同样,只有方程中包含虚数时,电子波函数才能成立。如果薛定谔的方法有效(它确实有效),那么电子不仅在三维空间里绕原子核振动,还在一个虚构的维度里绕原子核振动。大自然在搞什么鬼?
生而自由
德国物理学家马克斯·玻恩是第一个试图理解电子波函数真正含义的人。玻恩被量子力学的随机性迷住了,这是海森堡不确定性原理的直接结果。
我们测量一个粒子,最终能确定它的位置、动量等性质(在海森堡极限内),但真正奇怪的是,由于这些性质在测量之前有点模糊,重复测量几次会得到不同的结果。
如果一遍又一遍重复某个经典的(普通的)实验,你会得到相同的结果。让小球滚下斜坡,你很容易就能预测它会到达哪里。在牛顿这样的人看来,世界上不存在真正的随机或偶然,只存在可预测的物理定律。
对经典物理学家而言,哪怕抛硬币的结果也不是随机的。拇指施加的冲量、硬币在空中划出弧线的角度,以及它与地面的相互作用,都预示了硬币最终会哪一面着地。
如果有一台足够强大的电脑,并将所有的数据输入其中,你就可以准确地预测抛硬币的结果。我们之所以把抛硬币当成随机的,唯一的原因是我们无法立刻完成这么多计算。但量子力学不同,量子力学的结果似乎真的是随机的。
你也许听过这句格言:“疯狂就是犯同样的错却期待不同的结果。”这句话常常被误认为是爱因斯坦说的(事实上它出自匿名戒毒会1981年印刷的小册子)。[6]这是有道理的。如果你一遍又一遍重复同样的事情,却期待不同的结果,那你该有多疯狂?就像量子物理学家那样疯狂。
以双缝实验为例。一开始,你向双缝发射一束电子或质子或无论什么粒子,结果探测屏上出现了斑马条纹。但你不可能提前知道,当一个粒子落在屏幕上时,它会出现在哪条条纹上—你只能基于概率来猜测。
粒子有40%的概率落在中央光带,有20%的概率落在两侧相邻的光带,有10%的概率落在次相邻的光带,等等(暂且记下这些数字)。
实际上,当你沿着轨迹掷出电子,会发现它的终点都不同。海森堡不确定性原理迫使我们放弃预测未来的想法,让我们接受这样一个事实:事情的发生基于概率,优雅而疯狂的量子女神一时兴起的念头决定了一切。在实际测量以前,粒子的位置是不精确的(粒子是不确定的),我们在测量时只能预测可能的位置,而不是确切的位置。
所以,玻恩决定计算电子波通过双缝时的薛定谔解,发现波的“振幅”(波有多高)对应着我们熟悉的数字。
探测器屏幕中心的峰值(波的振幅最大的地方)亮度为6.32,接下来两边的两条光带亮度为4.47,再接下来是3.16。这些数字似乎没有规律,但其实有:它们是我们刚刚看到的百分数的平方根—40的平方根、20的平方根、10的平方根。
如果我们用薛定谔方程计算电子波,然后把结果与本身相乘(取平方),它们就会与实验中粒子的可能位置相匹配。
似乎薛定谔的波函数是计算电子在某个位置出现的概率的平方根。所以,哇,感谢玻恩,这下就清楚了。我还有什么不清楚的?
这究竟是什么意思
玻恩对薛定谔方程的解释,似乎暗示了概率是宇宙中粒子必须遵守的内在法则。而人类之所以发明概率,最初是为了预测哪匹马可能赢得比赛。
粒子当然是粒子,但其位置是由概率波决定的,而且在不断变化。根据量子论推测,我们不应该认为任何东西都有固定的位置,而要说位置是随机确定的,取决于概率。
粒子较有可能落在薛定谔波到达峰值的地方,而不太可能落在薛定谔波到达谷值的地方(2)。电子、质子和光子本身并不是波,但它们的可能位置是波。
我们永远无法准确地预测一个粒子在特定时间的位置,但通过薛定谔方程(以及假设粒子的位置在虚构和真实的维度上振动),我们可以计算出可能的结果。