25 魔砂（3）

    “在开始我们的研究之前，还是先来看一看颗粒和波动这两种粒子形态的矛盾关键所在，并了解一下那个世界的个别科学家为解决这个矛盾所做的进一步努力。”米西雅一边说一边启动第三只眼睛的三维投影。

    投影中显示出一个个从空中飞过的小球，然后又显示出水面扩散的波纹和空气中振动的声波。

    “看完这两种物理形态的运动方式，你觉得它们各自有什么特点？它们之间有什么区别？”

    “我觉得……觉得……颗粒……它们只能……占据空间中的一个位置，而波动……可以占据一片空间区域，或者……占据整个空间也有可能吧？”我努力地一边观察一边总结颗粒和波动的特点。

    “你确实找到了颗粒和波动的一个重要特点和区别，那就是颗粒在某一时刻一定只能位于空间中的某一个确定的位置处，称为局域性；而波动在某一时刻则可以占据空间中的一个区域，称为广延性。不过，颗粒和波动之间还有一个更加关键的区别你可能没有注意到。”米西雅又替我完美地总结了一遍，却提示我的回答并不完整。

    “那……是什么区别呢？”我已经实在想不出来了。

    “你看，小颗粒自己本身就是物质，所以周围就算全是真空，它也依旧存在着。而水波也好，声波也好，如果没有水和空气这些波动的介质，它们还能存在吗？”

    “呃，我明白了，波是物质的波，没有物质就没有波，而颗粒本身就是物质。”

    “所以，颗粒和波动的一个更重要的区别就是，颗粒本身就是由物质组成的体积质量很小的物体，因此颗粒能够在真空中穿梭；而波动只是物质的一种运动形式，没有物质的存在，波动就什么也不是，因此波动不能在真空中传播。”米西雅把颗粒和波动的另一个区别也总结了一遍，接着又说：“不过这些颗粒和波都是我们日常生活中可以看见的，它们的特点和区别都是我们从宏观世界的观察经验中总结出来的——那个世界的科学家喜欢把建立在宏观世界的直观经验上的概念都叫做‘经典的’。而‘既是颗粒又是波动’的微观粒子就完全不是这样了！”

    “那会是怎样的呢？”

    “以光子为例，你知道光的波动性是很明显的。只要在看远处的时候把你的手指放到眼前，你就能在手指的轮廓周围看见光线的衍射现象；另外，单色的光穿过两道狭缝也很容易在成像底片上得到干涉条纹。但你也知道光是可以穿过真空的，而且光的能量是离散的，这些特征却是经典意义上的波动无论如何都不可能满足的，只有认为光是由小颗粒组成的才能解释。于是那个世界的爱因斯坦只好说光既是颗粒又是波动，但既不是经典的颗粒又不是经典的波动，他把这称为‘波粒二象性’。后来别的科学家受到他的启发，发现了所有的微观粒子都是如此：既是颗粒又是波动，但既不是经典的颗粒又不是经典的波动。”

    “看来，作为物理大神，爱因斯坦的思维果然不是我这种智商的人可以理解的。”仔细了解了什么是波粒二象性，我唯一的感觉就是抓狂。

    “不用被物理大神吓坏了。你有没有发现，爱因斯坦的这个说法对于认识微观粒子的本质，其实并没有解决什么问题？”米西雅微笑着问我。

    “是呀，我实在想不出既是颗粒又是波动，但既不是经典的颗粒又不是经典的波动的微观粒子到底是什么样子。”

    “不仅你想不出，别的人也一样想不出，包括爱因斯坦自己。”米西雅又开始安慰我，“不然他也就不会和玻尔争论半辈子了。不过，说到这里，我就顺便讲讲玻尔他们的观点。除了海森堡这个很厉害的小弟，玻尔在丹麦哥本哈根的团队里还有一位名叫波恩的高手。他注意到微观粒子穿过两道狭缝后在成像底片上得到的干涉条纹是由无数个粒子的落点拼成的，而单个的粒子落在底片上留下的只是一个点，于是提出，粒子的波动并不是以连续分布在整个空间中的物质为介质的经典波动，而是点状的粒子位于空间中不同位置的概率——这种概率的高低随着空间位置的不同按照波动的规律变化。即使是单独的一个粒子也会倾向于跑到概率高的地方去，这样当粒子的数量足够大时，所有粒子的空间分布就表现出波动的规律性来了。这就是许多粒子的落点可以拼出干涉条纹来的原因。玻尔他们把描述粒子在空间中的分布概率高低按波状变化的这种规律叫做‘波函数’。它是由一个粒子当前的运动状态和这个粒子与其他粒子或宏观物体的相互作用所决定的，并且还是一个偏微分方程的解。这也正是我前面说的描述微观粒子形态的两种数学模型中描述微观粒子的波动形态的那一种。”

    “嗯，波恩的这种解释看起来还挺合理的。”听了波恩的说法，我觉得总算可以理解微观粒子的波动了。

    “但不要忘了如果我们观测了粒子在哪里，粒子的波动性就会消失这个事实。波恩的解释在这时就很勉强了：他说，当一个粒子没有被观测时，粒子位于各个空间位置的概率高低就按一道均匀地扩散到整个空间的波的规律分布，粒子不仅在整个空间的任何地方都有可能存在，而且根本就没有位置这一概念可言；如果我们在某个空间位置处发现了这个粒子，这个粒子位于其它位置的概率就全都变成了0，只有这里的概率是100%，相当于这里出现了一个高度趋于无穷大，宽度趋于无穷小的孤立波峰，而其它位置的所有波峰和波谷全都变成了一马平川。玻尔他们把这种情况叫做‘波函数坍缩’。为什么微观粒子一旦被发现，决定它位置分布的概率就立刻发生这么大的变化？观测过程中到底发生了什么？按照波恩的理论，在被发现之前，一个粒子在整个宇宙中任何地方出现的概率都可以不为零，一旦我们在某处发现了它，那么它位于全宇宙其它地方的概率就瞬间成了零，这个概率变化的传播速度毫无疑问突破了光速，究竟可以有多快？是不是无穷大？粒子在被发现之前真的在整个空间中无处不在吗？还是可能就呆在某个位置，只是我们不知道而已？还有粒子的位置分布概率究竟是由什么决定的？这种概率的本质是什么？……这样的细节问题还可以提出许多来，可惜波恩不知道答案，玻尔和海森堡也不知道，爱因斯坦一想到粒子在被观测瞬间的空间分布概率变化的传播速度可以突破光速就寝食难安，于是从此开始和他们死磕。”

    米西雅在讲解波恩怎样解释微观粒子被观测的这个过程的同时，也说出了爱因斯坦和玻尔之间争吵的源头，我觉得很有趣，但那无数的细节问题也让我明白，接下来会有大量让自己头疼的东西在等着自己去理解。

    “玻尔和他的兄弟们对自己的理论非常自信，因此他... -->>
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