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概率的烦恼：量子贝叶斯拯救薛定谔的猫 [:1700964148]
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概率的烦恼：量子贝叶斯拯救薛定谔的猫 第3节 波粒二象性
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光子是奇怪的野兽。如果你打算重复双缝实验，并保留到达的光子图像（就像用纸作为目标去保留由来复枪制造的弹洞），你可以注视着图像的发展过程，并且同时观测双缝每一半的光的特性，即波和粒子的双重属性。让光的亮度变弱，使其平均每分钟只释放一个光子。刚开始，屏幕是黑的。然后一个点在某个地方出现了——“砰”的一声，一个很小的孔出现了，意味着有一个光子到达了屏幕。“砰砰”声之间的间隔是随机的：砰—停一下—砰砰砰—长暂停—砰砰—短暂停—砰砰—砰砰砰砰，如此周而复始。在很长一段时间内，这些点看上去是随机散布在屏幕上。但是，当成百上千的光子击打在屏幕上时，你会开始看到一个图样：很有规律的间隔、条纹状图案平行于双缝（见图1.8）。如果你等候足够长的时间，等到成千上万的光子落在屏幕上时，一个很明显的双缝干涉特征条纹的图样就产生了。
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图1.8
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分立的粒子产生了这些点，尽管这些条纹为光是波这一论点提供了无可辩驳的证据。或许你会饶有兴趣地耸肩，指出水波是由无数的H2O分子组成的，那么为什么说到光具有类波和粒子性的时候会如此大惊小怪呢？微妙之处在于时序。水波（像球迷在足球场玩起人浪一样）是由无数个单元组成，而每个单元和其他相邻的单元之间通过某种方式彼此连接，所以才表现得整齐一致。但是从激光器射出的光子到达屏幕间隔了很长时间，不可能存在某种联系和交流机会让它们去调整自己的位置。它们可以在抵达间隔数小时而不是几分钟，而图样仍旧一样。这个过程就像上万盲人和聋子观众在不彼此接触的情况下玩人浪。这就像魔术一样，让人感到不可思议。
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如果20世纪早期的物理学家对光子的波粒二象性感到不可思议，很快他们会更加震惊。从1923年开始，他们逐渐意识到波可以表现得像粒子一样，反过来也是成立的：电子一直以来被认为是粒子，同样能表现得像波一样。这个令人震惊的结论，以极高的精度在类似于双缝的试验中得到了证明。激光被替换成电子流，束流强度可以像激光一样调整，并且这个双缝要远比自制的光的双缝干涉实验要小且距离更近。替换空白的墙或者摄影胶片的是一个荧光屏幕，这个屏幕会在电子撞击的时候闪光。可实验结果几乎一模一样：点以随机时间间隔出现并且位置飘忽不定，但是最终慢慢地变成了一个完美的平行干涉条纹（请在第五节阅读更多相关内容）。
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历史总是十分巧合和讽刺，波粒二象性也巧妙地体现在英国的一对父子物理学家身上，这两个人帮助奠定了现在所知的量子理论的基础。在1906年，J.J.汤姆森（J.J.Thomson，1856—1940），当时的物理实验大师之一，通过使用电场记录电子类似于高尔夫球在地球引力场中路径一样的抛物线轨迹，证明了电子是一种粒子，并因此获得了诺贝尔奖。31年之后，他的儿子G.P.汤姆森（G.P.Thomson，1892—1975），跟随他父亲的脚步，通过展示电子的破坏性干涉从而证明了电子是波，因此也获得了诺贝尔奖。
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这对父子中的父亲，也是位优雅的作家。他总结了这个困境：“（物理中波粒二象性这个观点）就像老虎和鲨鱼之间的争斗一样：每一个在自己的领域都拥有至高无上的霸权，但是在对方的领地却是无能的。”想象一下，光子或者电子作为一种粒子而言，都无法解释双缝干涉。当把它们当作一种波时，则无法解释光电效应。波的理论和粒子的理论似乎无法兼容。
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J.J.汤姆森话中提到的这两个理论，如同鲨鱼和老虎一样从根本上就是不同的，对应着光子和电子在不同的环境中的状态。这种解释并不能使急切寻找真理的我们得到满足。物理学的目标不仅仅是讲述关于我们这个物质宇宙中每个物体和事件令人信服的故事，更是去制造一个单独的史诗般的作品，一个描述我们所在自然界的一致性的理论。没有谁比爱因斯坦对寻找统一理论更有激情，而且他在鲨鱼和老虎之间的激烈竞争中已经独领风骚。早在1909年，即提出光量子之后4年，量子力学诞生前6年，他在德国物理学家的一次会议上在报告中预测：“我相信，在下一个理论物理发展的时期，将会有一个新的关于光的理论，这个理论是波和粒子理论的融合。”他很明确地知道需要什么，即使他并不完全满意所得到的解答。
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波粒二象性的麻烦也是显而易见的。波和粒子是我们从日常的、宏观的牛顿世界中获得的不同分类，这对于原子领域是不够的。光子并不像海波或者子弹，电子也不是。它们和日常的波和粒子在一些特点上具有共同之处，可并不是每一个特征都是一样的。那么它们该是怎样的呢？我们无法如《爱丽丝梦游仙境》中的爱丽丝那样将自己缩小到原子的尺度，然后自己去看基本粒子在其所处的环境中的行为是怎样的。我们所能做的，就是用我们的想象力帮助我们去画出一幅与人类尺度的实验室中所观察到的现象一致的图像。
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为了调和不相容的波和粒子的类别，“波粒”（wavicle）这个术语曾被建议来描述电子，但不幸的是，这个丑陋而且非正式的词从来都没有流行起来。我的朋友罗尔夫·温特（Rolf Winter）受J.J.汤姆森用动物做类比的鼓舞，更加生动地把电子比作鸭嘴兽。18世纪时，当探险者第一次把鸭嘴兽从澳大利亚带到欧洲时，大学里知识渊博的博物学家宣称这种动物是伪造的，只不过是把其他动物的身体拼凑在一起。“爬行类动物不会哺乳。”“同时是哺乳类和爬行类的动物是不存在的，因此它不过是一个恶作剧。”他们信誓旦旦地说道。然而，他们所创造的分类是通过自身有限的观察所得到的，这最终被证明是不足以描述地球生物的丰富多样。同样地，光子和电子是可以表现为波的粒子以及可以表现为粒子的波。就像鸭嘴兽一样，他们忽略了这个分类是从不恰当的前例得到的。
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为了继续向前发展，而不是停留在发明无用的诸如“波粒”这样的新词以及将它和外来的生物做比较，则需要更激进的方法。1909年，爱因斯坦倡议波和粒子的理论融合并没有得到响应，直到1925年量子力学诞生。然而，量子力学在它诞生之前很久就已经冲击着物理世界。
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1913年，丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr，1885—1962）构建了第一个成功的原子内部模型。遵照物理学家从简单开始的习惯，玻尔将他的注意力集中在氢上，氢是元素周期表上第一个也是最轻的元素。他大胆地将氢原子系统类比成太阳系，并把氢原子描述成一个孤独的电子如同地球绕太阳那样围绕中心核子转动，且只在特定分立的轨道，即半径是固定的若干普朗克常量h的数倍。当电子向上（或向下）跳跃一个级别时，相应地会有光子被吸收（或释放），而光子的能量由普朗克—爱因斯坦方程e=hf给定。这个图像很快被逐步改善成包含了椭圆形和圆形轨道，也遵循相对论，并可以用来描述比氢原子更加复杂的原子。最终，著名的原子“玻尔模型”成为科学中最常见的漫画，即那幅无处不在的一个点在中间、三个椭圆形代表三个电子轨迹的图片（见图1.9）。据推测，那幅图描述的是元素周期表中的第三个元素——锂。
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图1.9
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这个小图标产生了无数的变体，已经被广泛地认为代表着原子，而且被改编用于高科技公司、政府机构以及消费品的标志。它在情景喜剧《生活大爆炸》（The Big Bang Theory）不同场景的荧幕上飞快闪过，并且在全球范围内，它意味着力量。因为这个标志所传达的信息如此简单且令人信服，在高中教学中也占据着优势。对大部分普通人来说，它代表着他们对原子结构的理解。
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不幸的是，本质上它是错误的。
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1919年，刚刚引入这个理论6年之后，玻尔被迫否认了这个理论，因为它歪曲了之前盛传的对原子内部电子行为的理解。玻尔模型将氢原子内部单电子的轨迹描述为绕核子（已知为质子）的轨道，最终得到的氢原子结构就如同煎饼一样平。但是我们知道的是，在观察它与其他原子相互作用的时候，从外部来看，它就像是一个模糊的棉花球而不是煎饼，至少在常态、静态的时候是这样的。
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更糟糕的是，这个原子图暗示着电子在远离核子的地方保持在特定轨道上一直运动，这个轨道半径被称为玻尔半径（Bohr Radius）。但是实验显示，当探测原子的时候，电子不仅仅在原子表面被探测到，在这个棉花球的内部也能探测到。
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玻尔模型最过分且让人不可原谅的瑕疵远远大于技术上的缺陷。通过假设急剧又确定的轨迹，这个模型忽略了波粒二象性，而更青睐于它的粒子本性。玻尔模型也可以说是一种倒退，退回到了牛顿物理：其中一个粒子具有精确且连续的轨迹，并且在轨迹每一点都具有定义明确的位置和确定的速度。以行星轨道的方式描述原子中电子的行为，在一个世纪前就已经从物理学词典中删除了。
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玻尔模型能够让人在头脑中产生生动的图像，它占据了大众对科学的想象，甚至到了一种令人担忧的程度。它是阻碍发展的一个历史遗址，它暗示着原子物理学在100年间没有任何改变。没有其他的基础科学会给人留下这种印象：宇宙学不是这样，它产生了一系列令人窒息的发现，如宇宙加速膨胀和谜一样的暗物质（dark matter）以及暗能量（dark energy）；天文学也不是这样，它每天都会得到遥远彩色发光物体的炫目图片；生物学也并非如此，我们对大脑的结构、人类基因的微妙之处以及令人震惊的演化结果有日趋增长的理解。那个广泛存在的原子图标是如此过时，就像用马或者马车的画像作为停车场的标志或者是用莱特兄弟的卡通图作为到机场的指路牌一样。
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尽管玻尔模型之前是量子力学发展中重要的一步，但是它却早早不适用了。尽管波粒二象性会使原子真实的图像变得更复杂，但是我认为应该尝试着把玻尔模型老图标更新成更符合21世纪的新图标。也许在1925年诞生的量子力学百年诞辰庆祝之际，会有人对这个图标公开质疑。
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