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无处不在,同时又无处在的量子论所描述的世界!

无处不在,同时又无处在量子论所描述的世界使人感到震惊,它的一幅图像可以用图11(b)所示的一个非常简单的实验来描绘。这是一个用电子来做的杨氏狭缝实验。电子源每次向两条狭缝只发射一个电子,狭缝后面是一只荧光屏S,它用一次闪光来显示电子到达了屏幕。

在这个实验中,荧光屏上会出现一幅干涉图样,上面电子数目的分布与荧光屏上的位置有关。我们回想一下,电子既不是粒子也不是波,但是具有两者的属性。如果电子是粒子,它只会或者打中障碍屏而被撞回,或者穿过两条狭缝之一,从而引起荧光屏X处或Y处的闪光[图11(a)]。重复做这个实验,将会在X处和Y处引起同样多的闪光。另一方面,如果电子是散布在空间中的波,则波状扰动将同时经过两条狭缝[图11(b)],正像池塘中水的涟漪相互重叠会发生干涉一样,电子波也会在屏幕上产生特有的干涉图样,呈现我们看到的强度的峰和谷。

量子力学到底预示了什么呢?像赌赛马,它仅仅给出了成败的几率,即使只有一个电子时也是如此。实际上,它给出的是电子到达屏幕上每一点的可能性。

它能够绝对肯定地告诉我们的,仅仅是在什么地方不会发现电子。在这种情况下,如果把电子想象为点粒子,则量子力学就意味着,电子可以到达屏幕上任何一点,只是要除去按波解释时波的强度为零的那些地方,这些地方电子到达的几率是零。发现电子的几率随着屏幕上的位置的变化,与波的干涉所预示的波强度的变化完全一致。

然而,电子最终是到达一个固定位置,而不是扩展到整个屏上。只有足够多的电子经过仪器时才能建立起干涉的图样。能够更清楚地显示这一点的量子力学的一个优美的表述形式,是美国理论物理学家费曼(RichardFeynman)在20世纪40年代提出的,当时他是普林斯顿大学的一名研究生。通常把这种方法称为量子力学到底预示了什么呢?像赌赛马,它仅仅给出了成败的几率,即使只有一个电子时也是如此。实际上,它给出的是电子到达屏幕上每一点的可能性。它能够绝对肯定地告诉我们的,仅仅是在什么地方不会发现电子。

在这种情况下,如果把电子想象为点粒子,则量子力学就意味着,电子可以到达屏幕上任何一点,只是要除去按波解释时波的强度为零的那些地方,这些地方电子到达的几率是零。发现电子的几率随着屏幕上的位置的变化,与波的干涉所预示的波强度的变化完全一致。然而,电子最终是到达一个固定位置,而不是扩展到整个屏上。只有足够多的电子经过仪器时才能建立起干涉的图样。能够更清楚地显示这一点的量子力学的一个优美的表述形式,是美国理论物理学家费曼(RichardFeynman)在20世纪40年代提出的,当时他是普林斯顿大学的一名研究生。通常把这种方法称为量子力学所能告诉我们的,是这个电子将会在荧光屏某个地方引起闪光,但波强度为零的那些地方除外。这种可能性如何变成现实性呢?闪光可能在屏上多处地方出现。然而,几率转变为确定性是由测量实现的:一旦在某个特定的地点发现电子,在其他地方发现它的几率就完全降到零。

只有在实验重复大量次数的情况下,几率分布才变得有意义,也才能得到干涉的图样。如果认为量子力学给出了最基本的描述,那么询问电子的行踪就没有意义,除非电子已经打到了屏幕上。因此我们只好得出结论说,电子是以某种方式扩散在空间和时间之中,它从两条狭缝中都穿过并且自己与自己发生干涉,直到最后奇迹般地瞬间瓦解在屏幕上某一点处,这地点完全是随机的。因而,我们可以说,电子是无处不在,同时又是无处在。

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