科学大唠嗑：物质是什么（11）量子根本不在意我们给它的定义
科学大唠嗑
张 喆
天津市天文学会会员
天津科技馆科普辅导员
上期说到狄拉克方程的四个解中有两个可以很好的解释电子的自旋，不过另外的两个解却带来了难题。
01
物理学家也要选边站
在1930年的时候，狄拉克提出这两个解可能表示的是质子。
不过，没过多久，这种说法就遭受了很多的质疑，如果说方程多出来的解代表的是质子的话，那么质子和电子的质量应该是相等的，可是这两者的质量有很大的差别，质子比电子重了近2000倍。
狄拉克最终在1931年承认，相对论性波动方程的另外两个解描述的一定是与电子质量相同的粒子。他还推测，这可能预示着一种带正电的电子的存在，一种新的粒子。目前还没在实验中发现，与电子具有相同的质量和相反的电荷。狄拉克实际上预言了反物质的存在，其粒子属性与原本的物质完全相同，但是带的电荷相反。
1932年2月，英国物理学家詹姆斯·查德威克公布了有关放射性铍释放的辐射性质的实验结果。由于这种辐射不受电场的影响，物理学家最初认为它是一种伽马辐射，就是高能光子。
但查德威克证明它是由一束电中性粒子组成的，这种粒子的质量与质子差不多。他发现的粒子就是中子，物理学家很快发现，比氢原子核重的原子核都由质子和中子组成。
现在原子具有内部结构已经得到了证明，但是这种组成成分仍然被看作是基本的粒子，是不能再分割的物质小块。不过物理学家们还是预测对了一件事，那就是电子具有质量，一个非常非常小的质量。
既然电子有质量，那么用电子来做一下双缝实验会有什么现象呢？这就要分两种情况来进行讨论了。
在粒子性的描述中，我们会预测电子束中的每个电子会通过这两条狭缝中的一条。如果把一个荧光屏探测器放在狭缝的另一侧，那么我们就会看到两个亮点，代表着穿过狭缝的电子正在持续不断地撞击屏幕。
这两个亮点的中心处都是最亮的，这是大多数电子直接穿过狭缝之后击中的地方；离中心越远的地方亮度越低，这是一些途中受到撞击发生散射的电子击中的地方。
但是在波动性的描述之下，我们会看到另一种结果。电子束就像一束光一样穿过这两条狭缝，并且在每条狭缝处发生衍射，最终形成明暗条纹交替的干涉图样。
发生这样的干涉现象，也要通过两种方式来解释。
假设电子的波动性是统计平均的结果，就是每个电子都是作为独立的基本粒子穿过了两条狭缝之一，只是有某种未知机制影响了每一个电子，使它们整体呈现出波动性。这是爱因斯坦本人比较偏向的解释。
或者假设电子的波动性是一种固有的性质。每个电子都会以某种方式表现为一个在空间中分布的波，同时穿过两个狭缝并相互干涉。第二种解释听起来相当荒谬，但是大量实验证据表明，这就是事实。
如果把发射电子的强度控制一下，某一个时刻只能有一个电子穿过狭缝会怎样呢？一个电子穿过狭缝后会在荧光屏上留下一个亮点，说明一个电子击中了这里。这时增加电子的数量，随着越来越多的电子穿过狭缝，最终会形成明暗交替的干涉条纹。
这类电子实验科学家已经在实验室中做过了，其结论是毋庸置疑的。如果用波动性来解释的话就是每个电子都会同时通过两个狭缝，波函数在另一侧形成了相长干涉的高振幅波峰和波谷，和相消干涉的零振幅区域。
当电子波函数到达荧光屏时，从理论上讲在这个荧光屏的任意位置都可以找到电子，但是与屏幕的相互作用以某种方式导致了波函数的“坍缩”，由此产生的点的位置是由与波函数振幅相关的概率分布决定的，这就是一件很奇怪的事情了。概率较高的区域比较亮，概率较低的地方则更暗。波函数不能准确地告诉我们每个电子将到达的具体位置，只能给出每个电子最终到达某一点的概率。
物理学家们面临着一个两难的选择。如果放弃这种沿着电子的路径找到它的做法，就会面对电子的波动性；而当我们探究波动行为从何而来时，电子的粒子性就又冒出来了。二者之间既相辅相成，又相互排斥，就像玻尔所说的那样，电子无法同时表现出这两种性质。
编辑：不要问我，这个图什么意思，我也不知道，就是看起来挺酷的
02
量子根本不在乎我们的定义
爱因斯坦对这样的现象很不满意，他甚至宣称“上帝不掷骰子”。20世纪20年代末到30年代初这段时间里，爱因斯坦用一系列更具创造性的思想实验挑战了玻尔的观点。这些实验的目的就是揭开爱因斯坦所认为的量子理论的基本缺陷，不一致性和不完备性。
当时的物理学家分成了两个明显的阵营，要么全盘接受玻尔的观点，要么对两方的观点都保持漠不关心的态度。但是在20世纪30年代末，事实一再证明量子理论是一个威力很大的理论体系，尽管爱因斯坦始终对其抱有怀疑，但是争论已经没有之前激烈了。
不过爱尔兰理论物理学家约翰·贝尔一直没有停止自己的研究。如果要试图消除爱因斯坦思想实验中提及的“幽灵般的超距作用”，就必须引入所谓的“隐变量”，我们无法直接测量它，但是它们却控制着那些可以测量的性质。
约翰.贝尔
贝尔在1966年发表了他的这一观点。在这个时候，精密的激光技术、光学仪器以及灵敏的探测设备刚刚出现，于是第一批检验贝尔理论的实验就开始了。所有的实验中，最为著名的是法国物理学家阿兰·阿斯佩和他的同事们在20世纪80年代初进行的，这一实验基于纠缠光子而不是电子的产生和检测。结果证明，量子理论是正确的。
今时今日，我们仍然不可避免地得出了这么一个结论，量子层面的现象是非局域性的，波动性的描述、波函数的坍缩以及幽灵般的超距作用，都没有办法避开。
无论我们付出多么大的努力，或者强行附加一些不合理的假设，都无法避免波函数的坍缩。2006年，维也纳大学和量子光学与量子信息研究所的物理学家进行了实验，结果相当明确。格拉斯哥和斯特拉斯克莱德大学的一个研究小组使用不同量子态的光进行了实验，并于2010年公布了更为明确的结果：量子力学是对的。
必须承认，我们给电子这样的量子粒子赋予的那些性质，如质量、能量、频率、自旋、位置等，只是在通过观察和测量的时候以某种方式映射到我们经验现实中时才有现实意义。
这个核心问题，就是著名美国物理学家理查德·费曼宣称的量子理论的“唯一的谜团”。
像电子这样的基本粒子，有时候会表现为在空间中沿着固定路径运动的单个局域性粒子的特性，它要么“在这里”，要么“在那里”。但是有时候，它们又会表现得像是非局域性的波的特性，散布在空间中，似乎能够越过非常遥远的距离影响其他的粒子，它们既“在这里”又“在那里”。
量子的超距作用
这已经是无懈可击的事实了，但是还一个问题，那就是，我们要去哪里寻找电子的质量呢？
这个问题咱们下次再聊。
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“科学大唠嗑”是悦读读书会新增添的一个栏目，每周更新一次，作者是书友们所熟悉的“牧羊人”张喆老师。他曾组织过我们读书会开展天文线下活动，也是《时间简史》、《上帝掷骰子吗？》的领读者。对于天文爱好者，此栏目是一个相当大的福利。对天文还未有过了解的书友们，这也是一次增长天文知识的机会。期待张老师下一次更新！