第三章 二、波粒二象性
我们生活在一个光的世界，光子无处不在。从牛顿时代开始，光的性质问题就在科学界引起了激烈争论。当时科学界有两种截然不同的观点：一种观点是牛顿所认为的光是微粒，另一种观点是胡克、惠更斯等人所认为的光是波。由于牛顿在物理学界统治性的地位和威望，使他的光微粒说盖过了光波动说，成为此后一百年科学界的主流观点。
直到1801年，英国科学家托马斯·杨（Thomas Young）以一个实验逆转了这种形势，使光波说替代微粒说成为了主流，这个实验就是堪称人类物理学史上最伟大的实验之一，也是让物理学家们最抓狂的“双缝干涉实验”。实验过程和结果如此诡异，以至于让物理学家们开始怀疑世界的真实性。这个实验也悄悄地解释了为什么现代物理学的先驱们在研究后期都转向哲学、甚至神学。
最早的双缝干涉实验是从单缝衍射实验开始的。早在17世纪，科学家就已经发现了光的衍射现象：即光线在传播过程中，遇到尺寸与光的波长差不多的障碍物（如不透明物体的边缘、小孔、狭缝等）时，不再遵循直线传播，而是绕过障碍物的边缘（弯曲地向障碍物后方）继续传播。代表性的实验是“单缝衍射实验”，当光经过一条竖着的狭缝时，会发生衍射，在屏幕上看到的并不是一条竖着的亮纹，而是一条横着的亮带（见图3.2上图）。
“双缝干涉实验”是让一束光经过相距很近的两条狭缝后，投射到缝后的屏幕上。从“单缝实验”的结果来看，当两条缝的亮带在屏幕后重叠时，理论上应该会显示一条更亮的光带，但神奇的事情发生了，最终在屏幕上显示的却是一条条明暗相间的条纹。（图3.2下图）
图3.2：单缝衍射实验与双缝干涉实验
这是一件很诡异的事情，因为在这些条纹的暗纹上，原来应该是有光的，但当两条缝的光重叠后，那些位置却没有光。这种现象用牛顿的微粒说似乎无法解释，托马斯·杨从水波的干涉里得到启发，提出：光是一种波，暗纹是光波互相干涉产生的。
人类对宇宙的认知革命永远是由极少数天才推动的。在“双缝干涉实验”证明光的波动说后又过了一百年，一位天才再次刷新了人们对光的认知，并一脚踹开了量子力学的大门，这位天才就是二十世纪最伟大的物理学家爱因斯坦。
1905年，物理学博士刚毕业的爱因斯坦发表题为《关于光的产生和转化的一个启发性观点》的论文，以光作为能量子即光量子的形式解释了光电效应。
通俗来讲，光电效应（Photoelectric effect）是指光束照在金属表面时，会使其发射出电子。这个现象非常奇特，本来电子被金属表面的原子束缚得老老实实，奇怪的是，一旦被一定光线照射时，这些电子就开始不安分起来，想要脱离原子的束缚，四处逃窜。由于这种现象的主角是光与电子这两位“大佬”，因此大家就把它称之为光电效应。
在当时的认知中，光是一种波，波的强度即代表了能量。按理说，由于电子是被原子束缚在轨道上，光的强度越高，光子数量越多越密，就应该越容易将电子打出来。可实验结果证明，光是否能够在同种金属表面打出电子来，取决于光的频率（赤橙黄绿青蓝紫光中，红光频率最低，紫光频率最高）而非强度。
电光火石之间，爱因斯坦忽然想到，如果光不是连续分布的，而是一种可以分成一份一份的光量子呢？那么，问题刹那间迎刃而解。提高频率，单个光量子就越容易打出电子。换句话说，单个光量子的能量大于金属原子对电子的束缚能，就能够打出电子。提高光的强度，仅仅对应着提高光量子的数量，而只有与频率相关的能量才能够决定是否能够打出电子。
爱因斯坦这个离经叛道的天才想法与经典物理体系大相径庭，使“光微粒说”再度复活。但问题随之而来：光究竟是粒子还是波？两种形式都有实验证据，似乎都对。摆在面前的困惑是：波和粒子是两种截然不同的特性，光在什么情况下会表现出波的特性？什么情况下又会表现出粒子的特性？
这个问题直到10多年后才被法国科学家路易·德布罗意（Louis Victor de Broglie）解决。他在其物理学博士论文中提出了量子的波粒二象性（Wave-particle duality），指的是所有的粒子或量子不仅可以部分地以粒子的术语来描述，也可以部分地用波的术语来描述。（图3.3）
图3.3：波粒二象性
回想一下，在高中物理学课本中，研究对象总是被明确区分为“纯”粒子和“纯”波动。前者组成了我们常说的“物质”，后者的典型例子则是光波。但是在量子的世界里，波粒二象性解决了这个“纯”粒子和“纯”波动的困扰。它提供了一个理论框架，使得任何物质有时能够表现出粒子性质，有时又能够表现出波动性质。
更为颠覆的是，已知包括光子在内的所有微观粒子，既可以表现出粒子特性，也可以表现出波动性，具体表现出什么特性取决于我们是否观测，观测了就是粒子性，不观测就表现为波动性，这就是“观察者效应”。（图3.4）
图3.4：观察者效应
那光波是什么时候成为粒子的？一个被无数次科学实验证明的事实是：光以波的形式进行传播，在被观察到的时候是粒子。也就是观测使波成为了粒子。换句话说，观测与否会影响到光子呈现的状态：不观测时，光子表现出模糊的波动态，而观测时，光子表现出确定的粒子态。
1927年，维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）基于光的波粒二象性提出了“测不准原理”或“不确定性原理”（Uncertainty principle）。该原理认为，其实相互矛盾的波动性和粒子性是互补的，两者同时存在，互为补充，我们无法做到在验证一种特性的同时保证另一个特性不受到干扰或破坏。按照这一原理，量子就性质来说，既不是粒子也不是波，为突出两种性质中的一种性质而进行的实验或测量，只能牺牲另一种性质。比如，我们不可能同时测量出微观粒子的位置和速度，位置越确定，速度就越不确定。反之，速度越确定，位置就越不确定……
后来，科学家尼尔斯·玻尔等人附议了这一结论，并解释说：光子、电子等微观粒子其实人家本来就是波，并且无处不在，甚至可以随机出现在宇宙中的任何角落；当人们进行观测时，光子和电子等微观粒子只是恰好出现在了我们观测的地方，让我们感觉到微观粒子就在那里，使人们直接用肉眼看到微观粒子的粒子特性而不是波动性，这就是“波函数坍塌”（图3.5）。由于这个说法是尼尔斯·玻尔和维尔纳·海森堡在哥本哈根合作研究的成果，被称为“哥本哈根诠释”。物理学界普遍认为，哥本哈根诠释在量子力学的发展中扮演了重要角色，它不仅为量子理论中的概率特性提供了合理的解释，而且对整个自然科学以及哲学的发展和研究中都起着非常显著的作用。进而，玻尔还提出了“哥本哈根精神”，这是“一种完全自由的判断与讨论的美德，倡导了平等、自由讨论和相互紧密地合作的浓厚的学术气氛。”
图3.5：“测量”后“波函数坍塌”
世界到底呈现何种模样，取决于我们是否观测，还测不准？这违背了人类的固有认知：世界是客观存在的（不以主观意志为转移）。爱因斯坦显然无法接受这个说法：“当我们不看月亮时，难道月亮就不在那里吗？”认为这种“波函数坍塌”的解释真是“马后炮”，正如“波粒二象性”和“测不准原理”一样。其实物理学家们并不知道为什么会出现“波函数坍塌”，只是根据观察结果推导出了“波函数坍塌”这样的结论，去解释微观粒子的诡异行为。
更让爱因斯坦苦恼不已的是，根据他提出的狭义相对论，宇宙中最快的速度是光速，任何有质量的物体都无法达到光速，更不可能超越光速。但是在量子的世界，相对论的丰碑轰然倒塌，超光速现象随处可见（见“量子纠缠”）。这位天才将后半生几乎所有精力都倾注到了寻找“大一统”的研究上，并相信一定还存在某种隐变量没有发现，才让量子力学显得如此诡异。
我们对整个宇宙的认知，是非常局限的。我们对宏观世界认知的时间尺度不够，一百光年以外的事情跟我们没什么关系，你出生的时候发生的事，死的时候还没来。我们对微观世界是时间的分辨率不够，看到的是电子云和“测不准”。话说，当初“波粒二象性”的解释更多的是物理学家们的无奈之举，或者说中庸之道，说得不好听就是“人类很无知”。百年后的今天，科学家们仍在重复做着无数“改良版”的“双缝干涉实验”，使这一伟大的实验位列过去两百年间物理学界最“如雷贯耳”的经典实验之一。实验结果一致的诡异，这里不做赘述。