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小姐的奇异表现:量子尺度下的粒子涟漪

时间:2023-08-17 理论教育 版权反馈
【摘要】:星星很开心自己也获得了“小姐”的称号。落在最后的是钢笔小姐,她正在蓝色笔记本上边走边写。唯有物质在量子尺度上的奇异表现,对我们而言是完全不可感知的。

小姐的奇异表现:量子尺度下的粒子涟漪

“嗨!”一个人扬起一头罗曼蒂克的中长卷发,挥舞着挽起袖管的手臂,神采奕奕地注视着她们徐徐降落。身边的乌鸦先生看起来平静得多。

“我已经为你想好了一个名字,你可以叫他‘打鼓先生’[1],怎么样?”乌鸦先生一边梳理着坐骑的羽毛,一边对星星说。

“打鼓先生?你是个音乐家吗?”

一件过分宽大的夹克衫、一条塞得下两个人的西装裤,遮掩着对方瘦高的身材。他恶作剧般地狡黠一笑,说道:“请叫我宇宙和弦的击打者,小姐。”

星星很开心自己也获得了“小姐”的称号。长大好像就在不知不觉中发生了。

“好的,‘宇宙鼓点先生’,你们刚才是从那条道上走过来的。是吗?”

乌鸦先生抢先点头。

“如果有人这么提问,我可不敢轻易回答,简单到过分的问题到头来往往会很棘手。”宇宙鼓点先生交叉握住双拳,与星星四目相接。

星星扭头去看钢笔小姐。

“好吧,两位先生,我正在给她解释光子的运动,通常人们会倾向于认为,一颗光子从太阳飞向地球是选定了一条路径,要不左边,要不右边……”

“原来是这番苦心。”宇宙鼓点先生竖起一根食指,像跟着音乐伴奏那样,在半空来回摇摆,“光子的表现总是超出所有人的预期。不过,我觉得很有必要补充介绍一下,这些来自太阳核心的‘信使’到底是什么东西。它们日复一日地在空间中漫游,辛勤地传递着来自宇宙的讯息,但在很长时间里,我们甚至不完全认识它。你们有没有异议?”

“当然没有。我也认为这很有必要,我们散步时总会事先选好一条道,光子则不然。要想理解这一点,不得不从头说起。”在三条腿的怪鸟带领下,乌鸦先生也向着前方慢慢踱起步来。

宇宙鼓点先生开始了自己的长篇大论:“牛顿始终相信光子就是一种体积很小很小的粒子,聚在一起,形成光束,但同时代也有一些科学家认为事情没那么简单。就像我说的,太显而易见的结论通常并不可靠。他们始终怀疑光子其实还是一种类似涟漪的波。可惜,除非光子能够拿出证据证明自己,不然就像那些古代人对于原子的直觉一样,这种结论也只能是一种假想而已。”

星星插话道:“光子肯定是颗粒,所有物质都是原子组成的嘛,原子就是一种颗粒。”

“看吧,人们对光的基本存在不够了解,还经常自信满满。小姑娘,光子可不是原子,它和原子里头的电子、质子才是一个量级的东西。”宇宙鼓点先生说,“说回光子是什么形态。1801年,有个天才终于找到了光子是什么的证据[2]。此人2岁时就学会了阅读,4岁就能将英文佳作与拉丁文诗歌背得滚瓜烂熟。9岁时,他已经开始动手制造一些物理仪器,并且学会了微积分和制作显微镜望远镜,到了14岁,甚至直接跑去了剑桥大学代课,教的是希腊文。这一年,他28岁了。”

“听起来更像是个语文老师……”星星好奇地望向宇宙鼓点先生,脚步则和乌鸦先生一起,跟随着乌鸦慢慢前行。落在最后的是钢笔小姐,她正在蓝色笔记本上边走边写。

“你可以说,科学就是一门语言,一种充满理性逻辑的、用来描述世界规律的另类诗篇。”乌鸦先生在一旁挥手道。

“嘿,你的洞察永远这么大胆。[3]那位天才先生也有这样的天赋。他弄来了一块不透明的金属板,在中间雕刻了两条平行的狭缝。金属板的正前方摆放了一面投屏。接着,他站在金属板的后方,朝着投屏方向发射了一束激光。”宇宙鼓点先生点头示意,视线转回星星身上,“又到了考验你的时候:如你所说,假设光子是一种颗粒,你觉得投屏上会出现什么花纹?”

“可能是两条亮亮的光带……”星星有些迟疑地说。

“如果是颗粒的话,有些光子应该会从左边狭缝穿过,有些则会穿过右边的狭缝。选了左缝的光子不可能知道有右缝的存在。对吗?这将是两路互不干扰的光子……有没有被绕晕?”(www.xing528.com)

“还好。所以这次,我的判断正确无误喽?”

“实验很快就能给你结果。投屏上出现的可不是什么光带,而是明暗间错的‘斑马纹’。看起来,在某些区域,光子堆积到了一起,形成了亮带;另一些区域的光子遭到驱赶,形成了暗带。这种‘斑马纹’正是波所特有的!这足够说明光子在传播的时候其实是一种波。将穿过左缝的光束视作一个波,将穿过右缝的光束视作另一个波,当频率完全相同的两个波相遇,相互干扰,就出现了投屏上的一幕。”

乌鸦先生轻轻咳嗽。三足鸟慵懒地扭摆着头颅。

“这很好理解,如果往湖里同时丢进两块大小完全相同的石子,它们激起的水波涟漪也会彼此干扰啊,有些地方,波的振动幅度叠加了,所以表现出比单个波更强的能量,波纹显得更加强烈;有些地方恰恰相反,两个波的能量恰好抵消,湖面显得更加平静了。”他说。

托马斯·杨双缝干涉实验示意图

星星努力回想着那次去乡村的度假。爸爸捡起一些扁扁的瓦片,甩脱手心,它们便像小鸟那样飞掠而去,轻啄湖面,留下缓缓扩散的叹息。

妈妈铺好了蓝色格子的野餐垫。小狗“奥利奥”舔弄着前爪。外婆紧闭双眼,安静地收听不远处知了和青蛙的合奏,几片硕大的旅人蕉为她遮挡太阳……此时星星真的想家了。

“投屏上的亮带就是波峰或波谷叠加在一起的效果,那里积聚了更多的光的能量,所以被照亮了;暗带是由波峰和波谷彼此抵消造成的能量的真空地带。你别走神哦,实验才刚刚开始呢,现在我得多重复几遍,让你多和这几个概念打打交道:光子、双缝、波、干涉条纹……后来的100多年,人们就在这块金属板上发现了光子运动真正的轨迹,结论惊世骇俗。”宇宙鼓点先生将星星的思绪拉回当下。

钢笔小姐追上来,将笔记本递给了星星。

通常你很难想象一颗光子的活动。龙舌兰肥厚的利爪伸向天空挥舞,蜥蜴毒蛇躲在雨林的迷宫中打盹,五颜六色的鱼类绝望地困在渔猎者的甲板上,人类在稀奇古怪的仪式中大放悲歌,盛有几片落叶的白色瓷碗正在等待橡胶树流下的热泪,离别的恋人气咽声嘶于偎依之间……这是我们看得见的世界。一个遵循经典力学原理运行并被充分观察到的世界。

如果将想象的开关拨弄到极限,天空还将由数面镜子拼接而成,地心是蓝色的,宇宙的掌声停留在哪个角落远远近近地合鸣,而玻璃杯碰在一起发出了梦碎的响声[4]。这是我们想象的世界。一曲存在于意念的诗意之歌。

两者都是我们可以触碰的世界,停留于指尖或浮现于脑际。唯有物质在量子尺度上的奇异表现,对我们而言是完全不可感知的。而接下来的一系列“双缝实验”就是你窥测真相的窄窄的入口之一,认识光子,你才真的认识了世界……

“那么,我们就在屋顶上见?”星星还想继续看下去,只听宇宙鼓点先生对乌鸦先生说道。乌鸦愉快地发出咕哝声响,仿佛在为自己免于驮运四个人而庆幸。

“没问题,”乌鸦先生眯起眼睛,“我知道该在哪里接过接力棒。”

星星再次回到了柔软的羽毛之间。

[1] 费曼酷爱演奏邦戈鼓。

[2] 指英国物理学家、光的波动说的奠基人之一托马斯·杨(Thomas Young,1773—1829)。1801年,杨做了物理学历史上著名的双缝干涉实验,证明了光是一种波,而当时牛顿的微粒说已经统治100多年。

[3] 费曼和惠勒是量子研究领域的双璧,尽管惠勒看起来行为保守,但他的想象力实则更为飞扬,观点也更激进大胆;相比之下,看起来大胆的费曼则较为谨慎。

[4] 此处化用了诗人北岛的诗《波兰来客》。

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