朱伏心说:“是的,在量子力学诞生以前,所有的科学技术——包括广义相对论在内,都完全地建筑在‘我思故我在’这一理性主义的牢固基石之上。也就是说,一切科学理论必须符合我们的理性思维,例如,必须符合形式逻辑与辩证逻辑,必须能够经受我们经验世界的验证。自伽利略以降,实验在科学中的地位与日俱增。伽利略怀疑亚里士多德的理论,就在比萨斜塔上扔下两个重量不等的铁球——这被扔下的两个铁球在中世纪人的思想中的造成的冲击丝毫不下于二战中美国在日本扔下的两颗原子弹的威力:此后实验科学主导了人类社会的发展方向。爱因斯坦提出广义相对论,爱丁顿观测日全食,证实了光线在太阳引力场作用下发生偏转,偏转角度与爱因斯坦的理论预测相差无几,爱因斯坦才正式登上神坛。[1]”
“可量子力学也不完全是理论啊。著名的双缝实验不就证实了光的波粒二象性么?[2]”司空有为反驳道。
“太好了,你提到了双缝实验。我正好想用这个实验来说明量子力学的神学色彩。”
“用科学实验来探讨神学?太有意思了。那应该叫神学实验了吧?”司空有为带着玩笑的语气说道。
“白将军,先别急着使用你的嘲讽技能。[3]”朱伏心说。“首先要说明的一点是,我并没有说量子力学不以理性主义为基础了。我只是说量子力学这株参天大树长得太高了——虽然它的根深深扎入理性主义的土壤,可是它的树冠竭力向上伸展,甚至突破了理性主义的大气层,突入了哲学、神学的外太空。而双缝实验就是伸进了外太空的这样一个树枝。”
“很有意思的比喻。请继续。”
“其实,双缝干涉实验做了200多年,这你不知道吧?”
“200多年?这么夸张?这我还真不知道。”司空有为叹道。
“当然了,不是同一个人做的。是不同时代的科学家们为了探知真相而不断改变实验条件,在200多年的中,前后相继做的。”
“我只记得一个‘杨氏双缝干涉实验’。”
“对,那是最早的一个双缝实验。1801年,有一位年仅24岁名叫托马斯?杨的英国医生做了一个实验,他让太阳光透过一个红色的滤光镜,再穿过一张开了一个小孔的纸,这样就形成了一个比较集中的“点”光源;在纸后面再放第二张纸,在上面开了两道平行的狭缝。如果光是粒子组成的,从小孔中射出的光穿过两道狭缝投到屏幕上,会形成两道条纹。但是,实际观测到的是一系列明、暗交替的条纹,这和水面上两道涟漪相遇而形成的纹路一样。干涉现象是波特有的,因此如果出现了干涉条纹,就证明了光是一种波。”
“也就是说,这个实验否定了之前牛顿等人支持的光的‘微粒说’?”
“非常正确。此后学术界普遍相信光是一种波,而不是一种微粒。可是故事才刚刚开始。一个世纪之后,一位叫泰勒的23岁在读研究生重做了这个实验,他在光源后加了一层烟熏玻璃,使得光的强度非常低,以至于可以把到达双缝的光看作是一个个光子。这个‘弱光’双缝实验,后来被解读为单光子双缝实验,好比用一把‘光子枪’,把光子一个一个地朝着双缝发射。请注意,这里的细节和重点是:光子是‘一个接着一个’发射的,中间是有时间间隔的——大约几个毫秒,而不像杨氏实验里的光是一直亮着的。因为是非常弱的光,要在感光屏幕上留下光影,需要很长的曝光时间,整个实验历时三个月。”
“按理说,光子一个一个地通过狭缝,或者说,一段波、一段波地通过狭缝,不可能像100年前‘杨氏双缝干涉实验’那样,出现干涉条纹了吧?”司空有为插话问道。
“非常正确。‘按理’应当如此——这个‘理’是自笛卡尔肇始的‘理性主义’之‘理’。”
“难道结果不是如此?”
“结果依然观测到了类似于杨氏双缝实验的干涉条纹。”
“什么?就是说单光子与自己发生了干涉?!”司空有为觉得很讶异。
“没错!就像是每一个单光子以一定概率通过其中一个狭缝,同时又以一定概率通过另一狭缝,然后这两个‘概率分身’相互干涉,最终产生了干涉条纹。”
“可每一个单光子到底穿过了双缝中的哪一条缝隙呢?”司空有为问道。
“你想知道,科学家更想知道。20世纪80年代,科学家做了“which-way”的双缝实验,在双缝后面放一个探测器,看粒子到底是从哪条缝里经过的。”说到这里,朱伏心停顿了一下。
“快说实验结果是什么呀?”司空有为急于知道答案。
朱伏心笑了笑,说道:“非常神奇,甚至可以说非常诡异。如果科学家进行深度观测,这时能够非常确定地知道粒子从哪一个狭缝穿过,干涉条纹消失了,只剩下两根亮线。而当科学家进行浅度观测的时候,也即无法准确知晓粒子从哪一个狭缝穿过,干涉条纹又出现了。”
“什么?就是说,我们的观测改变了世界?”
“怎么样?回想起了黑格尔那句话吧:‘我们要认识这个世界,但认识这一行为就已经改变了世界。’”
“可黑格尔已经死了,没办法去问他了。怎么解释这一结果?科学家们束手无策么?”司空有为说道。
“当然不是了。玻尔认为,在我们测量之前,微观粒子既在这里,也在那里,以一定概率存在。等到我们测量时,粒子就会选择一个单一结果表现出来。这也叫作‘波函数坍缩’,这时粒子会决定它的位置!如果我们把波函数比作骰子的话,那么‘波函数坍缩’就是骰子落地的时候。这个‘概率波’和‘波函数坍缩’解释,是量子力学著名的‘哥本哈根诠释’的重要部分。”
“这也太扯了吧!粒子怎么知道我们观测它的?在知道我们观测它之后,它又怎么决定要‘坍缩’到哪一个状态的?这么说微观粒子都是有自我意识的存在了?这不是变成泛神论了嘛!”司空有为觉得这种“波函数坍缩”的解释要挑战他整个世界观的基石了。
“现在你同意我之前的观点了吧:量子力学建基于理性主义,却远远走出了理性主义的疆域。这是量子力学与其他科学最大的不同点之一。量子力学的理论和观测结果,已经远远超出我们的经验、甚至理性思想之外了。”
注:
[1] 1911年爱因斯坦在《引力对光传播的影响》一文中讨论了光线经过太阳附近时由于太阳引力的作用会产生弯曲。他推算出偏角为0.83″,并且指出这一现象可以在日全食进行观测。1914年德国天文学家弗劳德(E.F.Freundlich)领队去克里木半岛准备对当年八月间的日全食进行观测,正遇上第一次世界大战爆发,观测未能进行。幸亏这样,因为爱因斯坦当时只考虑到等价原理,计算结果小了一半。1916年爱因斯坦根据完整的广义相对论对光线在引力场中的弯曲重新作了计算。他不仅考虑到太阳引力的作用,还考虑到太阳质量导致空间几何形变,光线的偏角为:α=1″.75R0/r,其中R0为太阳半径,r为光线到太阳中心的距离。1919年日全食期间,英国皇家学会和英国皇家天文学会派出了由爱丁顿(A.S.Eddington)等人率领的两支观测队分赴西非几内亚湾的普林西比岛(Principe)和巴西的索布腊儿尔(Sobral)两地观测。经过比较,两地的观测结果分别为1″.61±0″.30和1″.98±0″.12。把当时测到的偏角数据跟爱因斯坦的理论预期比较,基本相符。这种观测精度太低,而且还会受到其他因素的干扰。人们一直在找日全食以外的可能。20世纪60年代发展起来的射电天文学带来了希望。用射电望远镜发现了类星射电源。1974年和1975年对类星体观测的结果,理论和观测值的偏差不超过百分之一。
[2]在量子力学里,双缝实验(double-slit experiment)是一种演示光子或电子等等微观物体的波动性与粒子性的实验。
[3]著名游戏“王者荣耀”里的角色白起具有“傲慢嘲讽”技能:嘲讽附近敌人,同时自身受到的伤害降低,受到攻击会触发被动增加有上限的移速和护甲。