1700960880
1700960881
1700960882
另一个互补的例子:著名的人脸—花瓶图。把白色当作底色则见到两个相对的人脸;把黑色当作底色则见到白色的花瓶。
1700960883
1700960884
这幅图“本来”是人脸还是花瓶呢?那要取决于你采用哪一种观察方式,但没有什么绝对的“本来”,没有“绝对客观”的答案。
1700960885
1700960886
花瓶和人脸在这里是“互补”的,你看到其中的一种,就自动排除了另一种。
1700960887
1700960888
“第三次波粒战争”便以这样一种戏剧化的方式收场。而量子世界的这种奇妙结合,就是大名鼎鼎的“波粒二象性”。
1700960889
1700960891
Part. 4
1700960892
1700960893
三百年硝烟散尽,波和粒子以这样一种奇怪的方式达成妥协:两者原来是不可分割的一个整体。就像漫画中教皇善与恶的两面,虽然在每个确定的时刻,只有一面能够体现出来,但它们确实集中在一个人的身上。波和粒子是一对孪生兄弟,它们如此苦苦争斗,却原来是演出了一场物理学中的绝代双骄的故事,这令人拍案惊奇,唏嘘不已。
1700960894
1700960895
我们再回到上一章的最后,重温一下波和粒子在双缝前遇到的困境:电子选择左边的狭缝,还是右边的狭缝呢?现在我们知道,假如我们采用任其自然的观测方式,让它不受干扰地在空间中传播,这时候电子波动的一面就占了上风。它于是以某种方式同时穿过了两道狭缝,自身与自身发生干涉,其波函数ψ按照严格的干涉图形花样发展。但是,当它撞上感应屏的一刹那,观测方式发生了变化!电子突然和某种实物产生了交互作用―我们现在在试图探测电子的实际位置了!于是突然间,粒子性接管了一切,这个电子凝聚成一点,按照ψ的概率随机地出现在屏幕的某个地方。
1700960896
1700960897
假使我们在狭缝上安装仪器,试图测出电子究竟通过了哪一边,注意,这是另一种完全不同的观测方式!我们试图探测电子在通过狭缝时的实际位置,可是只有粒子才有实际的位置。这实际上是我们施加的一种暗示,让电子早早地展现出粒子性。事实上,的确只有一边的仪器将记录下它的踪影,但同时干涉条纹也被消灭,因为波动性随着粒子性的唤起而消失了。我们终于明白,电子如何表现,完全取决于我们如何观测它。种瓜得瓜,种豆得豆,想记录它的位置?好,那是粒子的属性,电子善解人意,便表现出粒子性来,同时也就没有干涉。不作这样的企图,电子就表现出波动性来,穿过两道狭缝并形成熟悉的干涉条纹。
1700960898
1700960899
量子派物理学家现在终于逐渐领悟到了事情的真相:我们的结论和我们的观测行为本身大有联系。这就像那匹马是白的还是红的,这个结论和我们用什么样的方法去观察它有关系。有些看官可能还不服气:“真相只有一个”,亲眼看见的才是唯一的真实。色盲是视力缺陷,眼镜是外部装备,这些怎么能够说是看到“真实”呢?其实没什么分别,它们不外乎是两种不同的观测方式罢了,我们的论点是,根本不存在所谓的柏拉图式的“真实”。
1700960900
1700960901
好吧,现在我视力良好,也不戴任何装置,看到马是白色的。那么,它当真是白色的吗?其实我说这话前,已经隐含了一个默认的观测方式:“用人类正常的肉眼,在普通光线下看来,马呈现出白色。”再技术化一点,人眼只能感受可见光,波长在400~760纳米,这些频段的光混合在一起才形成我们印象中的白色。所以我们论断的前提就是,在400~760纳米的光谱区感受马,它是白色的。
1700960902
1700960903
许多昆虫,比如蜜蜂,它的复眼所感受的光谱是大大不同的。蜜蜂看不见波长比黄光还长的光,却对紫外线很敏感。在它看来,这匹马大概是一种蓝紫色,甚至它可能绘声绘色地向你描绘一种难以想象的“紫外色”。现在你和蜜蜂吵起来了,你坚持这马是白色的,而蜜蜂一口咬定是蓝紫色。你和蜜蜂谁对谁错呢?其实都对。那么,马怎么可能又是白色又是紫色呢?其实是你们的观测手段不同罢了。对于蜜蜂来说,它也是“亲眼”见到,人并不比蜜蜂拥有更多的正确性,离“真相”更近一点。话说回来,色盲只是对某些频段的光有盲点,眼镜只不过加上一个滤镜,本质上都是一种特定的观测方式而已,也没理由说它们看到的就是“虚假”。
1700960904
1700960905
事实上,没有什么“客观真相”。讨论马“本质上”到底是什么颜色,正如我们已经指出过的,是很无聊的行为。每一个关于颜色的论断,都是结合某种观测方式而作出的,如果脱离了观测手段,就根本不存在一个绝对的所谓“本色”。
1700960906
1700960907
玻尔也好,海森堡也好,现在终于都明白:谈论任何物理量都是没有意义的,除非首先描述你测量这个物理量的方式。一个电子的动量是什么?我不知道,一个电子没有什么绝对的动量,不过假如你告诉我你打算怎么去测量,我倒可以告诉你测量结果会是什么。根据测量方式的不同,这个动量可以从十分精确一直到万分模糊,这些结果都是可能的,也都是正确的。一个电子的动量,只有当你测量时,才有意义。假如这不好理解,想象有人在纸上画了两横夹一竖,问你这是什么字。嗯,这是一个“工”字,但也可能是横过来的“H”,在他没告诉你怎么看之前,这个问题是没有定论的。现在,你被告知:“这个图案的看法应该是横过来看。”这下我们明确了:这是一个大写字母H。只有观测手段明确之后,答案才有意义。而脱离了观测手段去讨论这个图案“本质上”到底是“工”还是“H”,这个问题却是无意义的。
1700960908
1700960909
1700960910
1700960911
1700960912
“本质”是无意义的说法
1700960913
1700960914
测量!在经典理论中,这不是一个被考虑的问题。测量一块石头的重量,我用天平、用弹簧秤、用磅秤,或者用电子秤做,理论上是没有什么区别的。在经典理论看来,石头是处在一个绝对的、客观的外部世界中,而我―观测者―对这个世界是没有影响的,至少,这种影响是微小得可以忽略不计的。你测得的数据是多少,石头的“客观重量”就是多少。但量子世界就不同了,我们已经看到,我们测量的对象都是如此微小,以致我们的介入对其产生了致命的干预。我们本身的扰动使得我们的测量中充满了不确定性,从原则上都无法克服。采取不同的手段,往往会得到不同的答案,它们随着不确定性原理摇摇摆摆,你根本不能说有一个客观确定的答案在那里。在量子论中没有外部世界和我之分,我们和客观世界天人合一,融合成为一体,我们和观测物互相影响,使得测量行为成为一种难以把握的手段。在量子世界,一个电子并没有什么“客观动量”,我们能谈论的,只有它的“测量动量”,而这又和我们的测量手段密切相关。
1700960915
1700960916
各位,我们已经身陷量子论那奇怪的沼泽中了,我只希望大家不要过于头昏脑涨,因为接下来还有无数更稀奇古怪的东西,错过了未免可惜。我很抱歉,这几节我们似乎沉浸于一种玄奥的哲学讨论,而且似乎还要继续讨论下去。这是因为量子革命牵涉到我们世界观的根本变革,以及我们对于宇宙的认识方法。量子论的背后有一些非常形而上的东西,它使得我们的理性战战兢兢,汗不敢出。但是,为了理解量子论的伟大力量,我们又无法绕开这些而自欺欺人地盲目前进。如果你从史话的一开始跟着我一起走到了现在,我至少对你的勇气和毅力表示赞赏,但我也无法给你更多的帮助。假如你感到困惑彷徨,那么玻尔的名言―“如果谁不为量子论而感到困惑,那他就是没有理解量子论”,或许可以给你一些安慰(假如这还不够,那就再加上费曼的一句“没人能理解量子论”)。而且,正如我们之后即将描述的那样,你也许应该感到非常自豪,因为爱因斯坦对此的困惑彷徨,实在不比你少到哪里去。
1700960917
1700960918
但现在,我们必须走得更远。上面一段文字只是给大家一个小小的喘息机会,我们这就继续出发了。
1700960919
1700960920
如果不定义一个测量动量的方式,那么我们谈论电子动量就是没有意义的?这听上去似乎是一种唯心主义的说法。难道我们无法测量电子,它就没有动量了吗?让我们非常惊讶和尴尬的是,玻尔和海森堡两个人对此大点其头。一点也不错,假如一个物理概念是无法测量的,它就是没有意义的。我们要时时刻刻注意,在量子论中观测者是和外部宇宙结合在一起的,它们之间现在已经没有明确的分界线,是一个整体。在经典理论中,我们脱离一个绝对客观的外部世界而存在,我们也许不了解这个世界的某些因素,但这不影响其客观性。可如今我们自己也已经融入这个世界了,对于这个物我合一的世界来说,任何东西都应该是可以测量和感知的。只有可观测的量才是存在的!
1700960921
1700960922
著名的科普作家卡尔·萨根(Carl Sagan)曾经在《魔鬼出没的世界》里举过一个很有意思的例子,虽然不是直接关于量子论的,但颇能说明问题。
1700960923
1700960924
1700960925
1700960926
1700960927
没有定义观测方式,空谈“隐形火龙”是毫无意义的。
1700960928
1700960929
“我的车库里有一条喷火的龙!”他这样声称。
[
上一页 ]
[ :1.70096088e+09 ]
[
下一页 ]