕上所看到不是电子,而是电子在屏幕上的像。
如果把一列波发射出去,你能在屏幕上呈现一个点吗?
如何证明一列波也是一个粒子呢?
电子与自身干涉的唯一解释是,当两个狭缝打开时,它同时穿过两个狭缝。
显然,电子的两个部分又以某种方式结合在一起,导致屏幕上的一个点闪光。量子世界真的很令人费解。尽管波函数是离域的,但测量给出了它的单点位置(退相干)。一个电子是如何同时通过两个缝隙呢?我们并不理解这一点,但这就是所发生的事情。
既然电子必须同时穿过两个狭缝才能产生干涉现象,那么有没有可能,在两个狭缝的位置同时测量的一个电子的光点呢?
没有。
所有的实验都表明,对于一个电子,你只能在某一个狭缝位置测得一个光点。
这是不可能的!既然电子从一个狭缝位置通过,就不可能产生干涉现象。
但是所有的不可能都已经被实验所证实了。
你只能在一个狭缝上测量到某个电子的光点,同时也有干涉现象。
所以这就是量子力学的诡异之处。
玻尔说,电子本来以波的形式在空间内运动,但你测量的时候,它立马就变成了一个点——退相干。
所以我们只能认为电子和月球是完全不同的事物,总是发生诡异的、常人无法理解的行为。
但作为基本粒子,质子也发生干涉现象。质子的质量比电子大42 000倍,如果把电子看做一个玻璃球的话,质子就相当于是一艘巨型远洋货轮。
远洋货轮通过狭缝也发生了干涉现象。
1999年,富勒烯的干涉现象也被发现了。富勒烯是一个巨大的C60分子,比电子的质量大100万倍。
经过干涉实验以后,富勒烯结构完好,连个毛毛都没少。
有趣。
但诡异。
既然在双缝实验中,电子有干涉现象,能不能证明电子可以同时穿过三个、甚至多个狭缝?