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基于最概然估计,克拉克·麦克斯韦和路德维希·玻尔兹曼得以证明,人们能够可靠地计算一个复杂系统整体行为的特定整体性质,例如,已知气体的体积和温度来计算气体的压强。

爱因斯坦看到,如果认为光束是一串持续量子流,这个令人费解的情况将立刻变得明白易懂。一个电子被发射出来是因为这些量子中的一个与其碰撞并且失去了全部能量。根据普朗克量子假说,那个量子中的能量值与频率成正比。如果频率太低,在一次碰撞中将没有足够的能量被转移以使电子能够逃离。另一方面,如果频率超过了某个临界值,将会有足够的能量使电子得以逃离。光束的强度仅仅决定其包含多少量子,因此也决定有多少电子被卷入碰撞并射出。

在1925到1926年间,现代量子理论已经变得非常成熟了。在理论物理学界人们的记忆里,这些奇迹之年仍然具有十分重要的意义,仍然能唤起人们的敬畏,尽管生活的记忆已不再造访那些英雄时代。当现代物理理论的基本面有所萌动的时候,人们可能会说:“我感觉1925年又重来一次。”这样的话语中有着依依不舍的意味。就像华兹华斯谈论法国大革命那样,“能活在那个黎明,已是幸福;若再加上年轻,更胜天堂!”其实,在上世纪最后的75年里,物理学界仍有很多重要的进展,但是尚未出现像量子理论诞生时那样物理原理的第二次彻底改变。

电子一个接一个到达探测屏,每一个电子都出现一个对应的标记,记录了它的撞击点。这清楚显示单个电子表现出粒子行为。然而,当大量的标记积累在探测屏上时,我们发现这些标记产生的集体图案,能显示出我们所熟悉的干涉效应条纹。在双缝中间点对面的探测屏上,有一个致密的暗斑,其对应于沉积电子数目最多的位置。在此中心带的两侧都有交替出现的明带和逐渐缩小的暗带,分别对应于没有电子到达和有电子到达的位置。这种衍射图案(物理学家对这些干涉效应的称谓)是电子表现出波动行为的明确标志。

这条福尔摩斯原理可以引导我们得出结论:这个不可分的电子同时通过了双缝。就经典直觉而言,这是一个荒谬的结论。然而,就量子理论的叠加原理而言,这是完全合情合理的。电子的运动状态是(通过狭缝A的)状态和(通过狭缝B的)状态的相加。

这说明了一个普遍特征,即在量子理论中,对测量结果的预测是统计性质的,而不是决定性质的。量子理论经营的是可能性,而不是确定性。

换句话说,发现什么样的电子行为取决于想要寻找什么样的性质。问一个粒子性问题(哪一道狭缝?),就得到一个粒子性的答案;问一个波动性问题(仅仅是关于探测屏上的最终累积图样),就会得到一个波动性答案。

对于某些人如薛定谔,这个问题激发的不仅仅是困惑。薛定谔对它满怀厌恶,他说,如果知道自己的想法将会引起这个“该死的量子跳跃”,宁愿当初没有发现他的方程!

原则上,完成该测量的一个方法就是照射光到电子上,然后通过显微镜去看它在哪里。(记住这是思想实验。)而光学仪器有一个极限分辨能力,这给精确定位目标施加了限制。任何人做定位的精度都不可能比得上所用光的波长。当然,可以通过使用更短波长的光来提高精度——这儿就引入γ射线了,它是非常高频(波长短)的辐射。然而,这个策略付出了一个代价,该代价源自辐射的粒子性质。为了使电子能够被看到,它必须偏转至少一个光子进入显微镜。普朗克公式表明,频率越高,光子携带的能量就越大。结果,减小波长将使电子在与光子碰撞时,其运动遭受越来越多无法控制的扰动。这就意味着,在位置测量之后,就越来越不知道电子的动量是多少。在增加位置测量精度和降低对动量了解的精度之间,不可避免地存在一个权衡。这就是不确定性原理的基础:不可能同时完美地了解位置和动量(数学附录9)。用更生动的语言来说就是,能知道电子在哪,就无法知道它在做什么;或者,能知道它在做什么,就不知道它在哪。在量子世界,经典物理学家认为是一知半解的东西就是我们能够做到的最好的东西。

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那么我们称为几率的东西就只是产生于我们对物理知识的不得而知,即我们无法了解那些隐藏的内部小时钟是如何设置的。

趋向无序的途径比趋向有序的途径要多得多,于是混乱能轻而易举取得胜利。