下面这个实验叫“双缝实验”。把一束光从两个缝隙中传过去,两个缝隙的光束就会形成干涉,在后面的屏幕上形成干涉条纹。
这是因为光是有波动性的,就好像水波一样,如下图:
可是量子力学一出来,我们知道,光同时也是粒子 —— 也就是“光子”。物理学家原则上可以把光子 —— 或者电子、或者别的什么粒子 —— 一个一个地发射到那块有双缝的隔板上去。你猜会发生什么?
即使你每次只发射一个光子,后面屏幕上也会出现干涉条纹图案!这非常奇怪,因为干涉条纹,是两个缝隙之中同时发出的光互相干涉的产物。现在你每次只打一个光子,它跟谁干涉呢?
答案是这个光子自己和自己干涉 —— 也就是说,这一个光子,同时通过了两个缝隙!用电子或者别的粒子做这个实验,结果也是如此。
这就是量子力学。一个粒子,可以“既走了左边的缝,又走了右边的缝” —— “既在这里,又在那里”!
再举个例子。物理学有个概念叫“自旋”,你大概可以理解成一个粒子的自转。任意选定一个方向,比如说北方,那么对一个电子来说,它有两种自旋 —— 对着北方,如果这个旋转是顺时针的话,我们就说它自旋是正,如果是逆时针的话,我们就说他的自旋是负。
你不用关心自旋的精确定义是什么,只要知道电子在任意方向都有正、负两种可能的自旋。
好了。现在假设这里有一个电子,在我观测它之前,你问我一个问题:这个电子的自旋是正的还是负的?
如果咱们说的是一个台球,我的答案就应该是它“或者是正的,或者是负的”。可是对电子来说,我的答案就必须是它“既是正的,又是负的”。
这就和前面双缝实验中,“既走了左边的缝,又走了右边的缝”,是一样的道理。
一个没有被观测的电子,其实是两种自旋状态的“叠加”,这就是“量子叠加态”。物理学家用“波函数”描写这个叠加态。
这个“既是……又是……”的概念可能已经让你震惊了。这其实是个观念问题。日常生活中一个人不可能同时从左右两个门中穿过,还自己撞到了自己,但那只是我们的日常经验。微观世界的情况跟宏观世界非常不同,只要你能接受这个观念,就不至于睡不好觉。
基本粒子不是台球。只要你不观测它,它就可以“即是这样,又是那样”。
让物理学家至今都睡不好觉的,是“观测”。
3.真正的“不确定性”