量子生命：一次切中双缝实验的奇迹

双缝实验，切中量子力学的内涵

那个光子和那棵苹果树，以及它们与量子世界的关系我们先暂且放一放，在此之前，我们要先介绍一个经典的实验。与这个实验所揭示的量子世界奇异性质相比，其本身显得简洁明了。在本书的剩余部分，我们总是要会用许多篇幅来解释新的概念，比如“量子叠加”。但是在这一章，没有什么比著名的双缝实验（two-slit experiment）更能切中量子力学的内涵了。

双缝实验对量子世界内涵的揭示直观而明确，那就是在微观的量子世界里，我们对宏观世界的所有认知都不再适用。粒子能够像波一样在空间里传播，而波在某些情况下也能够表现出单个粒子的运动方式。你对这种所谓的波粒二象性应该已经不陌生了：在引言里，波粒二象性对太阳向外辐射能量不可或缺；在第2章里，我们见识了电子和质子依靠波动性穿越酶促反应中的能量壁垒。而在本章中，你还会发现波粒二象性可能使得生物圈中最重要的生化反应——光合作用成为现实。空气、水和阳光经过光合作用变成了植物和某些微生物，继而食物链和整个生物圈才得以存在。但是现在谈论这些还是操之过急，我们首先要把注意力放在那个简洁而影响深远的实验上，这个实验让我们不得不接受“在量子世界中，一个粒子可以同时出现在空间不同位置”这个怪异的事实。理查德·费曼盛赞这一事实为“量子力学核心原则的体现”。

下文叙述的现象和解释对你来说也许不可思议，相比科学的解释，你可能更愿意相信这是某种魔术，甚至某些缺乏想象力的科学家白日做梦、随便捏造的理论。但是你还是不得不接受，因为虽然双缝实验的现象用常识难以理解，却是被科学家重复过千百次的事实。

下面我会分三个阶段来介绍这个实验：第一和第二阶段的实验权当是背景介绍和热身，而后你会看到令人困惑的第三阶段。

|第一阶段|

首先，将一束单频光（由同一种颜色，也就是同一波长的光组成）照射在一块有两道狭窄缝隙的光屏上，其中一小部分光穿过两条缝隙并照射到后面的第二块光屏上（见图3-1）。通过仔细地调节每条缝隙的宽度、两条缝隙的间隔以及前后两块光屏之间的距离，我们可以在后方的光屏上得到一系列明暗相间的条带，我们称之为干涉条纹（inferference pattern）。

将一束单色光（由特定波长的光组成）照射于第一块光屏上，在光屏的另一侧，每一条缝隙都相当于一个新的光源，由于光是一种波，可以从缝隙中“挤出”（衍射）并向外以同心圆的方式传播。来自两个光源的波在传播途径上相互重叠引起干涉，并最终在第二块光屏上产生明暗相间的条纹。

图3-1　第一阶段双缝实验

干涉条纹是波特有的性质，很容易在波的传递中观察到。比如把一块鹅卵石投入一方平静的池塘，就可以看到它激起一圈又一圈的波纹。而如果把两块鹅卵石同时投进池塘里，除了每块鹅卵石各自激起的波纹之外，在两股不同来源的波纹相交处就可以看到干涉现象（见图3-2）。如果在某个位置来自一股波纹的峰与来自另一股波纹的谷相遇，由于相互抵消，这些位置上不形成波纹：这称为相消干涉（destructive interference）。相反，当来自两股波的峰或者谷相遇，它们就相互增强：这称为相长干涉（constructive interference）。这种波与波之间相互抵消或者增强的现象发生在所有波的传递过程中。事实上，正是在200多年前英国物理学家托马斯·扬（Thomas Young）通过一个早期版本的双缝实验展示的干涉条纹，让他和同时代的其他科学家们相信光的本质是一种波。

图3-2　相长干涉与相消干涉

双缝实验中出现的干涉现象是由于光波具有穿过双缝传播的独特方式，这种方式被称为衍射（diffraction）。通过衍射，光波穿过两条缝隙以向外传播，如同池塘里的涟漪，来源不同的两股光波在到达第二块光屏之前也会发生交错和融合。

在第二块光屏的某些位置上，由于这些位置到两条缝隙的距离要么相等，要么相差整数个波长，所以来自两条缝隙的光波以相同的相位到达，这意味着在这些位置上波峰与波峰或者波谷与波谷相遇，波峰与波峰叠加成更高的波峰，而波谷与波谷则融合为更低的波谷，这就是相长干涉。波与波的融合形成了强度更高的光波，在光屏上表现为明亮的光带。而在另一些位置上，来自两条缝隙的光以相反的相位相遇，波峰与波谷相互抵消，在光屏上表现为黑色的暗带，也就是相消干涉。除了这些位置之外，光屏其余点上相遇的两道波介于完全的“同相”（in phase）和“反相”（out of phase）之间，所以第二块光屏上出现的并非边界清晰的明暗条带，而是由明到暗的平滑渐变，以最高亮度和最低亮度作为间隔的标志，这就是我们所说的干涉条纹。

平滑的强度渐变是任何波的干涉现象的核心特征。这种现象在日常生活中并不少见，比如声波。音乐家为乐器调音正是利用了声波干涉的原理。如果两个声音的频率十分接近但是又不完全相同，那么它们到达耳朵，有时同相而有时反相。声波相位交替导致的效应是音量周期性的强弱起伏，音乐家称这种规律的起伏为“差拍振动”[28]。调音时平滑的声音渐变正是由于两股声波之间的干涉。不过，“差拍振动”完全是一个传统概念，和量子力学没有任何关系。音乐家领先量子力学一步，早早就洞悉了波的干涉现象。

双缝实验的一个关键要素是必须使用单色光（也就是单一波长的光）。相比之下，白色光（比如由普通灯泡发出的光）则是由许多不同波长（包含了彩虹中所有颜色）的光组成的，如果用这样的光进行双缝实验，虽然对其中每一种波长的光而言，在后方的光屏上依旧发生着波峰与波峰，波谷与波谷之间的干涉过程，但是由于多色光形成的图像太过庞杂和凌乱，我们将观察不到明显的条带现象。就好比，要在一片平静的池塘里看清两块石头荡起的涟漪不算难事，而要在一口瀑布下错综复杂的波涛里找出它们激起的干涉水纹就几乎不可能了。

|第二阶段|

紧接着，在第二阶段的双缝实验中，我们不是用光，而换用子弹射击光屏。两者的区别在于，固体粒子不能像波那样弥散传播。因此，每颗子弹只能从两条缝隙中的一条穿过。通过向后方的光屏射击足够多的子弹，我们可以在光屏上看到与两条缝隙相对应的两列弹孔（见图3-3）。显而易见，粒子和波不能相提并论。每一颗子弹都是区别于其他子弹的独立存在，它们之间没有相互联系，所以也就没有干涉现象。

与在使用单色光中看到的波动性行为不同，向缝隙射击子弹得到的图形反映了子弹的粒子性。任何要到达第二块光屏的子弹都必须从两条缝隙的其中一条穿过（当然，这里我们假设任何不穿过缝隙的子弹都能被厚实的光屏挡住）。结果是，在后方的光屏上可以观察到对应两条缝隙分布的两列弹孔，而没有出现数列条带的干涉图形。

图3-3　第二阶段双缝实验

|第三阶段|

那么，我们现在要进入最后阶段的实验了：来看看我们的量子“戏法”。用原子取代子弹，我们再重复一次双缝实验。一个可以发射原子束的机器将原子射向光屏[29]，同时光屏上的两条缝隙已经调整到了恰当的宽度。为了检测原子的碰撞，后方的第二块光屏表面包裹了光致发光材料，每个原子的撞击都可以激发一个明亮的光点。

用宏观世界的眼光来看，原子不过是尺寸更小的子弹而已，应当符合宏观世界的经验。我们在实验一开始只打开左侧的缝隙，缝隙后方的光屏上出现了一道明亮的，由光点组成的条带。虽然在条带的周围有一些零星弥散的光点，不过与其说是原子主动射向了那里，不如说可能是原子在穿过缝隙时与缝隙边缘碰撞而发生了反弹。接下来，我们打开右边的缝隙并继续发射原子，来看看会出现什么情景。

如果从没有听说过量子力学而让你来预测光屏上光点的分布，那么你很有可能认为原子的分布方式与子弹的相同：那就是，每条缝隙的后方都会出现一道由光点组成的明亮条带，每条光带的中间是最明亮的，随着原子撞击频率的减少，条带两侧的亮度递减以至逐渐消失。你还会认为后方光屏上两条缝隙之间中线对应的位置是最暗的，因为来自两条缝隙的原子都很难到达那里。

然而事实并不是这样的。我们在实验中清晰地观察到了明暗相间的干涉条纹，就像在单色光的实验中一样。出人意料的是，光屏中最明亮的部分位于两条缝隙的中央：正是我们预测中认为很多原子不可能到达的地方（见图3-4）。不仅如此，在打开第二条缝隙后，只要我们愿意，通过调节两条缝隙之间以及两块光屏之间的距离，我们可以让原先明亮的部分（当只打开一侧缝隙时原子可以到达的位置）变暗（如今没有原子到达这些位置）。按照常识，打开另一条缝隙应当只是允许更多的原子通过，又怎么会改变原子的运行轨迹呢？

用原子发生器发射的原子取代子弹（当然缝隙的宽度和间隔也会有相应的调整），我们看到代表波动性的干涉图形再次出现。虽然由于粒子性，单个原子只能撞击光屏的某一个位置，但是当众多原子聚集分布时，却表现为如同光波的条带。干涉条纹只能来自两条缝隙中发生的衍射，如果同时穿过两条缝隙的不是原子，那会是什么？(www.xing528.com)

图3-4　第三阶段双缝实验

我们首先看能不能用简单的常识而不求助于量子力学的理论来解释这种现象。我们假设，虽然每个原子本身是位置确定的粒子——毕竟每个原子只能撞击光屏的某一个位置——但是数量庞大的原子互相之间发生了碰撞和干扰，最终让它们在光屏上呈现的图形发生了变化，表现为干涉的图像。这就像虽然我们知道水波是由水分子组成的，但是单个水分子并不会表现出水波的性质。成千上万的水分子协调运动才产生了水波，而每一个水分子本身则不尽然。所以有没有可能像游泳池里的造浪机一样，原子发生器直接喷射出了一股原子波？

为了测试这种理论的可能性，我们需要再进行一次原子的双缝实验，但是每次只发射一个原子。我们用原子发射器发射一个原子，等待光屏上某个位置出现一个亮点，然后再发射一个，以此类推。一开始实验的现象符合我们的常识。每一个原子从原子发生器射出后，就像子弹一样穿过缝隙、撞击光屏的某一点而激发一个亮点。但是从原子发生器到第二块光屏，原子的运动真的跟子弹一样吗？如果说实验一开始看不出量子力学有什么奇特之处，当撞击到光屏上的原子越来越多时，相应被激发的光点逐渐积累，光屏上又出现了明暗相间的干涉图形。原子是一个一个单独通过缝隙的，所以排除了原子与原子之间发生碰撞或者干扰的可能性，这说明原子发生器并没有像造浪机一样射出原子波。同时我们也无法回答一个已经提到过的问题，只打开一侧的缝隙时，第二块光屏上的那道条带却在我们打开第二条缝隙的时候消失了，尽管额外的一条缝隙在我们看来只是增加了原子撞击后方光屏的途径而已，但是原子在原本位置上的撞击还是消失了。看起来就像是从一侧缝隙穿过的原子似乎知道另一侧的缝隙有没有打开，并据此改变了自己的运动轨迹！

我们梳理一下实验的过程，从光屏上被激发的亮点可以推论，每个原子在离开发生器和到达第二块光屏时都是非常微小的单个固体粒子，在这之间，原子经过双缝的时候发生了某种神秘的变化，使得它像弥散的波一样同时穿过两条缝隙并继续扩散，而来自两条缝隙的成分在向前传播过程中发生了干涉。如若不然，还有什么原因能够让一个原子意识到同一时间另一条缝隙的开闭状态呢？

如果这是某种魔术，我们来看看能不能在缝隙后方对经过的原子守株待兔。借助探测器，我们就能够对穿过缝隙的原子进行检测。比如，在左侧的缝隙安装一个探测器，每当有原子通过左侧缝隙撞向后方光屏的时候，它就能给出一个信号（比如“哔哔”的声音）[30]。同样的道理，我们也可以在右侧的缝隙再安装一个探测器。接下来，如果有原子通过左侧或者右侧的缝隙，那我们就能听到来自相应一侧的探测器信号；而如果原子真的能够以某种方式在通过双缝时摈弃它如同子弹一般的粒子性，同时穿过两个缝隙，那么两侧的探测器应当会同时响起。

如今我们知道，当只发射一个原子并在后方光屏上激发一个光点的时候，左边或者右边的探测器就会给出信号，但是从来不会出现两个探测器同时被激发的情况。这似乎足以证明，虽然原子束发生了干涉现象，但是每个原子的确是从左右缝隙中的一条，而不是同时从两条中穿过。但是先不要急于下结论，随着原子的发射和光屏上光点的积累，我们发现光屏上出现的图形不再是干涉图像。后方光屏上显示的仅仅是两道明亮的条带，原子的运动方向就如我们在使用子弹的实验中看到的那样，被严格“限制”在两条缝隙之后。是不是如果有“旁观者”的存在，原子就会在面对双缝的时候失去粒子性？就像在这个实验中，它们的表现与传统的固体粒子无异。

也许探测器就是问题所在，是探测器干扰了原子穿过缝隙时奇异而又脆弱的运动方式。我们可以通过移除一个探测器的方式来验证，比如移走右侧的探测器。即便少了一台探测器，我们依旧可以获得和两台探测器时一样的信息：在发射原子后，如果探测器发出信号并且光屏上出现亮点，那么原子就是经过了左侧的缝隙；而如果发射的原子仅仅在光屏上激发了亮点却没有触发探测器，那么原子就是通过右侧的缝隙到达光屏的。这样我们依然可以知道原子经过了哪一侧的缝隙，但是我们仅仅“干扰”了其中一侧的原子。如果探测器的确是造成原子运动改变的原因，那么我们将看到触发探测器的原子表现为粒子性，而没有触发探测器的原子（也就是穿过右侧缝隙的原子）表现为波动性。要是果真如此，我们也许能在光屏上看到子弹样图形（从左侧缝隙穿过的原子）和干涉样图形（从右侧缝隙穿过的原子）的混合图像。

但是这样的图像并没有出现。即便撤走了一边的探测器，我们还是看不到原先的干涉图形，光屏上只能看到每条缝隙后面的子弹样图形。看起来仅仅一个用于检测原子的探测器存在，就足以打乱两条缝隙内原子的波动性运动，哪怕这个探测器与另一条缝隙间还有一定的距离！

当然，也可能是左侧的探测器对原子的运动产生了物理阻挡，就像湍急溪流中的一块大石头改变了水流一样，因此我们尝试关闭探测器。探测器依旧在原位，如果它阻挡了原子的运动，那它还会有阻挡的影响。然而，当探测器还在原来的位置，只是关闭了之后，干涉条纹居然重新在光屏上出现了！所有的原子又再次表现出波的性质。为什么左边的探测器在工作的时候原子表现为粒子性，而一旦关闭，原子就表现为波动性呢？为什么通过右侧缝隙的原子会知道左侧的探测器到底是打开的还是关闭的呢？

最后阶段的实验终于需要我们把常识放在一边了。对于像原子、电子和质子这样微小的物体，我们必须借助波粒二象性来理解它们的行为：如果我们不清楚它们会从哪条缝隙中穿过，它们的运动将符合波的性质，而当我们对它们的运动进行观察，它们的运动则符合粒子的性质。你可能还记得我们在引言中介绍过的阿兰·阿斯拜克特也遇到了观测的问题，他和他的研究团队在研究量子纠缠态时用一块偏振镜分离质子，偏振镜强迫质子选择一个确定的运动方向，这种观测破坏了质子的量子波动性，阿斯拜克特也因此没有证实纠缠态的存在。与之类似，双缝实验中对原子的测量，迫使它们不得不选择从左侧或者右侧的缝隙中穿过。

量子力学的确可以为我们提供对这些现象的合理解释，但是它仅仅解释了我们的所见——三个阶段双缝实验的结果——却不能告诉我们在没有观察时到底发生了什么。但是考虑到我们所能做的一切都建立在观察和测量之上，想要不观察而单凭量子力学就推导出整个过程显然力不从心。因为谁也无法评估一种“解释不知道实验过程为何”的理论是否合理，而一旦我们对实验过程进行观测却又改变了本来的结果。

|量子力学的解释|

量子力学对双缝实验的解释是，在一个给定的时间点，每一个原子在空间内所在的位置都必须由一系列概率来描述。这些概率正是我们在第1章里介绍的波动方程。当时我们打的比方是，一场盗窃的风波席卷全城，这些参数代表每一个区内发生入室抢劫的概率。类似地，波函数代表在某一个时间点，双缝实验中一个原子位于装置内空间任意一点的概率。但是我们强调过，入室抢劫发生的位置实际上是确定的，“犯罪发生的概率”仅仅在我们不知道它确切的事发位置时才有意义，而相比之下，双缝实验中的波函数是用来描述原子在空间中确切位置的参数，在我们对原子的位置进行测量之前，任意时刻原子的的确确同时存在于空间的任何位置，区别在于，概率参数低的位置上我们检测到原子的可能性也相应较小。

所以，对于原子在装置内的运动，相比单个粒子从发生器穿过缝隙打向光屏这种设想，从发生器到光屏之间连续分布的波函数才是更恰当的想法。在缝隙处，原子的波函数一分为二，两条缝隙各自获得一个原子通过的波函数。需要注意的是，我们在这里的描述都仅仅是抽象的数学变化而已。然而一旦我们进行观测就会改变实验结果，所以要追问原子在穿过缝隙时到底发生了什么是没有意义的。要想弄清我们不观测的时候到底发生了什么，就像要弄清楚家里冰箱的灯在冰箱门打开前是不是亮着的一样：你永远无法知道，因为在偷看的一刹那，你已经改变了整个系统。

那么问题也来了：以波函数存在的原子什么时候又“变回”粒子了呢？答案是：当我们试图检测它位置的时候。当我们采取任何针对原子位置信息的检测手段时，原子的波函数塌缩为一个唯一的可能性。虽然在入室抢劫的例子里，罪犯的行踪在警察抓住他之后，也从一系列的可能性塌缩为一个确定的点，但是在罪犯的例子里，受到侦察结果影响的仅仅是我们手中有关罪犯下落的信息。不论我们知道与否，某一时刻罪犯都只出现在空间上确定的某一个位置。然而原子不同，如果不进行检测，一个原子实际上真的无处不在。

所以，量子力学中波函数所描述的是，假设我们在某时某处进行检测，我们能够在该点检测到原子的概率。波函数大的位置，意味着检测到原子的概率高。但是在参数小的位置，比如由于发生相消干涉，在相应位置上检测到原子的概率也就相应的低。

现在让我们来想象用波函数的形式跟随一个从发生器射出的原子。这个原子像波一样朝双缝弥散，在缝隙处，它以相同的振幅进入两条缝隙中的一条。如果我们在其中一条缝隙后安装探测器，那么可以预见两个概率相同的事件：我们有50%的概率在左侧的缝隙检测到原子，另有50%的概率在右侧缝隙检测到原子。不过有一个关键的细节，如果我们不试图在第一块光屏之前检测原子，那么在穿过缝隙之前波函数不会发生塌缩。在量子力学中，我们会说此时这个原子处于量子叠加态：单个原子同时出现在空间里的两个位置上，换句话说，左侧和右侧的缝隙同时获得了一个波函数。

从左侧和右侧的缝隙中穿过的两个波函数继续向外弥散出数学意义上的涟漪，涟漪相遇之处，有的发生相长，振幅变大，有的发生相消，振幅减小。这与光波或者其他所有真正的波在双缝装置中的传播方式类似，只不过波函数是一个抽象的函数。但是不要忘记的是，无论这个波函数现在看起来多么复杂，它都只是在描述单个原子在空间里的运动。

第二块光屏实际上充当了对原子位置信息进行检测的作用，而波函数让我们能够计算原子在光屏上不同位置出现的概率。光屏上明亮的部分代表着来自两条缝隙的波函数相互增强的位置，而暗的部分则对应波函数发生相互抵消的位置。波函数相互抵消意味着原子出现在该位置上的可能性为零。

不要忘记波函数相长和相消的过程——也就是量子干涉——哪怕在只发射一个原子的时候也会发生。回忆一下打开一条缝隙时，第二块光屏上某些原子可以到达的位置，却在第二条缝隙打开后没有了光亮，而每个原子都是单独发射的。一种合理的解释可能是，当两条缝隙都打开时，每个从发生器射出的原子都可以拟合一个波函数，经过双缝干涉，光屏上某些位置发生的相消干涉抵消了原子在此出现的可能性，而由于单缝实验中没有干涉现象，所以原子本可以到达这些位置。

所有的量子实体，无论是最基本的粒子，还是由它们组成的原子、分子，都像波一样具有能够与自身发生干涉的相干性特征。在这种量子状态下，它们可以表现出许多怪异的量子行为，比如同时出现在两个不同的位置、同时向两个方向旋转、洞穿不可逾越的障碍物以及与远处的另一个粒子发生隔空的量子纠缠。

既然如此，对本质上是由量子粒子构成的你和我而言，为什么我们没有拥有同时出现在两个不同地方的能力呢？这对一些日理万机的人来说将有如神助。这个问题从某个角度来说非常简单：物体的体积越大，复杂程度越高，它们的波动性就越弱。且不说人类身体的体积和质量大小，哪怕是任何可以被肉眼识别的物体，都会因为量子波长太短而失去讨论其波动性的意义。更深一步，你可以想象身体的每一个粒子都受到周围其他粒子的观察和测量，所以每个粒子脆弱的量子属性马上受到了破坏。

那么，到底什么才是“测量”呢？我们在引言里对这个问题已经有了简单的涉及，但是现在我们必须展开更详细的讨论，因为这是回答另一个中心问题的关键：量子生物学到底有多么“量子”？