第7章 可择历史 (1)

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1999年一组物理学家在奥地利向一个障碍射出一串足球状的分子。那些每个由60个碳原子组成的分子有时被称作巴基球，因为建筑学家巴克明富勒建设过那种形状的的建筑物。富勒的短程线圆顶结构也许是存在的最大的足球状的物体，而巴基球却是最小的。科学家瞄准的障碍实际上具有两道巴基球能通过的窄缝。在墙后面，物理学家置放一个相当于屏幕的东西以检验和计数出现的分子。

如果我们用真的足球建立一个类似的实验，我们就需要一位目标弥散但具有以我们选取的速率一致地发球能力的球手。我们将这个球手放在有两条窄缝的墙之前。在墙的另一边，我们平行地放张长网。球手射出的球多数都打到墙上被弹回，在墙的另一面出现的两束高度平行的足球的流注。如果缝隙只比足球稍宽些，每一束流注就会以扇形展开一些，正如下图所示。

请注意，如果我们关闭一道缝隙，其相应的足球的流注就不再通过，但这对另一束流注没有影响。如果我们重开第二道缝隙，那只会增加落到另一边的任何给定点的球的数目，因为那时我们就会得到通过一直开着的缝隙的球再加上从新开的缝隙来的其它球。换言之，在两道缝隙都打开时，我们观察到的是我们在墙上的每道缝隙分别打开时观察到的总和。这是我们在日常生活中习以为常的现实。但这不是奥地利研究者在射出他们的分子时发现的情形。

在奥地利实验中，打开第二道缝隙的确在屏幕上一些点上的到达的分子数目增加了——但在他处这个数目减少了，正如下图所示。事实上，当两道缝隙都打开时存在一些地方巴基球根本不到，而就在这些地方，当两道缝隙中只有任何一道打开时球确实到达。这似乎非常古怪。打开第二道缝隙何以使到达某些点的分子变得更少呢？

我们可由审视细节获得答案的线索。在这个实验中，许多分子足球打到如果球分别通过这道缝隙或那道缝隙时，你预料它们击中之处的中点。非常少的分子到达偏离中点稍远处，但是在离那个中心更远些处，你又会观测到分子到达。这种模式不是每个缝隙分别打开时形成的模式之和，但是你可以从第三章作为干涉波的特征条纹将它认出。没有分子到达的地方对应于从两缝发射来的波到达时反相，并产生破坏性干涉；而许多分子到达的地方对应于波到达时同相，并产生建设性干涉。

在科学思想的最初两千年左右，科学解释是基于通常的经验和直觉之上。随着我们改善技术并扩展可能观测的现象范围，我们开始发现自然行为的方式和我们的日常经验，也因此和我们的直觉越来越不一致，正如巴基球实验所显示的那样。那个实验是不能被包括在经典科学中，而只能被称作量子物理的所描述的有代表性的那一类现象。事实上，理查德费恩曼写道：如上面我们所描述的那个双缝实验“包含了量子力学的所有秘密。”

在发现牛顿理论不足以描述在原子或次原子水平上的自然之后，二十世纪的前期发展了量子物理的原理。物理的基本理论描述自然的力和物体对这些力如何反应。诸如牛顿的经典理论是在反映日常经验的框架的基础上建立的。物体在其中具有单独的存在，能位于一个确定的位置，遵循确定的路径等。量子物理为理解自然如何在原子和次原子尺度下的运行提供框架，但正如我们将更仔细看到的，它要求完全不同的概念纲要，在那里物体的位置，路径甚至其过去和未来都不能被精密确定。诸如引力或者电磁力的力的量子理论就是在那个框架中建立的。

基于和日常经验如此陌生的框架上所建立的理论还能解释被经典物理如此精确地塑造的寻常经验吗？它们能，因为我们以及我们周围是复合结构，是由不能想象的那么大量的原子组成，原子的数量比在可观察宇宙中的恒星数量还要多。而尽管组成部分的原子服从量子物理原理，人们可以证明，大群体形成足球，大头菜和珍宝飞机——以及我们——的原子确能避免通过缝隙时绕射。这样，虽然日常物体的组成部分服从量子物理，牛顿定律还是形成一个有效理论，它非常精确地描述形成我们日常世界的组合结构如何行为。

这似乎听起来很奇怪，但是在科学中有许多情形，大群体以与它单独成分的行为不同的方式行为。一个单独神经元的反应几乎毫无人脑反应的预兆，有关水分子的知识也未告诉你多少湖的行为。在量子物理中的情形，物理学家仍在努力捉摸从量子领域如何涌现牛顿定律的细节。我们所知道的是，所有物体的部分服从量子物理定律，而牛顿定律以很好的近似描述由那些量子成分构成的宏观物体的行为方式。

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