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核心秘密:波粒二相性

  核心秘密:波粒二相性

  十分確定地說,今天的科學現代化,90%源自于對一個實驗的不斷研究,以及由此實驗發展出來的科學技術。人們圍繞這個實驗不斷創造出各種各樣的電子儀器和高科技産品(衛星、液晶電視等等)。這一實驗即是讓世界一流科學家對心靈哲學發生根本認識改變的原因,也是領悟心物是如何一體的核心秘密所在。下面,我們即詳細論述這個實驗——波粒二相性,和理解其帶給我們的深遠意義。

  

  

   光是波

   證明1.

   首先,假定電子(和光子)是一個如臺球一樣的粒子。而日常中物質粒子——如一個臺球的運動是如下情況:

   實驗1:   

  

  

  當用一個可以發射臺球的臺球槍對著一道狹縫隨機發射許多臺球的話,那些正好穿過狹縫的臺球就會在單縫隙後面的屏上形成豎著的一道“臺球”條紋(也可以說是印迹)。

  實驗2:

  

  當用這個臺球槍對著兩道狹縫隨機發射許多臺球的話,那些正好穿過狹縫的臺球就會在兩道縫隙後面的屏上形成豎著的兩道“臺球”條紋。

  實驗3:

  

  

  投一個鐵球到水池中激起一道水波,當水波穿過帶有一條縫隙的擋板後,會由于波所特有的衍射特性,在擋板後面再次形成和擴散出去另一道水波,然後這道波會打在後面的屏上。

  實驗4:

  

  當再次激起這麼一道的水波,在穿過帶有兩個縫隙的擋板後,由于波所具有的衍射特性,這時會在擋板後面形成兩道水波。這兩道新形成的水波在交織碰撞後,就會發生“波”所特有的幹涉現象——即在擋板後面的屏上形成了以波能量強度(波的振幅)爲特征的幹涉條紋。

  實驗5:

  

  

   用一個可以發射電子的電子槍——這個電子槍與你家的手電筒在原理上一模一樣,所以這時也可以看作是一支可以控製發射發光強度的精致的手電筒,對著帶有一個縫隙的擋板發射許多電子時,這時就會在後面的屏上看到一道亮的光芒帶——如同水波通過一條狹縫發生的情況一樣(注:由于對實驗所用器材、形式和表述說明的差異性,這時也可認爲是出現一道“電子條紋”)。

  實驗6:

  

  

  當用電子槍對兩條狹縫發射許多電子時,這時就會在後面的屏上看到,如同水波通過兩條狹縫産生波的幹涉條紋一樣,衆多的電子在通過兩條狹縫後,共同協力形成了幹涉條紋的圖案。

  結果非常清楚而簡單:

  如果電子是如臺球一樣的粒子,那麼當用臺球槍隨機向帶有兩個縫隙的擋板發射臺球的時候,在後面的屏上就會出現如實驗2中的兩道豎向臺球排列的條紋(印記)。但是,人們看到的卻是如實驗4中的水波穿過兩個縫隙形成的幹涉條紋一樣的電子的幹涉條紋,所以人們確定電子具有水波的特性——衍射和發生幹涉的特性——也就是由于這一特性人們才十分確定地說,電子(光子),是以波的形式在空間中穿行的。

  

  問題是,電子是波這一點有什麼奇怪的嗎?

  因爲兩道波相撞後會發生幹涉現象——波峰與波谷相遇波會消失,波峰與波峰相遇波會被加強,波谷與波谷相遇波谷會更深,所以如果光(電子等同于光子)是波,就會出現兩道光照到一個地方會更黑的現象(以上電子的幹涉條紋完全證明了這一現象已經發生了),那麼我們就得接受如下怪誕的事情:

  

  比如,在夜晚一根針掉在了地上,然後你打開了一支手電筒去找這根針。但是由于手電筒不太亮而看不清楚地面,結果你的一位朋友爲了幫助你就用了另一支手電筒同時去照射丟針的那塊地面。這時令人驚訝的事情出現了,兩道光照射在一起應當更亮才對,但是當兩道光共同照在一起的時候,竟然變得毫無光亮使得地上更加黑暗。除非遇到“鬼”,否則怎麼會出現這樣奇怪的事情呢?(當然,以上這種情況在日常生活中不會出現,因爲條件不嚴格。但是在嚴格的實驗條件下是完全會出現的——這嚴格實驗中還要涉及到同一光源的問題)。

  

  兩道光加在一起竟然會變得更黑,讓一百年前所有的科學家都無法接受,但是這一現象不是由“鬼”造成的,所以,人們無論怎麼不情願也得接受“兩道光加在一起會變得更黑”的現象,即必須接受光是波的事實。

  

  證明2.

  

  

  還有一個我們日常生活中的常見現象可以證明光是波,即我們經常在肥皂泡上看到五顔六色的光彩。白光(如陽光、燈光)是含有所有不同波長,或者叫做含有所有顔色光波的光。當從水膜一邊反射回來特定波長光波的波峰和從另一邊反射過來的波谷相重合時(即發生波的幹涉),對應于這一顔色波長的光波就不會出現在白光中——波峰與波谷相遇相互抵消了,這也如同物質從虛空中消失了。這樣當白光中缺少某一波長的光波時,其它波長的光波就會暴露出來,而顯現出五顔六色的光芒。如果光是由粒子組成的,那麼就絕不會出現這種幹涉現象。只有光是波的情況下才會出現這種幹涉現象。

  

  光是粒子

  既然確定光是一種波了,世界上的人們就接受這個結論就好了。然而,爲什麼人們又“無事生非”地去發展出一種理論說“光”不是波而是如臺球一樣的“粒子”呢?或者說,創造這種學說有什麼用呢?

  

  光是粒子的證明:

  證明1.

  

  如果一束光照到金屬表面的話,就會産生電流,這一現象叫做“光電效應”。

  這一效應一開始是由德國物理學家赫茲在1887年發現的。但是由于那個時候人們堅信光是一種波,而波是無法把金屬中的電子“敲”出來以形成電流的。所以對光電效應一直沒有獲得過合理的解釋。到了1905年愛因斯坦對這一現象做了詳細研究,並發表了一篇論文(同年愛因斯坦發表了狹義相對論),說明了光應當是由粒子組成的。如果光是由粒子組成的,光電效應就獲得了合理的解釋。

  

  然而,雖然當時令人極爲震驚,但沒有人把這篇論文當回事。由于愛因斯坦發表了相對論後名聲漸旺,促使一位美國物理學家密立根固執地用10年時間精心設計實驗以證明愛因斯坦是錯的。結果,他成功地證明自己錯了,也使其他每個人都相信愛因斯坦是對的。愛因斯坦由這一論文(而不是相對論)在1922年獲得了諾貝爾獎。付出終有回報,第二年,即1923年密立根由于自己證明自己錯了的實驗同樣也獲得了諾貝爾獎。至于說到創建這種粒子理論有什麼用?最簡單的說,它是今天科學技術高速發展的理論支柱。

  證明2.

  

  

  我們能否定位水波爲一個擁有特定方向的點呢?答案是,不能。原因是,波是一個向四周擴散出去的東西,所以就無法被定位。進一步說,如果光是波,天上的星星都將無法被定位,也就是人們無法看到天空中的任何星星。天空將變成什麼樣呢?如果你看過雨中池塘表面形成的雜亂幹涉圖案,你就會想象到夜晚的天空應該是一片雜亂的光芒。所以,當星光打到我們的視網膜上時,必須是以粒子形式出現的,只有這樣我們才能定位星星的位置。所以最簡單地說,光必須是粒子而不是波。

  

  最終,光到底是粒子還是波?幾十年前的科學家曾有一段戲言:世界上所有的科學家周一談光是粒子,而周叁談光是波。經過近百年爭論,讓世界上最聰明的人們最後達成了共識,這一共識也成爲了量子力學的核心奧秘:所有的粒子都是波,而所有的波都是粒子。

  

  這種即是波、又是粒子的現象說明了什麼?生命存在的意義與此有什麼關系?

  我們延續以上的實驗而通過問一個問題就會發現秘密産生的本源:什麼情況下光是粒子?什麼情況下光是波?

  實驗7.

  

  

   當科學家在縫隙處放上監視器,再用電子槍向帶有兩個縫隙的擋板發射許多電子的時候,竟然驚訝地看到,電子們(或者說一道光波)在監視器處突然變成了如臺球(即顆粒狀)一樣的粒子嗖嗖地飛過,而且在後面的屏上不再形成幹涉條紋,而是如同在實驗2中用臺球槍向帶有兩個縫隙的擋板發射臺球時的情況一樣,在屏上會形成兩道電子條紋。就是說,在縫隙處放上監視器的實驗完全證明了電子是個粒子,而且其波的屬性立刻消失了。

  

  也即如同在實驗2中發射臺球的情況一模一樣,一個電子粒子一次也只能穿過一個縫隙。即一個電子絕不會像波一樣同時穿過兩個縫隙。比如說,假如你只發射一個電子,那麼如果在縫隙1處看到一個電子通過了,那麼在縫隙2就絕不會有電子通過。如果在縫隙2處看到有電子通過了,那麼縫隙1處就絕不會有電子通過。

  

  非常清楚地說,如果裝上了監視器,電子就變成了一個我們非常熟悉的常識性的狀態——它是一個實在的粒子。而且如同實驗2中的臺球一樣,一個電子粒子一次也只能穿過一個縫隙。這個實驗非常清楚地證明了,電子是一個點狀的粒子。(簡短延伸一個問題:即是當你發射1個電子時,你無法通過什麼樣的規律去預測和確定這個電子是會穿過縫隙1,還是會穿過縫隙2。無法確定即是不能確定,也就是具有不確定性。這就是非常著名的“不確定性定理”。這個定理好像很平凡,實際它所帶來的意義極爲深奧。愛因斯坦在反對這一定理時曾說過著名的一句話:“上帝不擲股子”(今天早已證明愛因斯坦在這一問題上犯了個錯誤)。因爲這一問題太深奧,尤其與因緣果報的聯系,所以先留下這一問題,以後篇章會逐步解析。)

  實驗8.

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