為什么電子總是落到山羊上？

假設(shè)你正在一個游戲機(jī)上玩如圖1所示的彈珠或者電子的游戲。在游戲中，每個彈珠/電子的發(fā)射機(jī)制都是自動調(diào)整好的，以便你每發(fā)射一個彈珠/電子，它都會盡可能碰到靠近最上方支撐板正中間的位置。你可以預(yù)先設(shè)置好這個支撐板的方位，這里有3種選擇：像圖A里一樣往右彈，或者是像圖B里一樣往左彈，或者是像圖C一樣同時向左和向右彈。中間的兩個支撐板的方位是固定的，而最下方的支撐板是水平的。

▲圖1 使用彈珠或者電子的游戲。

在圖1的圖A中，彈珠/電子總是先彈向右邊，然后在彈到最下方的支撐板后，有相同的概率可能彈到左邊或者右邊。根據(jù)彈珠/電子彈跳的方向，你可能會贏得汽車或者山羊。在圖1的圖B中，彈珠/電子總是先彈到左邊，然后在彈到最下方的支撐板后同樣也是可能彈到左邊或者右邊。也就是說，這兩種情況你都有50%的機(jī)會“要么贏得汽車，要么贏得山羊”。

在圖1的圖C中，最上方的支撐板是平的，所以當(dāng)彈珠/電子被這塊板彈起時，各有50%的概率向左或者向右。當(dāng)它到達(dá)最下方的支撐板時，又有50%的概率朝左或者朝右。也就是說，在這個情況下，你有50%的概率贏得汽車或者山羊，就像圖A和圖B一樣。

現(xiàn)在設(shè)想一下，在上述游戲中使用了一個電子，而不是一個彈珠。電子是具有質(zhì)量的粒子，所以會像彈珠一樣在重力的作用下往下落。而且，電子帶有負(fù)電荷，同性電荷之間是互相排斥的。所以，為了使電子在一個支撐板上彈起，我們用一個帶有額外負(fù)電荷的小鐵板作為支撐板。當(dāng)一個下落的電子接近支撐板表面但沒有觸及時，電荷的互斥作用會使電子彈起。

如果我們在一個黑暗的房間里進(jìn)行這個實驗，你就看不到電子是如何下落和反彈的。對于圖1的圖A和圖B所示的情形，電子的表現(xiàn)和彈珠差不多，它可能落在山羊或者汽車上。但是，如果電子經(jīng)過一個和圖C一樣的裝置，那么如圖D所示，某個令人震驚的結(jié)果發(fā)生了——在最上方的支撐板，電子有50%的概率向左或者向右彈，但當(dāng)它從最下方的支撐板上彈起時，它總是往左落到山羊上面。也就是說，在游戲中，你贏得山羊的概率是100%，而贏得汽車的概率是0（如果你想贏得汽車，那就只能說抱歉了）。為了強(qiáng)調(diào)量子彈珠和經(jīng)典物理學(xué)中的彈珠之間的區(qū)別，在圖D中我用虛線來表示電子有可能選擇的兩條路徑。下面，我將詳細(xì)地討論在暗室中進(jìn)行電子實驗的重要性。

為什么電子總是落到山羊上？

還是參看圖1，在圖D中，電子總是落到山羊上，而在相似的圖C中，彈珠卻各有50%的概率落到山羊和汽車上。電子和彈珠在表現(xiàn)上的本質(zhì)差異意味著在計算它們的概率時，我們必須使用不同的方法。

對于圖C中的彈珠，我們可以用以下方法來計算出贏得山羊的概率：彈珠在第一個支撐板上向左彈的概率是50%，而從最后一個支撐板向左彈的概率也是50%，所以兩者同時發(fā)生的概率是50%的50%，也就是1/4。同樣道理，另外3種可能發(fā)生的情況也有相同的概率：左/右，右/右，以及右/左。也就是說，對彈珠來說，它有4種可能的路徑，每一種可能性都是1/4。為了計算出贏得山羊的概率，把兩種可能到達(dá)山羊的路徑的概率相加，也就是1/4+1/4=1/2。其實，我們很容易看出贏得山羊和贏得汽車的概率是一樣的，因為支撐板的位置安排完全對稱。就算把其中的一塊支撐板稍微移動一點點，兩者的概率還是會非常接近。看上去任何一種情況發(fā)生的概率都不可能會是50%以外的其他數(shù)值。

對于圖D中的電子，并沒有一種顯而易見的方式可以把贏得山羊的兩條路徑的概率進(jìn)行排列組合，從而使贏得山羊的概率等于100%。導(dǎo)致這一結(jié)果的原因肯定是：我們把各種可能的路徑分開，然后單獨(dú)分析它們的概率，以這種方式來解釋像電子這樣的量子物體的表現(xiàn)，這是不正確的。

我們還沒有回答這個問題：為什么電子總是落到山羊上？對此，我們需要進(jìn)一步探索。

如果我們改變設(shè)置，結(jié)果會怎么樣呢？

每當(dāng)實驗結(jié)果令人困惑時，很自然的一件事就是我們以某種方式對實驗設(shè)置進(jìn)行“微調(diào)”，然后觀察一下會發(fā)生什么。這有可能會給我們帶來新的啟發(fā)，或者新的思維方式，以解釋實驗中到底發(fā)生了什么。

由于我們不清楚在圖1所示的圖D中的電子到底發(fā)生了什么，我們可以試著這樣做：移動其中一個支撐板。對于圖A到圖C中的彈珠來說，如果我們把其中一個支撐板移動一點點，它不怎么會改變彈珠到達(dá)山羊或者汽車的概率。相反，對于在完全黑暗環(huán)境中的電子來說，稍微移動其中一個支撐板就會大幅度地改變這些概率。在圖2所示的圖E中，相比圖1中的圖D，最右邊的支撐板向上挪動了一點點。對于這個特定的移動距離，實驗結(jié)果就被徹底地改變了：現(xiàn)在，電子總是落在汽車上！更奇怪的是，如果我們把同一塊板再向上挪動一點點，如圖F所示，直到總的移動距離是前面E圖所示的兩倍，我們會發(fā)現(xiàn)，在實驗中電子再一次總是落在山羊的位置上。彈珠的表現(xiàn)不可能是這樣的，它的落點出現(xiàn)的可能性不會因為游戲設(shè)置出現(xiàn)微小變化而發(fā)生巨大改變。

▲圖2 在游戲中，移動支撐板（E、F）或者擋住一條路徑（G）。

如果我們擋住一條路徑，會發(fā)生什么？

讓我們試著用另一種方法改變實驗設(shè)置：插入一塊磚頭或者其他障礙物來擋住電子或彈珠有可能通過的路徑之一，如圖2中的圖G所示。現(xiàn)在，經(jīng)過很多次實驗后我們發(fā)現(xiàn)，電子要么出現(xiàn)在山羊上，要么出現(xiàn)在汽車上，它們的概率相同，各為25%。剩下的50%的情況是電子被第一塊支撐板反彈到它的右邊，從而被磚頭擋住了。也就是說，當(dāng)電子被第一塊支撐板反彈到它的左邊時，它的這條路徑?jīng)]有被磚頭擋住，于是它有同等概率被最下方的支撐板彈往左邊或者右邊。讓我們來比較一下圖G和圖D這兩種實驗設(shè)置，后者中的電子有左右兩條可能的路徑。如果我們把設(shè)置從圖G變回到圖D（也就是把磚頭移走），結(jié)果發(fā)生了變化，這意味著從圖G到圖D增加了一條導(dǎo)向汽車的右通路，它通過某種方式對導(dǎo)向汽車的左通路發(fā)生了干擾，從而使得圖D設(shè)置中電子出現(xiàn)在汽車上的概率為0。我們再一次強(qiáng)調(diào)，彈珠的運(yùn)動是不會出現(xiàn)這樣的情況的；給彈珠增加一條通往汽車的路徑，這只會增加贏得汽車的概率，而不是減小這個概率。

到目前為止，我們可以得出什么結(jié)論？

從所做的實驗中，我們可以給出一個關(guān)于量子概率的試探性規(guī)則或原則：

如果一個電子可以通過兩條不同的路徑抵達(dá)同一地點，電子出現(xiàn)在這個地點的概率由這兩條路徑的可能性共同決定，而這個概率和電子選擇兩條路徑的概率簡單相加比較起來，可大可小。在這種情況下，我們稱這兩條路徑的存在“干涉”了彼此，這樣的表現(xiàn)也被稱作“量子路徑干涉”。

上述結(jié)論看上去很奇怪，但這卻是科學(xué)家們通過很多精密實驗和理論模型才得出的。我們不能從直覺層面上來理解這個結(jié)論。這是電子自然本性的一個基本方面。

在這里有很重要的一點需要指出，如果電子從第一塊支撐板反彈以后的兩條路徑都是暢通的（也就是說不是圖G所示的情況），在這種情況下，我們是不知道電子選擇了左通路還是右通路來到達(dá)山羊或者汽車處的。由于我們確認(rèn)了支撐板都是完全固定的，而且實驗是在全黑的環(huán)境下進(jìn)行的，因此我們沒有辦法監(jiān)視電子的運(yùn)動軌跡。也許我們需要改變一下實驗設(shè)置，這樣我們就可以探測到電子是如何運(yùn)動的。

（本文節(jié)選自《量子物理學(xué)》第四節(jié) 量子行為，有刪改）

書名：量子物理學(xué)

?♂? 作者：[美]邁克爾·G.雷默（Michael G. Raymer）

翻譯：吳純白

內(nèi)容簡介

1900年左右，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了像電子、質(zhì)子和中子這樣的粒子。這些發(fā)現(xiàn)被認(rèn)可，使得他們能夠預(yù)測原子的內(nèi)部行為。然而，當(dāng)他們將預(yù)測與實際的實驗結(jié)果對比時卻發(fā)現(xiàn)，經(jīng)典物理學(xué)和力學(xué)的原理遠(yuǎn)不能解釋原子尺度的現(xiàn)象。這種認(rèn)識的形成，使量子物理學(xué)的出現(xiàn)成了人類歷史上最重要的智力運(yùn)動之一。今天，量子物理學(xué)無處不在：它解釋了我們的計算機(jī)如何工作，激光如何通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸信息，并允許科學(xué)家準(zhǔn)確地預(yù)測自然界中幾乎所有粒子的行為。物理學(xué)的運(yùn)用，一直是調(diào)查與我們的世界和宇宙相關(guān)的最廣泛問題的根本。雖然眾所周知，量子物理學(xué)領(lǐng)域和原理幾乎可以被無限應(yīng)用，但是，要理解出現(xiàn)這種情況的根本原因遠(yuǎn)沒有那么容易。本書中，量子物理學(xué)家Michael G. Raymer提取了這種抽象領(lǐng)域的基本原則，并且從很多方面提出了量子物理學(xué)是當(dāng)今科學(xué)的一個關(guān)鍵因素，也是人人都需知、可知的科普知識。