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第8章 量子力学(4)

为了便于理解,你可以想象有这么一个空盒(函)。有一道(列)波在盒子中不断地往返振荡。因为波具有衍射和干涉特性,因此在盒子空间中的每一细微之处,波的振动幅度都不同。例如,波峰与波峰叠加之处振幅就高,波谷与波谷叠加之处振幅就低。振幅高的地方能量强度就高,振幅低的地方能量强度就低。对于波的振幅用“相”来表示。干涉是波的振幅叠加后造成的相位差,这就叫相干。一个电子到底会在哪里,取决于两个波的相位差。

2. 什么是崩溃

崩溃也叫坍缩,或瓦解。意思是,由波的无限扩展着的状态坍缩为一个有限的、有明确位置的点状态。对于电子来说,在波函数崩溃之前,电子处于盒子空间中的多种相干状态中,即电子的位置处于波的相互干涉发生的相位的变化之中。当电子被意识观察后,它就坍缩为了一个确定的粒子状态。这时,所有的波的相干状态就同时没有了。因此也将这一坍缩状态叫做退相干或消相干——就是消除波的相干相位的意思。

3. 什么是波函数崩溃

具体描述如下:想象一下,在一个大型体育场中央有一颗台球,这个就是原子核。电子像一粒细沙一样在体育场外围高速旋转。那么电子在某一时刻到底在哪里呢?答案是,(如图1-36)电子是像云一样扩散在整个体育场空间中的。你没有任何办法确定电子在某一时刻处在空间中的某处,但是却可以把电子想象成振荡着的波,然后去计算某一处空间中波所具有的振幅强度(能量强度)。能量强度大的地方,你发现电子存在的概率就大,能量小的地方发现电子存在的概率就小。对空间中每一处电子波能量强度的计算就是波函数值。

图1-36 电脑模拟图:一个电子像云一样扩散在整个氢原子空间

如果你用一束光照上去,假设,突然你在某一处发现了电子,那么这时体育场空间中电子存在的概率就都突然变为了“零”,而发现电子的地方就变成为了“1”。这就叫波函数崩溃。

电子在原子空间中,其波函数是在整个原子空间中扩散着的(如图1-36)。如果你把电子弹出原子到卧室中,电子的波函数就扩散到整个卧室中了。这时电子在整个卧室的空间中任何一个细微之处都有存在的可能性了。

如果你把这个电子弹射出窗外进入天空中,这时,电子出现在某处区域的波函数就是整个天空。就是说,这个电子会在蓝天中扩散着。

当你把这个电子射入到太空中,这时,这个电子的波函数就扩散在整个太阳系中了。以至于,你把这个电子射出太阳系,电子存在的波函数就扩散到整个的银河系中了。如果这个电子跑出银河系,很简单,在整个宇宙的空间中的任何一个细微之处都有其存在的概率了。

因为宇宙空间的宽度太宽阔,因此,一个电子或一个光子出现在某一处的概率值太低了,对电子存在某处的概率不再用百分比来表示,而是用“非零”来表示。非零的意思是,无论其概率有多小,都不为零。

那么有没有可能发生一个光子穿出星系扩散到整个宇宙空间中的情况呢?答案是,这样的事情一直在发生着。

例如,当你仰望夜空,你看到的最远的星体是类星体,距离我们有137亿光年之遥。就是说这颗类星体发射出来的光是在137亿年之前发出的。你看到了这颗星体,说明你的眼睛接收到了这颗星体发射过来的光子。那么对这颗光子的波函数崩溃的描述是这样的:这颗光子一开始从类星体出发时,不是一个粒子,而是以球状波的方式、以类星体为中心,向所有方向同时扩散开去的。例如,它也向相对于你相反的方向扩展开去。

然后,在137亿年之后,这个光子以“球状波”的方式扩展为137亿光年距离×2=274亿光年的直径跨度。那么在这么宽广的空间内,每一处如原子大小的空间内都有这个光子出现的概率。就是说,宇宙中的每一处,这个光子的存在都是非零的。这时,突然你仰望了一下夜空,这个光子就被你眼视网膜中视蛋白分子捕获到了。这样,就在一瞬间,整个宇宙空间中,这个光子的波函数——即光子存在的概率性——瞬间就崩溃为了“零”,而在你眼睛视网膜分子中坍缩成一个点粒子,进而触发了一次动作电位。当这段动作电位经过一系列的传导——传递,激活位于你的大脑后部的视觉皮层时,就让你在意识中突然看到了“它”。

现在,我们要问一个最关键的问题:一个电子波或者说一个光子波为什么会由一种无处不在的方式崩溃为粒子呢?

例如,在双缝实验中,我们已经清楚地看到,你不去看的时候,一个电子会同时穿过两条缝,而且自己还干涉了自己。当你去看了,电子突然就由无限扩散着的球状波状态确定为一个拥有明确位置的粒子状态。而在你看它之前,电子以波的运行态势是无处不在的,电子可能处在宇宙中的任何地方。当你去看了,电子就必须现身为存在!这就好像是,在电子游戏中,当你进入某一区域时,游戏中的场景(山河大地)就必须显示出来一样。

因此,波函数崩溃带给我们的结果是:在你的意识之外,一切的存在都处于“不确定性”的非有非无的状态中。只有当你去看了这个世界,世界才在“当下”被你“看”出来!

光到底是什么?物理学家继续作着追问,下面是爱因斯坦的追问,正是这一追问,让科学家们最终一劳永逸地解决了所有的问题。

七、EPR佯谬

如果你一次只向双缝发射一个电子,那么你就会在后面电子检测屏上看到一个针尖般的亮点。这说明,电子是以一个粒子的形式到达的。但是,现在我们要问:电子从电子枪出发后,直到显示在检测屏上时,它是如何在两者之间的空间中行进的呢?

哥本哈根的解释认为:

1. 一个电子会同时穿过两条缝。

2. 一个电子在两者之间的空间中是没有任何轨迹的。就是说,一个电子是波函数的,即,一个电子像球状波一样扩散在整个空间中的。

3. 一个电子在“电子枪——检测屏”之间的空间中的位置是不确定的。你只能依靠波函数的相位差去计算出电子存在于哪里的概率。

4. 因为你不能把电子确定到一个有局限的空间内,因此电子的存在是“非局域的”。就是它不局域在某一处,而是无处不在的。

爱因斯坦则认为:

1. 如果你抛掷一枚骰子,虽然一般实验手段无法预测到哪个点数会朝上,但是如果你对整个抛掷的细节了解得足够清楚,那么就一定会预测到每次抛掷的结果。因此,对于电子到底存在于某处不是概率性的,我们之所以没有检测到电子在“电子枪——检测屏”之间行进时的电子轨迹,是因为还有一些隐藏着的规律(隐变量)没有被发现和实验手段还不完备造成的。

2. 爱因斯坦对于“不确定性”原理十分反对,爱因斯坦认为,人们之所以无法对电子的位置和动量同时精准测定,是因为还有一些测量的方法没有被发现。

3. 一个电子存在于何处是有局限性空间的,你不能认为一个电子会同时存在于宇宙空间中的任何一处——即你不能认为一个电子会在宇宙空间中是“非零”的。

因此,在1935年,为了表明自己的立场和反对哥本哈根解释,“爱因斯坦—波多尔斯基—罗森”共同提出了一个悖论,这个悖论就是EPR佯谬。

佯谬的意思是,可由它的真推出它的假。在EPR佯谬中所表达的意思是,如果哥本哈根解释——也就是电子以波的形态扩散在整个空间中——为正确的话,那么在两个电子之间就应该存在所谓的“幽灵般的超距作用”的联系。然而,狭义相对论完全拒绝了超越光速事件的发生,因此,如果有一个方法能证明“不存在幽灵般的超距作用”,那么哥本哈根诠释就是错误的。

实际上,EPR佯谬本质的核心要点就是要证明“客观现实”独立于观察而存在。哥本哈根解释则明确说明,意识参与到了能被我们观察到的现实之中。是观察创造出了一切,而不是一切单独客观地存在着,等着我们去观察。

下面,为了便于快速地理解,我们直接对物理学家戴维·玻姆提出的所谓现代版本的EPR佯谬做出简化和容易理解的表述(下面用光子表述)。

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