光是粒子还是波动，亦或两者都不是

光 是 粒 子 还 是 波 动, 亦 或 两 者 都 不 是? 图 片 来 源 :harunyahya.com ( 文 /AnilAnanthaswamy) 据 说 约 翰 阿 奇 博 尔 德 惠 勒 (John ArchibaldWheeler) 有 句 名 言 : 要 是 一 天 中 你 未 发 现 任 何 奇 异 之 事, 就 算 不 上 是 过 了 一 天 不 过 这 话 也 只 有 惠 勒 说 得, 因 为 奇 异 在 他 那 里 司 空 见 惯 作 为 20 世 纪 顶 尖 的 理 论 物 理 学 家 之 一, 他 老 人 家 每 天 打 交 道 的, 都 是 爱 因 斯 坦 相 对 论 中 时 空 弯 曲 的 翘 曲, 或 者 量 子 物 理 中 模 模 糊 糊 的 不 确 定 性 和 不 可 能 发 生 之 事, 总 之 都 是 一 些 足 以 烧 坏 我 等 凡 人 大 脑 的 奇 异 事 物 饶 是 如 此, 在 1978 年 的 某 一 天, 连 惠 勒 也 被 惊 到 了, 他 的 脑 海 中 第 一 次 闪 现 出 一 个 非 常 奇 异 的 念 头, 去 检 验 我 们 对 光 子 行 为 的 预 期 从 那 时 再 往 前 推 半 个 世 纪, 量 子 物 理 得 出 了 一 个 令 人 震 惊 的 洞 见 原 来 光 具 有 双 重 性 格, 有 时 它 表 现 出 粒 子 性, 就 像 由 一 团 离 散 且 有 确 定 轨 迹 的 东 西 构 成, 有 时 它 又 示 人 以 波 动 一 面, 形 态 不 定, 延 展 于 空 间 之 中 ( 实 际 上, 量 子 世 界 中 的 任 何 东 西 都 具 有 这 样 的 双 重 性 格 ) 那

个 让 惠 勒 绞 尽 脑 汁 的 问 题 也 由 此 而 来 : 光 展 现 出 哪 一 面, 到 底 由 什 么 决 定, 又 在 何 时 做 出 选 择 惠 勒 提 出 的 检 验 没 能 很 快 在 实 验 室 中 实 现, 不 过 当 实 验 最 终 完 成 时, 得 到 的 结 果 非 常 奇 怪 现 在, 这 个 实 验 又 被 重 复 了 一 次, 却 只 是 让 量 子 迷 雾 更 加 令 人 纠 结 或 许, 是 时 候 放 弃 对 这 些 结 果 似 是 而 非 的 理 解 了 忘 了 什 么 波 动, 扔 掉 什 么 粒 子, 抛 弃 非 此 即 彼 的 信 条 吧! 实 在 要 比 这 更 加 扑 朔 迷 离 多 少 世 纪 以 来, 光 一 直 照 耀 着 我 们 对 物 质 世 界 的 认 知 光 的 本 质 究 竟 如 何, 是 粒 子 还 是 波 动? 这 场 争 论 一 直 可 以 追 溯 到 古 希 腊 的 先 哲 那 里, 往 下 又 以 不 同 方 式 点 亮 了 牛 顿 笛 卡 尔 和 爱 因 斯 坦 的 思 想 火 花 待 到 20 世 纪 的 大 幕 拉 开, 这 场 争 论 可 以 说 是 势 均 力 敌, 双 方 都 为 自 己 的 观 点 积 累 了 大 量 论 据

光 的 本 质 是 粒 子 还 是 波 动? 这 场 争 论 一 直 可 以 追 溯 到 古 希 腊 的 先 哲 那 里 来 源 : 新 科 学 家 核 心 之 秘 量 子 物 理 以 宣 称 双 方 都 对 的 方 式, 解 开 了 这 个 死 结 表 明 上 的 证 据, 来 自 一 个 经 典 实 验 的 量 子 版 本 颇 具 戏 剧 色 彩 的 是, 英 国 物 理 学 家 托 马 斯 杨 (ThomasYoung) 于 1803 年 最 初 提 出 这 个 实 验, 是 为 了 支 持 光 的 波 动 理 论 在 这 个 现 在 名 为 杨 氏 双 缝 干 涉 的 实 验 中, 杨 在 一 块 屏 幕 上 刻 上 两 条 非 常 细 的 平 行 狭 缝, 然 后 将 一 束 光 投 射 其 上 在 距 离 更 远 的 另 一 块 屏 幕 上, 他 观 察 到 了 明 暗 相 间 的 竖 直 条 纹 这 似 乎 毫 无 疑 问 地 表 明 光 的 波 动 本 质, 因 为 水 波 也 会 以 同 样 的 方 式 衍 射 过 堤 岸 上 的 两 个 狭 窄 隘 口, 然 后 发 生 干 涉, 在 有 些 地 方 水 波 相 互 增 强, 发 生 相 长 干 涉, 有 些 地 方 水 波 相 互 抵 消, 发 生 相 消 干 涉

不 过 当 你 降 低 光 的 强 度, 直 到 每 次 只 有 一 个 光 子 进 入 整 个 实 验 装 置 时, 奇 异 之 旅 就 开 始 了 1905 年, 爱 因 斯 坦 已 经 明 确 提 出, 单 个 光 子 是 一 个 粒 子 ( 爱 因 斯 坦 提 出 的 光 量 子 理 论, 解 释 了 光 电 效 应, 并 因 此 获 得 了 诺 贝 尔 奖 ) 确 实, 如 果 你 在 两 条 狭 缝 中 任 何 一 条 后 面 放 上 一 台 探 测 器, 你 都 能 听 到 单 个 光 子 击 中 探 测 器 发 出 的 哔 哔 声 可 一 旦 你 把 探 测 器 拿 走, 代 之 以 一 定 距 离 之 外 的 一 块 集 光 屏 幕, 你 会 发 现 当 年 托 马 斯 杨 所 观 察 到 的 明 暗 相 间 的 图 案, 在 屏 幕 上 慢 慢 重 现 这 个 结 果 似 乎 又 表 明, 每 个 光 子 都 是 同 时 穿 过 两 条 狭 缝 的 波 动 同 样 的 情 况 还 发 生 在 其 他 量 子 粒 子 身 上, 比 如 电 子 中 微 子 原 子, 就 连 包 含 60 个 碳 原 子 的 巴 基 球 (buckyball) 也 不 例 外 对 尼 尔 斯 玻 尔 (NielsBohr) 这 位 丹 麦 伟 大 的 量 子 物 理 先 驱 而 言, 这 种 核 心 之 秘 不 过 是 量 子 理 论 的 一 条 原 理 罢 了, 他 称 之 为 互 补 性 原 理 (complementarityprinciple) 像 光 子 这 样 的 量 子 物 体, 就 是 具 有 互 补 的 性 质 既 是 波 动, 也 是 粒 子, 而 且 每 次 只 能 观 测 其 一, 不 可 能 同 时 出 现 那 么, 是 什 么 决 定 着 一 个 量 子 物 体 该 如 何 表 现 呢? 在 1927 年 9 月 于 意 大 利 科 莫 湖 边 卡 第 奇 研 究 所 召 开 的 物 理 学 家 大 会 上, 玻 尔 提 出 了 一 个 答 案 的 雏 形 : 决 定 者 是 我 们 自 己 欲 寻 粒 子 则 得 粒 子, 往 觅 波 动 则 见 波 动

物 理 实 在 取 决 于 观 察 者 的 意 志, 这 个 想 法 极 大 地 冒 犯 了 爱 因 斯 坦 钟 爱 的 那 些 信 念 在 1935 年 与 鲍 里 斯 波 多 尔 斯 基 (BorisPodolsky) 和 内 森 罗 森 (NathanRosen) 合 作 的 一 篇 文 章 ( 即 著 名 的 EPR 论 文 [1]) 中, 爱 因 斯 坦 愤 然 写 道 : 任 何 对 实 在 的 合 理 定 义 都 无 法 允 许 这 样 的 情 况 存 在 他 偏 爱 另 一 种 观 点, 即 实 在 中 蕴 含 着 更 深 入 但 还 未 被 认 知 的 层 次, 其 中 隐 藏 着 潜 在 的 机 制 告 诉 光 子 它 将 经 受 何 种 类 型 的 实 验, 从 而 相 应 地 改 变 光 子 的 行 为 这 并 非 无 端 的 阴 谋 论 调 想 象 一 场 爆 炸, 两 块 碎 片 朝 相 反 的 两 个 方 向 飞 出 爆 炸 遵 从 动 量 守 恒, 两 块 碎 片 的 质 量 和 速 度 因 此 被 关 联 在 一 起 但 如 果 你 对 动 量 守 恒 一 无 所 知, 你 或 许 会 轻 易 得 出 结 论, 认 为 测 量 一 块 碎 片 的 性 质 决 定 了 另 一 块 碎 片 的 性 质, 而 不 知 道 所 有 结 果 在 爆 炸 发 生 时 就 已 经 确 定 量 子 世 界 是 否 也 由 类 似 的 隐 藏 实 在 所 控 制? 惠 勒 的 思 维 实 验 就 在 此 时 横 空 出 世 了 为 了 解 决 什 么 告 诉 光 子 如 何 行 止 这 个 难 题, 他 用 到 了 双 缝 干 涉 实 验 的 一 个 升 级 版 本 在 这 个 思 维 实 验 中, 光 子 要 从 一 台 干 涉 仪 (interferometer) 的 两 条 路 径 中 任 选 其 一 在 干 涉 仪 的 另 一 端, 这 两 条 路 径 要 么 重 新 交 汇, 要 么 不 再 交 汇 如 果 两 条 路 径 不 交 汇, 即 干 涉 仪 处 于 打 开 状 态, 对 光 子 进 行 测 量 就 相 当 于 在 双 缝 实 验 的 两 条 狭 缝 的 一 条 后 面 放 置 一 个 探 测 器 你

会 看 到 单 个 光 子 沿 着 这 条 或 那 条 路 径 到 达 终 点, 两 条 路 径 完 全 对 等, 走 哪 条 的 概 率 都 是 50% 或 者, 光 子 也 可 以 在 路 径 交 汇 后 再 进 行 测 量, 这 种 状 态 称 为 闭 合 在 这 种 情 况 下, 你 观 察 到 的 结 果 将 取 决 于 干 涉 仪 中 这 两 条 路 径 的 长 度 如 果 两 条 路 径 等 长, 光 波 的 波 峰 同 时 到 达 某 个 探 测 器, 发 生 相 长 干 涉, 那 么 光 子 就 会 100% 打 在 这 个 探 测 器 上, 而 其 他 探 测 器 中 完 全 没 有 信 号 但 是, 通 过 改 变 一 条 路 径 的 长 度, 你 可 以 打 破 波 前 (wavefront, 即 光 波 传 播 最 前 方 的 波 形 ) 的 同 步, 让 该 探 测 器 处 的 干 涉 从 完 全 相 长 变 成 完 全 相 消, 让 它 接 收 不 到 任 何 光 子 这 就 相 当 于 双 缝 干 涉 实 验 中, 你 从 一 个 亮 条 纹 移 到 了 邻 近 的 一 个 暗 条 纹 惠 勒 所 作 的 改 动 在 于, 他 把 作 出 如 何 测 量 光 子 这 个 选 择 的 时 间 推 迟 了, 我 们 可 以 等 光 子 已 经 进 入 干 涉 仪 之 后, 再 来 选 择 干 涉 仪 是 打 开 还 是 闭 合 这 样 一 来, 光 子 就 不 可 能 知 道 究 竟 是 该 选 一 条 路 径 通 过 还 是 同 时 通 过 两 条 路 径 如 果 它 真 如 设 想 的 那 样, 不 是 粒 子 就 是 波 动 的 话

托 马 斯 杨 提 出 的 双 缝 干 涉 实 验, 本 来 是 为 了 支 持 光 的 波 动 说 来 源 :howitworksdaily.com 非 此 即 彼? 惠 勒 的 实 验 等 了 差 不 多 30 年 才 最 终 实 现 为 了 保 证 实 验 不 受 任 何 爱 因 斯 坦 偏 爱 的 隐 藏 变 量 的 影 响, 你 需 要 有 一 台 非 常 大 的 干 涉 仪, 大 到 即 便 以 光 速 传 播, 关 于 选 择 作 何 测 量 的 只 言 片 语 都 无 法 及 时 传 递 给 光 子 ( 爱 因 斯 坦 自 己 提 出 的 相 对 论 明 令 禁 止 超 越 光 速 传 递 信 息 ) 2007 年, 阿 兰 阿 斯 派 克 特 (AlainAspect) 在 法 国 帕 莱 索 光 学 研 究 所 带 领 他 的 小 组, 建 造 了 一 台 臂 长 ( 即 上 文 提 到 的 干 涉 仪 中 路 径 的 长 度 ) 达 到 48 米 的 干 涉 仪 结 果 如 何? 在 光 子 即 将 到 达 探 测 器 的 最 后 一 刻, 如 果 他

们 选 择 闭 合 干 涉 仪, 看 到 的 就 是 波 动 干 涉, 如 果 选 择 打 开 干 涉 仪, 看 到 的 就 是 粒 子 [2] 波 动 行 为 和 粒 子 行 为 似 乎 的 确 是 表 征 物 质 实 在 的 一 体 两 面, 这 个 结 论 是 绕 不 过 去 的 至 于 究 竟 表 现 出 哪 一 面, 这 个 由 你 决 定 这 难 道 不 够 美 妙 吗? 阿 斯 派 克 特 2012 年 在 荷 兰 费 尔 德 霍 芬 Physics@FOM 会 议 的 一 场 公 众 演 讲 中 惊 叹 道, 我 认 为 从 这 个 实 验 中, 我 们 不 可 能 得 出 其 他 结 论 除 非, 你 把 事 情 弄 得 更 奇 怪 一 些 2011 年 12 月, 加 拿 大 滑 铁 卢 量 子 计 算 研 究 所 的 拉 杜 约 尼 乔 尤 (RaduIonicioiu) 和 澳 大 利 亚 悉 尼 麦 考 瑞 大 学 的 丹 尼 尔 泰 尔 诺 (DanielTerno), 把 惠 勒 的 思 维 实 验 又 扩 展 了 一 步 [3] 他 们 加 入 的 新 花 样 是, 对 光 子 进 行 何 种 测 量, 是 像 粒 子 那 样 去 测 量 它, 还 是 像 波 动 那 样 去 测 量 它, 这 个 决 定 本 身 也 可 以 是 一 个 量 子 力 学 过 程 不 是 明 确 的 非 此 即 彼, 而 是 此 与 彼 的 某 种 尚 未 确 定 的 叠 加 态 无 尽 的 暗 影 有 一 个 办 法 能 实 现 上 述 过 程 : 你 可 以 用 光 来 控 制 用 于 探 测 光 的 接 收 器 你 先 准 备 好 一 个 控 制 光 子, 处 在 两 个 状 态 的 量 子 叠 加 态 中 其 中 一 种 状 态 会 将 干 涉 仪 设 置 成 打 开, 对 应 于 测 量 粒 子 ; 另 一 个 状 态 则 会 把 干 涉 仪 设 置 成 闭 合, 对 应 于 测 量 波 动 重 点 在 于, 只 有

当 实 验 中 用 到 的 穿 过 干 涉 仪 的 系 统 光 子 被 测 量 之 后, 你 才 去 测 量 控 制 光 子 的 状 态 对 你 而 言, 系 统 光 子 穿 过 的 是 一 个 既 打 开 又 闭 合 的 干 涉 仪 ; 连 你 都 不 知 道 自 己 打 算 测 量 波 动 还 是 测 量 粒 子 那 么, 你 会 测 量 出 什 么 结 果 呢? 这 一 次, 实 验 物 理 学 家 只 花 了 几 个 月 时 间, 就 迎 头 赶 上 了 理 论 物 理 学 家 飞 奔 的 思 绪 2012 年, 中 国 科 学 技 术 大 学 的 李 传 峰 小 组 英 国 布 里 斯 托 大 学 的 杰 里 米 奥 布 赖 恩 (JeremyO'Brien) 小 组, 以 及 法 国 尼 斯 大 学 的 塞 巴 斯 蒂 安 坦 齐 利 (SébastienTanzilli) 小 组, 以 不 同 的 方 式 实 现 了 上 述 实 验, 结 果 可 谓 惊 天 地 泣 鬼 神 就 连 自 认 为 已 经 对 量 子 物 理 中 的 光 怪 陆 离 司 空 见 惯 的 那 些 人, 这 次 也 着 实 领 教 了 一 番 [4] 答 案 揭 晓, 你 看 到 的 结 果 取 决 于 控 制 光 子 如 果 你 只 看 系 统 光 子 的 测 量 结 果, 而 不 去 检 验 控 制 光 子 的 状 态 这 样 一 来, 你 就 永 远 不 知 道 你 做 的 是 何 种 测 量 你 会 看 到, 打 在 干 涉 仪 两 个 探 测 器 上 的 光 子 分 布 既 非 粒 子 也 非 波 动, 而 是 这 两 种 结 果 的 某 种 含 混 不 清 的 混 合 如 果 粒 子 为 黑 波 动 为 白, 你 看 到 的 就 是 某 种 程 度 的 灰 色 再 做 一 次 同 样 的 实 验, 只 不 过 这 次 留 意 一 下 控 制 光 子 的 测 量 结 果, 结 果 就 像 戴 上 了 一 副 魔 法 眼 镜 灰 色 清 楚 地 分 离 成 了 黑 色 和 白 色 你 能 分 清 哪 些 系 统 光 子 穿 过 了 打 开 的 干 涉 仪, 它 们 清 楚 地 表 现 出 粒 子

性 而 那 些 穿 过 闭 合 干 涉 仪 的 系 统 光 子, 看 起 来 就 像 是 波 动 一 样 你 选 择 对 控 制 光 子 做 哪 一 种 测 量, 系 统 光 子 就 会 展 现 出 相 应 的 颜 色 还 有 更 奇 怪 的 量 子 力 学 不 仅 允 许 你 把 控 制 光 子 设 置 成 两 个 状 态 的 等 概 率 混 合, 还 允 许 你 把 两 个 状 态 按 不 同 比 例 混 合 在 一 起 这 就 相 当 于, 你 可 以 把 干 涉 仪 设 置 成 70% 的 时 间 打 开,30% 的 时 间 闭 合 如 果 我 们 测 量 一 些 通 过 这 台 干 涉 仪 的 系 统 光 子, 先 不 戴 上 魔 法 眼 镜, 我 们 又 会 看 到 含 混 不 清 的 信 号 但 这 一 次, 灰 色 的 程 度 会 更 偏 向 于 粒 子 的 黑 色, 偏 离 波 动 的 白 色 一 旦 戴 上 魔 法 眼 镜, 我 们 就 会 看 到 70% 的 系 统 光 子 明 显 表 现 出 粒 子 性, 剩 下 的 30% 则 表 现 出 波 动 性 从 某 种 意 义 上 说, 上 述 结 果 巩 固 了 玻 尔 对 量 子 实 在 的 看 法 代 表 测 量 本 质 的 控 制 光 子 的 状 态, 和 代 表 物 质 实 在 的 系 统 光 子 的 状 态 之 间, 存 在 一 种 紧 密 的 关 联 进 行 更 多 的 粒 子 测 量, 结 果 就 会 更 偏 向 于 粒 子, 反 之 亦 如 是 就 像 在 更 早 的 实 验 中 得 出 的 结 论 一 样, 爱 因 斯 坦 设 想 中 的 隐 藏 变 量 无 法 解 释 这 些 实 验 结 果 但 从 另 一 个 角 度 来 看, 争 论 仍 在 继 续 李 传 峰 解 释 说 : 我 们 的 实 验 打 消 了 互 补 性 原 理 所 设 定 的 常 规 边 界 约 尼 乔 尤 也 同 意 这 种 观 点 从 粒 子 性 到 波 动 性, 就 像 一 条 连 续 光 谱, 互 补 性 原 理 只 揭 示 了 黑 白 两 端, 他 说, 这 一 实 验 让 我 们 看 到 了 中 间 的 灰 色 地 带

那 么, 是 不 是 说 玻 尔 错 了? 德 国 马 普 量 子 光 学 研 究 所 的 约 翰 尼 斯 科 夫 勒 (JohannesKofler) 并 不 这 么 认 为, 我 真 的 非 常 非 常 肯 定, 玻 尔 会 完 全 接 受 这 些 实 验 的 结 果 互 补 性 原 理 是 量 子 力 学 哥 本 哈 根 解 释 (Copenhageninterpretation) 的 核 心 所 在, 得 名 于 玻 尔 的 故 乡 该 解 释 本 质 上 认 为, 我 们 之 所 以 会 在 这 样 的 结 果 中 看 到 矛 盾, 是 因 为 我 们 的 心 智 已 经 被 以 经 典 方 式 运 行 的 宏 观 宇 宙 所 驯 服, 缺 乏 直 观 认 知 量 子 世 界 的 能 力 科 夫 勒 说 : 哥 本 哈 根 解 释 从 一 开 始 就 没 有 要 求 量 子 系 统 得 符 合 任 何 现 实 的 世 界 观 最 新 的 实 验 结 果 只 是 印 证 了 这 种 看 法 我 们 之 所 以 依 赖 粒 子 和 波 动 这 样 的 概 念, 是 因 为 它 们 看 上 去 符 合 我 们 所 熟 悉 的 经 典 世 界 中 的 物 质 形 态 但 是, 想 用 它 们 或 任 何 非 黑 即 白 的 概 念 去 描 述 真 正 的 量 子 实 在, 结 局 注 定 会 以 失 败 而 告 终 这 一 观 点 直 接 把 我 们 带 回 到 了 柏 拉 图 的 洞 穴 之 中, 约 尼 乔 尤 评 论 道 在 那 位 古 希 腊 先 哲 的 寓 言 中, 囚 徒 被 拘 于 山 洞 之 内, 只 看 得 见 洞 外 物 体 投 射 在 洞 壁 上 的 影 子, 永 远 看 不 到 那 个 物 体 本 身 比 如 一 个 圆 柱 体, 影 子 可 能 是 一 个 长 方 形, 也 可 能 是 一 个 圆, 或 者 任 何 介 于 两 者 之 间 的 某 个 形 状 构 筑 实 在 的 基 本 层 次 也 存 在 类 似 情 况, 正 如 约 尼 乔 尤 所 说, 有 时 候 光 子 看 起 来 像 是 波 动, 有 时 候 又 像 是 粒 子, 或 者 介 于

两 者 之 间 而 实 在 本 身, 并 不 是 上 述 的 任 何 一 样 事 物 至 于 它 究 竟 是 什 么, 我 们 没 有 合 适 的 词 语 或 概 念 能 加 以 描 述 这 才 是 真 正 的 奇 异 之 处 而 在 量 子 物 理 学 家 看 来, 这 些 不 过 是 平 常 一 天 的 工 作 而 已

根 据 设 置 方 式 的 不 同, 干 涉 仪 能 够 用 来 证 明 光 是 粒 子, 是 波 动, 或 两 者 都 是 都 不 是 来 源 : 新 科 学 家