读书 | “量子物理史话”（八）：波粒二象性

海森堡的矩阵力学和薛定谔的波动方程被提出后，物理学家的工作似乎可以告一段落，需要哲学家来做总结了。海森堡的不确定性原理可以看作对世界的一个哲学解释，然后，轮到玻尔亲自出马了。

波动说与粒子说争论了三百年，该直接回答“那该死的电子到底是粒子还是波”了。怎么看，电子都不可能不是粒子；怎么看，电子都不可能不是波。那么排除这些不可能，剩下的唯一可能性就是：它既是粒子，同时又是波。

上学时学到原子结构时，“微观粒子具有波粒二象性”这一概念被深深印入我们的头脑，使得我可以轻松接受这一说法。当年的物理学家们到底面临了什么障碍，使得他们迟迟不敢迈出这一步（甚至没有想过该朝这个方向前进）？

孙悟空可以变成鸟，可以变成鱼。那么他的真身到底是什么？我们知道他是一只石头猴子，无论变成什么形态，真身都是石猴。那么电子呢，我们可以想象电子在“粒子”和“波”之间变来变去，它的“真身”是什么？

玻尔说：它的真身是什么没有意义！我们不关心大自然“本来”是什么，我们只关心能“观测”到的大自然是什么。我们想看到电子是个粒子，就让它在屏幕上打出个小点；想看到电子是波，就让它通过双缝组成干涉图样。这里的关键在于我们怎么观测它，而不是“它”究竟是什么。

这就是玻尔提出的“互补原理（The ComplementaryPrinciple）。

此前，薛定谔给出他的波动方程后，关于方程中的一个波函数ψ的物理意义，曾产生过争论（物理学家们并非总是先找到一个物理概念，再用数学来表达它，而经常先构造一个数学表达式，再去猜测它的物理意义）。薛定谔认为那个函数就代表“波”，而波恩指出，那是“概率”。单个电子可以出现在任何位置，但统计一大堆电子出现的位置，就会得出一个“波”状的图样。

海森堡的不确定性原理，玻尔的互补原理，以及波恩的概率解释共同构成了量子论的“哥本哈根”解释，至今仍深刻影响着我们对于宇宙的终极认识。标靶已经立好，经典体系的守护者与新时代的冒险家之间将展开一场世纪大辩论。

闲聊：

中学时代可以无脑记住“波粒二象性”，如今需要去理解时，我的第一个参考就是“盲人摸象”----有时摸到一条蟒蛇，有时摸到一堵墙。但随即发现这是“不同的部分”，合起来就是整体，与波粒二象性不太一样。

第二个参考是“白马非马”。“白”是颜色属性，“马”是生物属性，两个属性的组合不能用单一属性来描述，所以“白马非马，白马非白”。那么“波粒非波，波粒非粒”，这个思路好像靠点谱。但是“白”和“马”是可兼容的两个属性，它们可以同时展现出来，互为修饰----白色的马与红色的马不同；马的白色与牛奶的白色不同。而“波粒”不是这样的。它们甚至是相互矛盾、排斥的两个属性概念。当它是波时就绝不是粒子；是粒子时就绝不是波。

这个“波”被波恩解释为“概率”分布，但即使只有一个电子，处于波的状态时，它也是无处不在的。它可以同时通过两条狭缝，自己（的概率）与自己（的概率）发生干涉，形成新的概率分布。而粒子状态时，它就只是个粒子，如果它出现在一个位置，就不会出现在另一个位置，所以当它以粒子状态通过双缝中的一条狭缝时，不再与自己发生干涉。

至于它何时是粒子何时是波，取决于我们是否对它做观察。不观察它，就是波；观察它，就是粒子。从无所不在到确定单一位置这个过程，被赋予了一个概念----坍缩（collapse）。我们可以接受“不知道”它为什么、何时、怎样坍缩，但很难接受是我们的“意识行为”决定了它的坍缩。这与“公鸡啼鸣，叫出了太阳”有什么区别？

这些想法当然无法使我真正理解“波粒二象性”，但可以让我体会到为什么都拥有超级大脑的两群人会展开激烈的争论。玻尔说：如果谁不为量子论而感到困惑，那他就是没有理解量子论。费曼说：没人能理解量子论。好吧，因为我困惑，证明我还没走上歪路。