第八節：由波粒二象性推導出了什麼定理

一個量子實體，如電子、原子所表現的行為說明：它們既是波，又是粒子。根據“波粒二象性”，眾多科學家在以丹麥物理學家尼爾斯•波爾的率領下，對量子世界提出了如下解釋：

1.不確定性原理

由德國物理學家沃納海森伯于1926年提出。我們以波的屬性來理解“不確定性”意味著什麼？

波是什麼？比如你向池塘中央投下一塊石頭，水波會以小圓到大圓的形式向外擴散開去的。所以，波是一個擴散的並帶有一定能量“運動態”的行進過程——注意：波是過程而不是東西。隨著擴散，你不能說水波在哪裡，它可以存在於池塘中的任何地方（波可以穿過兩個洞，形成干涉效應）。就像不能說“痛苦”是個“東西”也佔有一定空間一樣，本質上“波”不是個“東西”，也就永遠不可能被定位於一個點——它是無處不在的，同時這也意味著：波也不在任何地方。

水波與光波不同的是：無論你觀察與否，水波都會以360度的圓形在池塘中擴散開去。而光波卻不同，在兩個孔的實驗中，當你去觀察時（安裝上監視器），“光波”即刻崩潰為一個確定的點粒子，以50%的概率穿過兩個孔中的一個，而空間中擴散出去的“波”將立刻消失，好像從來沒有發生過一樣，也不會對任何東西造成任何影響。粒子是具有確定位置及大小的一個東西，粒子沒有波的屬性。

波爾解釋說：我們的觀察行為本身造成了粒子（物質）的存在。我們不去觀察時，粒子像波一樣向四周擴散開去，可以存在於宇宙中的任何地方。從光子到星系、從原子到生命體，本質上都具有這一性質。物理學家不得不承認：物質在我們沒有觀察的時候，“它”的存在與否是不確定的。

根據這一理論你必須承認：你家廚房中的茶杯，在你不看的時候，“它”存在於宇宙中的任何地方。並且，在一千年或一億年前就已經決定了“它”此時此刻就在那裡。這一怪誕的事情，讓任何有正常頭腦的人無法接受。所以愛因斯坦反駁說：“你不去看月亮的時候，難道月亮就不存在？”然而“貝爾定理”的被打破，讓這一“怪誕”成為無可辯駁的事實。同時也推導出現“人擇原理”。簡單地說，人擇原理就是宇宙的存在是以人們的觀察為前提的。

你不必理解為什麼會是這樣的，就如費曼所說：“我想我可以相當有把握地說，沒人理解量子力學，沒有人會說得清楚，你只需承認，量子世界的事情就是如此。”物理學不再吿訴我們世界是什麼，而是吿訴我們關於世界我們能夠談論什麼。

2.量子的非局域性

量子的非局域性可以用彩色球的比喻來説明理解。設想有兩隻彩色球，藍色和黃色。由於存在著“兩色同等定律”，一個原子一次只發射兩個球，而且必須是一種顏色一個球。但量子物理學卻說，在進行測量之前，一個球的顏色是不確定的：這兩個球從原子發射出來以後，朝著相反的方向飛去，由於處於一種彼此重迭狀態，因而在測量之前是處在混色狀態，亦即為綠色。

現在，假定你對一隻球進行觀測，這時發生波函數坍縮，結果你看到的會是一個，比如說藍色球。根據色等同定律，就在測量的這一時刻，朝另一個方向已經遠去的那個球，便必定會坍縮為黃色球。這兩個球的行為就像是一個粒子，儘管它們不在同一位置上。

1935年愛因斯坦提出EPR佯謬來支持他堅信的“客觀實在”是獨立於觀察而存在的觀點。愛因斯坦要表達的意思是說：這一現像是不存在的，球在發出時，顏色就已經決定了——藍色或黃色；無論你觀測與否都不會改變球的顏色。非局域性的荒謬程度更形象地說就是，當一個球被觀測時，它馬上會吿訴另一隻球：“我被看見成藍色，你馬上顯身為黃色。”——即便兩球相距1億光年（光要走1億年的時間）。而愛因斯坦的相對論說明，沒有任何東西能比光走的更快，假如設兩球真的有資訊往來聯繫，也需要一億年的時間，所以這一現像是不存在的。

1965年，愛爾蘭物理學家約翰貝爾提出了一個強有力的數學不等式（貝爾定理），用來證明愛因斯坦是對的。結果1982年巴黎科學家阿斯派克特小組，用鈣原子作的實驗打破了貝爾定理，證明非局域性是存在的。1995年日內瓦核子物理研究所，用10公里的光導纖維傳送光子，結果再次證明了1982年的實驗結果。這一現象說的是，假如物質一開始是一體的，那麼無論距離多遠都會有瞬間的感應。在137億年以前，宇宙開始於一個比針尖還要小上幾十億倍的“點”的爆炸，那麼基於這一原理，我們、月球、星系、還有清風都應當有瞬間的聯繫。這一原理也在說：如果沒有人看到你的話，你可以在同一時間即存在於北半球的北京，又存在於南半球的悉尼——你無處不在。

3. 量子世界的概率性

這個觀點是說，如果沒有人去看它的話，一個電子的波是很樂意同時從兩個孔經過的。但是如果你去看的話，他就會瓦解成一個粒子並從一條或另一條路走——互不干擾。任何單獨的電子都會有50:50的概率被看見從一個孔或另一個孔經過——在這種情況下是按照相等概率的。但是你無法按物理學規律來預言它將選擇那個孔，你能做的只是計算電子會走那個孔的概率。經典物理學——牛頓力學的“撞球世界”，在這裡被終結。物質存在與否，在哪裡和將向哪裡去都將不可預測。愛因斯坦說：“我發現那種思想是無法忍受的，如果現行的解釋是正確的，我寧願作一個鞋匠或一個賭場雇員，而不作物理學家。”

4. 波函數瓦解

我們的觀測行為，導致了物質的存在。你沒有看的時候電子像波一樣存在於任何地方，當你去看的時候電子立刻確定為一個粒子。奧地利物理學家薛定詩於1935年提出了著名的貓的悖論。簡要地說，就是在一個密封的箱子裡有一隻貓，一個量子定律的反應有50：50的概率會打碎一隻毒藥瓶將貓毒死。當你沒打開箱子之前，貓既是死的又是活的，處於“迭加狀態”。如果你要看的話，你要麼會看見一隻死貓要麼是一隻活貓，概率是相等的——是我們看的行為決定了貓的死活。按照正常的理解，我們看與不看，貓是死是活是早以決定了的，實際情況違反常規——貓處於“非死非活”的狀態。

法國科學家德布羅意也提出了另一個推理實驗。在這個實驗裡，假設把一個電子(而不是貓）放進密封的容器。我們把這個假設在巴黎的容器分成兩部分，一部分運到香港，另一部分運到紐約。這時常識會吿訴我們，如果打開運到紐約的那一半容器而發現電子，那麼電子必定在從巴黎裝運時就已經在這一半裡面了。但是這種狀態與決定薛定鍔貓的死活是一樣的，也是不正確的。每一半容器都必定有電子的非零概率(電子波包）：電子存在又不存在。因此在紐約的那一半被打開的一瞬間，電子的位子就被決定了。而香港的容器內電子的波包將即刻消失。波函數隨著觀察者在心中記錄結果而崩潰。