如果波函数的两部分击中屏幕,可能会出现两个极端的情况:两部分波如果都处于波峰(或者波谷,在此处二者没有区别),由此产生的波函数将是两部分的叠加,那么就会有非常大的振幅。在那些地方,电子极有可能击中屏幕,这叫作相长干涉。另一种情况是,一部分波处于波峰,另一部分,处于波谷,它们相互抵消,波函数的振幅为零。这种干涉的名字你肯定能猜出来,叫“相消干涉”。在这些区域,电子击中屏幕的可能性为零。屏幕上的这些区域有点像一个房间中音响效果糟糕的位置:就是那个位置上的声波出现相消干涉,因此你站在那儿什么都听不见。你们一定都知道音乐厅中的那种位置。
等等,这都是胡话——我听到你这么说——一个电子无法同时穿过两道缝:电子要么从左缝中穿过,要么从右缝中穿过!你还说,在墙后面,走左侧缝的电子半路会碰上走右侧缝的电子,受到后者的干涉,这样就会形成两道缝同时打开时出现的奇怪图案。这两种说法对结果而言不是同样有效的解释吗?
你的想法很有趣,但实际情况并非如此。下面我便告诉你为什么:你可以调低电子炮的输出,让它以低强度运转,每隔几秒只发出一个电子。所以,任何时候空中的电子都不会多于一个。同样地,许多电子都撞到了墙上,但有时候会有一个电子从两道狭缝中穿过,在电敏屏幕上形成一个点。几个小时后,许许多多的点出现在屏幕上,你会发现它们形成的还是那幅干涉图案。这幅图案不可能是两个或更多电子撞在一起的结果,因为一次在空中运动的只有一个电子。这个电子同时穿过了两道缝,在过程中干涉了自己。
实际上,你可以在你的实验室中向屏幕只射出一个电子,然后再在世界各地的其他实验室中重复这个实验。如果你把从各家实验室拿到的屏幕上的图像(每张图像至多只有一个点)叠在一起,你会看到同样的干涉图案。
别偷看:只要你看,干涉就不存在
你可能会说:好吧,可我还是不太相信。如果有人在两道缝内安装了小小的探测仪,用来探知电子到底是从哪个缝里穿过去的,会出现什么情况?像我们这么心灵手巧的工程师,我们可以把这些探测器调整到极灵敏的程度,让它们可以在不干扰电子运动路径的情况下记录其穿过了哪道缝。
是的,我们可以制造出这些探测器,用它重复实验,注意每个电子穿过了哪道狭缝。如果我们这样做,便可以看到电子通过两道狭缝的概率均为50%。有时候电子穿过其中一道狭缝,有时候电子会穿过另一道。但我们还注意到了一件事:屏幕上的干涉图案消失了!出现的反倒是我们最初不了解量子力学时以为会出现的那个图案,即两道比邻的狭缝。
量子力学是这样的:因为我们收到了关于电子运动路径的信息,电子就暂时不再表现得像波一样了,而是开始表现得像一个粒子。这一刻,它开始像一颗小炮弹一样行动,这一点符合我们对“粒子”的世界观。就这样,电子穿过了两道缝中的一道,而并非同时穿过了两道缝。因此,屏幕上的图案看起来像通常意义上的粒子,剥离了波属性的粒子。
但它之所以会这样是因为我们在两道缝处测量了它的粒子属性,即它的位置。如果我们移除了安装在墙壁双缝上的探测器,干涉图案就又回来了。这是一个典型的例子,展示了测量过程是如何在实际上干扰被测系统的。另外,这是常常与量子力学联系在一起的关键特点之一。
尽管这一切都很难让人相信,但它的确是真的。我再重复一遍:这些实验已经反复进行过多次了,而且量子物理学的预测也总是能得到证实,无一例外。因此,即便量子力学的法则和我们作为人类的很多直觉都相悖,我们依然要设法接受,大自然就是如此,从根儿上就比我们想象的更复杂、更奇妙。宇宙不会为我们考虑,来符合我们的期待。