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量子力學(xué)原理

為了確定起見(jiàn)，我們用光做實(shí)驗(yàn)。按照通常的命名法，光量子稱(chēng)為“光子”。光作為粒子(亦即光子)的呈現(xiàn)最清楚地發(fā)生在屏幕上。光以分立的定域性的能量單位到達(dá)那里，這能量按照普郎克公式E=hv恒定地和頻率相關(guān)。從未接收過(guò)“半個(gè)”(或任何部分，光子的能量雙縫實(shí)驗(yàn)。光接收是以光子單位的完全有或完全沒(méi)有的現(xiàn)象。只有整數(shù)個(gè)光子才被觀(guān)察到。

然而，光子通過(guò)縫隙時(shí)似乎產(chǎn)生了類(lèi)波動(dòng)的行為。先假定只有一條縫是開(kāi)的(另一條縫被堵住)。光通過(guò)該縫后就被散開(kāi)來(lái)，這是被稱(chēng)作光衍射的波動(dòng)傳播的一個(gè)特征。但是，這些對(duì)于粒子的圖像仍是成立的。可以想象縫隙的邊緣附近的某種影響使光子隨機(jī)地偏折到兩邊去。當(dāng)相當(dāng)強(qiáng)的光也就是大量的光子通過(guò)縫隙時(shí)，屏幕上的照度顯得非常均勻。但是如果降低光強(qiáng)度，則人們可斷定，其亮度分布的確是由單獨(dú)的斑點(diǎn)組成——和粒子圖像相一致——是單獨(dú)的光子打到屏幕上。亮度光滑的表觀(guān)是由于大量的光子參與的統(tǒng)計(jì)效應(yīng)。(為了比較起見(jiàn)，一個(gè)60瓦的電燈泡每一秒鐘大約發(fā)射出10^20個(gè)光子!)光子在通過(guò)狹縫時(shí)的確被隨機(jī)地彎折——彎折角不同則概率不同，就這樣地得到了所觀(guān)察到的亮度分布。

然而，當(dāng)我們打開(kāi)另一條縫隙時(shí)就出現(xiàn)了粒子圖像的關(guān)鍵問(wèn)題!假設(shè)光是來(lái)自于一個(gè)黃色的鈉燈，這樣它基本上具有純粹的非混合的顏色——用技術(shù)上的術(shù)語(yǔ)稱(chēng)為單色的，也即具有確定的波長(zhǎng)或頻率。在粒子圖像中，這表明所有光子具有同樣的能量。此處波長(zhǎng)約為5×10-7米。假定縫隙的寬度約為0.001毫米，而且兩縫相距0.15毫米左右，屏幕大概在一米那么遠(yuǎn)。在相當(dāng)強(qiáng)的光源照射下，我們?nèi)匀坏玫搅艘?guī)則的亮度模式。但是現(xiàn)在我們?cè)谄聊恢行母浇煽吹酱蠹s三毫米寬的稱(chēng)為干涉模式的條紋的波動(dòng)形狀。我們也許會(huì)期望第二個(gè)縫隙的打開(kāi)會(huì)簡(jiǎn)單地把屏幕的光強(qiáng)加倍。如果我們考慮總的照度，這是對(duì)的。但是現(xiàn)在強(qiáng)度的模式的細(xì)節(jié)和單縫時(shí)完全不同。屏幕上的一些點(diǎn)——也就是模式在該處最亮處——照度為以前的四倍，而不僅僅是二倍。在另外的一些點(diǎn)——也就是模式在該處最暗處——光強(qiáng)為零。強(qiáng)度為零的點(diǎn)給粒子圖像帶來(lái)了最大的困惑。這些點(diǎn)是只有一條縫打開(kāi)時(shí)粒子非常樂(lè)意來(lái)的地方。現(xiàn)在我們打開(kāi)了另一條縫，忽然發(fā)現(xiàn)不知怎么搞的光子被防止跑到那里去。我們讓光子通過(guò)另一條途徑時(shí)，怎么會(huì)在實(shí)際上變成它在任何一條途徑都通不過(guò)呢·

二、光的波動(dòng)

在光子的情形下，如果我們?nèi)∷牟ㄩL(zhǎng)作為其“尺度”的度量，則第二條縫離開(kāi)第一條縫大約有300倍“光子尺度”那么遠(yuǎn)(每一條縫大約有兩個(gè)波長(zhǎng)寬)，這樣當(dāng)光子通過(guò)一條縫時(shí)，它怎么會(huì)知道另一條縫是否被打開(kāi)呢·事實(shí)上，對(duì)于“對(duì)消”或者“加強(qiáng)”現(xiàn)象的發(fā)生，兩條縫之間的距離在原則上沒(méi)有受到什么限制。

當(dāng)光通過(guò)縫隙時(shí)，它似乎像波動(dòng)而不像粒子那樣行為。這種抵消——對(duì)消干涉——是波動(dòng)的一個(gè)眾所周知的性質(zhì)。如來(lái)兩條路徑的每一條分別都可讓光通過(guò)，而現(xiàn)在兩條同時(shí)都開(kāi)放，則它們完全可能會(huì)相互抵消。我解釋了何以致此。如果從一條縫隙來(lái)的一部分光和從另一條縫隙來(lái)的“同相”(也就是兩個(gè)部分波的波峰同時(shí)發(fā)生，波谷也同時(shí)發(fā)生)，則它們將互相加強(qiáng)。但是如果它們剛好“反相”(也就是一個(gè)部分波的波峰重疊到另一部分的波谷上)，則它們將互相抵消。在雙縫實(shí)驗(yàn)中，只要屏幕上到兩縫隙的距離之差為波長(zhǎng)的整數(shù)倍的地方，則波峰和波峰則分別在一起發(fā)生，因而是亮的。如果距離差剛好是這些值的中間，則波峰就重疊到波谷上去，該處就是暗的。關(guān)于通常宏觀(guān)的經(jīng)典波動(dòng)同時(shí)以這種方式通過(guò)兩個(gè)縫隙沒(méi)有任何困惑之處。波動(dòng)畢竟只是某種媒質(zhì)(場(chǎng))或者某種包含有無(wú)數(shù)很小點(diǎn)狀粒子的物體的一種“擾動(dòng)”。擾動(dòng)可以一部分通過(guò)一條縫隙，另一部分通過(guò)另一條縫隙。但是這里的情況非常不同;每一個(gè)單獨(dú)光子自身是完整的波動(dòng)!在某種意義上講，每個(gè)粒子一下通過(guò)兩條縫隙并且和自身干涉!人們可將光強(qiáng)降得足夠低使得保證任一時(shí)刻不會(huì)有多于一個(gè)光子通過(guò)縫隙的附近。對(duì)消干涉現(xiàn)象，因之使得兩個(gè)不同途徑的光子互相抵消其實(shí)現(xiàn)的可能性，是加在單獨(dú)光子之上的某種東西。如果兩個(gè)途徑之中只有一個(gè)開(kāi)放，則光子就通過(guò)那個(gè)途徑。但是如果兩者都開(kāi)放，則兩種可能性奇跡般地互相抵消，而發(fā)現(xiàn)光子不能通過(guò)任一條縫隙!

光子是否在實(shí)際上分成了兩半并各自穿過(guò)一條縫隙呢·大多數(shù)物理學(xué)對(duì)這雙縫實(shí)驗(yàn)樣的描述事物的方式持否定態(tài)度。他們堅(jiān)持說(shuō)，兩條途徑為粒子開(kāi)放時(shí)，它們都對(duì)最后的效應(yīng)有貢獻(xiàn)。它們只是二中擇一的途徑，不應(yīng)該認(rèn)為粒子為了通過(guò)縫隙而被分成兩半。我們可以考慮修正一下實(shí)驗(yàn)，把一個(gè)粒子探測(cè)器放在其中的一條縫隙，用來(lái)支持粒子不能分成兩部分再分別通過(guò)兩縫隙的觀(guān)點(diǎn)。由于用它觀(guān)測(cè)時(shí)，光子或任何其他種類(lèi)的粒子總是作為單獨(dú)整體而不是整體的一部分而出現(xiàn)，我們的探測(cè)器不是探測(cè)到整個(gè)光子，就是根本什么也沒(méi)探測(cè)到。然而，當(dāng)把探測(cè)器放在其中的一條縫隙處，使得觀(guān)察者能說(shuō)出光子是從哪一條縫隙通過(guò)時(shí)，屏幕上的波浪狀的干涉花樣就消失了。為了使干涉發(fā)生，顯然必須對(duì)粒子“實(shí)際上”通過(guò)那一條縫隙“缺乏知識(shí)”。

為了得到干涉，兩個(gè)不同選擇都必須有貢獻(xiàn)，有時(shí)“相加”——正如人們預(yù)料的那樣相互加強(qiáng)到兩倍——有時(shí)“相減”——這樣兩者會(huì)神秘地相互“抵消”掉。事實(shí)上，按照量子力學(xué)的規(guī)則，所發(fā)生的事比這些還更神秘!兩種選擇的確可以相加(屏幕上最亮的點(diǎn))，兩者也的確可以相減(暗點(diǎn));但它們實(shí)際上也會(huì)以另外奇怪的組合形式結(jié)合在一起，例如“選擇A”加上i乘以“選擇B”，事實(shí)上任何復(fù)數(shù)都能在“不同選擇的組合”中起作用!

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