奇妙的量子力學

07-15

談到量子力學，總是不可避免地讓人想起來唯我論，也就是主觀唯心主義的世界觀。量子力學是研究物質世界微觀粒子運動規律的分支學科，它和相對論一起構成了現代物理學的理論基礎。談到量子力學對於微觀粒子的把握，就不得不提到最經典的幾個物理學實驗。

就從最常見光的性質說起，這就是波粒二象性。光是高速運動的，被稱為光量子。實際觀測的時候發現，光在經過太陽的時候，行動路線會發生彎曲，所以我們就說光量子的動質量不為零，因為它能夠被吸引，肯定有質量，你不能無視事實。光有質量，有粒子性，這是事實。那波是什麼呢？比方說，兩個人一人執一條繩子的一端，其中一個人的手做周期性的垂直上下運動，這時繩子上就會出現類似於波浪的形狀，我們就說這是波的一種形式。那波的本質是什麼呢，波是繩子本身嗎？顯然不是，波只是對繩子基於時間和空間所做的周期性運動的一種概括性、總結性說法。對於繩子基於空間和時間所做的周期性運動的規律進行總結後，我們把物質運動的這種規律性現象、狀態稱之為波，並為之寫出了相位變化與時間關係的函數表達式，稱之為波函數。因為量子力學否認微觀粒子是一種客觀存在的實體，粒子本身只是我們的觀察、我們的意識所塑造的產物，而波函數所反映的也不是像繩子一樣的實體運動所呈現出來的規律性，而是我們在某處能夠看到微觀粒子的一種概率性。

在對比一下實在論對於事物本質的說法，實在論認為我們之所以能看到事物存在，是因為事物本來就在那裡，而量子力學卻認為，我們之所以看到事物在那裡，是因為我們的意識呈現給我們它在那裡。量子力學把事物的存在，或者運動狀態，表述為我們看到它存在，我們看到它這樣運動。而波函數所反映的是物體所處位置和時間的關係，所以呢，量子力學就說波函數所反映的是我們某時在某處看到物體存在的概率。由於量子力學認為微觀粒子不是實體，粒子本身只是我們觀察意識的塑造物，我們沒有看到它的時候，它就無所謂存在不存在，它就不具有存在性。所以，量子力學就說微觀粒子除了波函數之外，什麼都不是。在我們看到它存在之前，除了波函數之外，原子就不再有任何其他性質。因為，在我們看到它之前，它連存在性都沒有，不存在的東西當然不會有任何其他性質，或者說，在我們沒有看到它之前，你就說它存在沒有意義，說它有任何性質也沒有意義。當我們看到它的時候，波函數就坍縮到某一個點，粒子才有存在性，意識在此時把它以實體的形式塑造了出來。

光電效應就是用一定強度的光照射金屬的表面，金屬表面就會有電子跳出來，形成光電流。而且電子跳出物體時的初速度和光照強度無關，只和光的頻率有關。當光的頻率大於某一個固定值的時候，才會有電子跳出來，從而產生電流，而且光電流的產生是即時的。開始照射，光電率就立刻產生，停止照射，光電流就立刻消失了。頻率超過一定值的時候，光的強度越大，跳出的電子數就越多。愛因斯坦就說，光其實不是連續的，由一份一份不連續的光子組成，就這樣愛因斯坦提出了光的粒子說。但是不可否認的是，光還具有波的性質，這通過單縫衍射和雙縫干涉實驗能夠得到驗證。

對於光的粒子性，一般人沒有概念，即便把這兩個性質都列舉出來，一般也都是迷迷糊糊的，因為人們對光是粒子的說法沒有觀念。那好吧，我們接著用一般意義上的原子來接著分析。因為接受過義務教育的人都知道，原子包括原子核和核外電子，實體化的意味比較強，對於光，就沒有實體化的經驗，這方面的知識也比較少。

因為物質都具有波粒二象性，所以不僅光子有干涉現象，電子、原子、分子、大分子都有一樣的性質。擁有兩個狹縫的擋板，每次都打開一個狹縫，用原子流去轟擊擋板，通過單板打在幕布上的原子是均勻分布的，不可否認每個原子都是通過一個狹縫到達幕布的。但是同時打開兩個狹縫的時候，通過狹縫的原子就不再均勻分布在幕布上了，而是呈間隔的帶狀分布。也就是有的地方有原子分布，有的地方沒有原子分布，整體上呈現光波干涉的條紋狀。而且呢，即便是每次只讓一個原子打出來，最終幕布上留下的也是干涉條紋。這到底是為什麼呢？只能認為是最終到達幕布的原子，每一個都通過了這兩個狹縫。準確地說，應該是每個原子的某種東西、某些部分一定是通過了雙狹縫，原子必然是通過雙狹縫傳播過來的。為什麼，在單狹縫的時候，原子通過狹縫以後均勻地分布在幕布上，這說明原子是粒子，是實體。而雙狹縫的時候，原子卻呈現出了干涉條紋呢？這不是說明原子不是實體嗎！？

量子力學告訴我們，無所謂粒子不粒子，除了原子它的波函數以外，原子不再具有其它任何的性質，這其實就是說原子不是實體。在只有一個狹縫的時候，原子的波函數只能通過一個狹縫，正是因為只能通過一個狹縫，所以每個原子只能作為一個緊縮的客體，粒子存在。而當存在兩個狹縫的時候，原子的波函數就通過兩個狹縫，它自然就呈現出波的性質，有了干涉現象。

下面再引入另一個更有意思的實驗，盒子對實驗。我們都知道波粒二象性，就是說，物質既可以體現出粒子性，又可以體現出波動性，原子也一樣，原子也可以體現出波動性。而我們都知道波都可以被鏡子反射，而如果是半透明的鏡子，就既可以讓一部分光透射，又可以讓一部分光反射。如果鏡子是半透明的，也就是透光和反射光各佔一半的話，我們就可以把一束光平分。同樣的道理，我們也可以把原子的波函數利用這種鏡子平分，它使的原子的波函數分裂成兩個波包，就好像光量子一樣。如果我們每次只發射一個原子射向鏡子，而在另一邊我們準備好兩個盒子，這樣的話，每一個盒子里就應該都有波函數的一半。因為在我們看到原子存在之前，它沒有實體性，也談不上具有何種性質，這時我們就用波函數來指代它。我們如法炮製，就可以得到很多這樣的兩兩的盒子對。

這個時候如果我們拿出一些這樣的盒子對，並且選擇二者其一打開，如果我們在這個盒子里發現了原子，那另一個盒子就是空的。並且，如果我們在這個盒子里沒有看到這個原子，那原子一定在另一個盒子里，而且如果我們打開另一個盒子，一定會發現原子就在那裡。這種情況下，很多人就會說，當然了，原子怎麼可能同時存在於兩個盒子里呢，它只可能在其中一個盒子里。在這裡，就肯定不在那裡，在那裡，就肯定不在這裡，這很符合常識，很顯然必定如此。

先別著急，讓我們接著做實驗。我們的兩兩成對的盒子，其相同的位置處都有一個狹縫，就好像單縫衍射和雙縫干涉時候的那種狹縫。我們把這些兩兩成對的盒子，放在間距相同的位置，把狹縫都對準前面的一個幕布。每次放一對，同時打開其中兩個盒子的狹縫，隨著打開的盒子對的數量增加，幕布上逐漸顯示出了干涉條紋。而當我們把盒子對之間的距離增大的時候，幕布上干涉條紋的間距竟然縮小了。

很顯然，如果每個原子都只存在於一個盒子里，就應該像前面我們談論過的那樣，這個原子出現在幕布上不同位置的概率應該是相等的，眾多的原子就會均勻地分布在幕布上，而不會出現干涉條紋。而干涉條紋確確實實出現了，這就說明，兩個盒子裡面都有這個原子的一部分，原子肯定是同時存在於盒子對的兩個盒子里的。

這就不可避免地引入了一個邏輯的怪圈，如果原子在盒子對的其中一個盒子里，就不會有干涉條紋出現，而如果原子同時存在於盒子對的兩個盒子里，那當我打開盒子的時候，為什麼會看到它只存在於一個盒子里呢？而問題是，一旦你選擇做了干涉實驗，你就沒有辦法再打開盒子分別觀察兩個盒子了；同時呢，如果你選擇做了觀察實驗，你就沒有辦法拿這同一個盒子對進行干涉實驗了。你所用來進行干涉實驗，或者用來打開觀察的並不是同一個原子，不是同一個盒子對。這不像經典力學，你現在用這個木塊去做自由落體實驗，一會又用這個木塊去做斜面實驗。上面有關原子的矛盾，不是一個邏輯上的閉環，因為兩次實驗使用的不是同一個原子。

但是，我們只能嘗試著去如此解釋，也就是說，原子不是單獨存在於其中一個盒子里，而是同時存在於盒子對的兩個盒子里。之所以，我們在打開其中一個盒子的時候能看到原子完整地地存在於一個盒子里，是因為我們的意識傾向於把原子進行實體化，因為沒有實體化，就沒有認識的對象存在。也就是說，我們之所以在打開並觀察盒子對的時候發現原子全部存在於一個盒子里，是因為我們觀察意識的塑造。這就引出來了量子力學的一個重要結論，意識塑造存在，是我們的觀察在塑造存在。

這裡再迴轉到街角遇見狗的例子上來。唯物主義認為，我們之所以看到街角有一條狗，是因為街角有一隻客觀存在的狗。唯心主義認為，我們之所以看到街角有一條狗，是因為我們的意識中有街角有一條狗的心理學影像。唯物主義說，因為真的有一條客觀存在著的狗，所以我們才能看到狗。唯心主義說，我們之所以看到街角有一條狗，是因為我們的意識中有街角有一條狗的心理學影像。僅此而已，到底是不是真的「街角有一條狗」，和我們看見街角有一條狗之間沒有必然聯繫。再聯繫一下盒子對實驗，雖然原子不具有實體性，波函數是同時存在於兩個盒子里的，但是我在觀察的時候，我依舊看到原子是完整地存在於一個盒子里的。雖然我們看到盒子對其中一個盒子里有一個實體化的原子存在，但是在我的觀察之外就真的有一個實體化的原子存在嗎？干涉實驗明明說明，原子是存在於兩個盒子里的呀，可是一個原子怎麼能同時存在於兩個盒子里呢？你的回答是不是就沒有剛開始那麼的堅決徹底了呢？

如果，我們把盒子對用來進行干涉實驗，我們就會不可避免地認為，原子是同時存在於兩個盒子里的。為什麼原子會同時存在於兩個盒子里呢，是因為前面做實驗準備的時候，我們利用半透鏡把原子的波函數均分成了兩半，兩個波包，所以原子同時存在於盒子對的兩個盒子里。而如果，我們打開盒子對來進行觀察，我們就會發現，原子完整地存在於其中的一個盒子里。我們就自然而然地會去推論，很明顯是因為通過半透鏡的時候，原子選擇了其中的一個路徑進到了盒子對其中的一個盒子里。這就產生了另外一個匪夷所思的結論，觀察不僅塑造著存在，還塑造了歷史。基於兩種不同的觀察，我們得到了兩種不同的過去。而對於常規思維，過去的事情已經過去了，已經不存在了，是無法改變的。因為你可以對著存在發揮能動性，但是對於不存在的東西，你必然會無能為力。量子力學及其宣示的觀念，是不是對的世界觀構成了強烈的挑戰呢？你準備好如何去面對它了嗎？