光,到底是波還是粒子?愛因斯坦論證了光在光電效應的實驗中必須被解釋為粒子。但證明光是波的實驗也有很多,其中雙縫幹涉實驗是最著名的一個。

雙縫幹涉實驗的設置是這樣的:有一個光源,前麵用一塊板遮擋,板上麵有兩條縫,板的另一側有堵牆。調節雙縫之間的距離以及板與牆之間的距離,能看到牆上印出光的形狀是明暗相間的條紋。

這說明,光在雙縫幹涉實驗情況下體現出了波動性。因為,如果光是粒子的話,光子必然走直線,如此一來,應該隻能在牆上看到兩條明亮條紋。而用光的波動性便可以解釋明暗相間條紋的現象:在牆上,不同位置的點到兩條縫之間的距離不同,當這個距離差是光波波長的整數倍時,兩條光波永遠是波峰和波穀同時到達,會產生幹涉相長的明亮條紋。而當距離差是光波半波長的奇數倍時,兩條光波永遠是反相位的,波峰一定遇到波穀,如此便會產生幹涉相消的暗條紋。

現在,我們不用光來做這個實驗,而是用電子來代替光做雙縫幹涉實驗。根據波粒二象性的描述,電子也可以展現出物質波的特性。同樣地,我們會獲得電子的幹涉條紋。但接下來要做的事情就比較神奇了。

我們安排電子一個個發射,看看最終所有電子都打到牆上會出現什麽現象。結果實驗做出來是,電子在牆上的分布依然形成了明暗條紋。也就是即便一個個地發射電子,每個電子在經過雙縫的過程中,依然展現出了它們物質波的特性。現在我們想了解一件事,電子在經過雙縫的時候,具體走的是哪一條縫呢?我們用一個探測器放在雙縫前,看看電子到底進入了哪條縫。但奇怪的是,隻要我們明確了電子具體經過了哪條縫,明暗相間的條紋居然消失了,隻剩下兩個區域有電子,剛好對應電子作為一個粒子走直線的情況。這個電子似乎知道我們在看它,一看它,它就變成粒子了。

再換一種情況,我們的探測器不放在雙縫前,而在雙縫之後。放在雙縫後麵探測的話,電子已經經過雙縫了,我們並未在它經過雙縫前探測它,那它就應該已經體現出波動性了吧?但幹涉條紋居然又消失了。電子在經過雙縫之後應該已經是波了,為什麽之後探測它又變成粒子了?電子還能反悔?

這裏的關鍵就是我們之前提到的“哥本哈根詮釋”。哥本哈根詮釋,說的是一個量子係統,可以同時處在不同狀態的疊加態。測量隻能隨機獲得其中一個狀態,並且根據測量方法的不同,獲得的結果也不一樣。這可以很好地解釋“波粒二象性”,其實這是個比較過時的說法,它不過是在沒有量子力學的時候,對波函數的一種粗略描述。波粒二象性說微觀粒子既是波又是粒子,這是不準確的,應該是微觀粒子在不同探測方法下表現出不同的性質。不同探測方法導致波函數坍縮到不同狀態,波或粒子其實都是人類概念中假想出來的理想模型。理想的粒子是什麽?是一個沒有大小隻有質量的質點。理想的波是什麽?是波長固定、長度無限長的波動。但這兩樣理想的東西在現實世界中是不存在的。這些微觀粒子,它既不是波,也不是粒子,而是在不同的測量方式下,有時候表現出粒子的性質,有時候表現出波動的性質。

如此,雙縫幹涉實驗就很好解釋了。雙縫幹涉實驗本身就是一種測量:用兩條縫去跟微觀粒子相互作用,它測量的其實就是微觀粒子的波動性,所以雙縫幹涉實驗會有幹涉條紋,無可厚非。用探測器去探測粒子,是對粒子性的測量。不是微觀粒子會發現你在看它,而是你為了看到它,必須跟它相互作用。一個電子或光子,從你眼前水平飛過,你能看得到它嗎?你看不到,探測器也探測不到,要讓探測器探測到,得讓電子或光子跑到機器裏,它如果隻是水平飛過去,沒有進入探測器,你根本意識不到它的存在。為了探測到它,必須發射一個光子去跟它相互作用,能探測到的永遠隻是相互作用,沒有相互作用就不存在探測。但一探測就等於測量了粒子的狀態,而用探測器去測量的方式是針對粒子性的測量,於是它當然表現出粒子性,波動性沒了,幹涉條紋也消失了。把探測器放到雙縫之後也是一樣的,隻要用探測器進行了探測,即便它之前先經過了雙縫,已經體現出了波動性,這時再測量跟它相互作用,它就又體現出粒子性了。

量子力學給我們的啟示是:在微觀世界,永遠不能說一個量子係統是什麽,而隻能說這個量子係統在何種測量下表現出了何種性質。