比魔法更恐怖？量子力学“毁三观”的起源之路（上）

谈起量子力学，铺天盖地的就是这一句：

“遇事不决，量子力学”——鲁迅

虽然这话颇有抖机灵的嫌疑，但的确：关于量子力学的问题和解答几乎都荒诞到乍一看是在瞎扯。就连研究量子力学的大师费曼都说：没有人懂量子力学，如果你觉得懂了，那肯定不是真懂。

烧脑、反直觉、毁三观，在第一次接触这套理论时，一些知名的物理学家都有这样的感受。

可量子力学作为一门科学，却真真切切地改变了世界。在2016年8月16日，世界第一颗量子通信卫星「墨子号」从酒泉发射，投入太空的怀抱。

从那一天起，量子力学的应用所带来的魔法般的未来，在人类眼前拉开了帷幕。

(英国物理学家首次拍摄到的量子纠缠图像)

量子力学史上的第一次“恐怖”事件，源自于高中物理课本上的一场实验。

波粒之争

20世纪初，物理学家们正兴致勃勃地进行着一个历史著名的大争论——光，到底是波还是粒子？

以爱因斯坦和普朗克等人为首的粒派认为，光是由一颗一颗小球球组成的物质，所谓小球球被称之为“光子”。而“发光”的过程，即是无数微小的光子笔直地射出光源，好像出膛的子弹一样。

光电效应和康普顿效应等权威的实验事实，让粒派科学家们更加坚信，光的确是由粒子组成的。

但以惠更斯和麦克斯韦等人为首的波派，对粒子说的理论压根没法信服。他们也做了许多毫无漏洞的权威实验，完全可以证明光是一种波，电磁波。光的传播就好像在平静的湖面投入一颗石子，随着一圈圈涟漪，光也向更远处扩散。

在当时物理学家的认知中，宇宙的真理那可绝对是唯一的。就像算术题永远只有一个正确答案一样，他们坚信，要么是波，要么是粒子，只有一方找到了真相。

公说公有理，婆说婆有理。两方争执相持不下，竟然吵了十几年。

直到1924年，一个闻所未闻的说法才终于让这场战争平息下来——“光会不会既是波，也是粒呢？”

看似荒谬，但接下来的实验，终于让物理界得以公认光的波粒二象性。

恐怖实验

这个实验就是每个高中生都耳熟能详的“双缝干涉实验”。

正如下面这张图片所示，光源从一点处穿过两条平行的狭缝，从缝中漏过去的光子，就会打在后面的屏上，留下一个光斑。

可以试想，假设光是粒子，那么钻过狭缝的那些小球，打在光屏上面的形状依然会是两个长条。就像在射击训练中把靶心挖空，当然也只有正中红心的子弹能够穿过靶子。

但如果光是波的话，屏幕上就会留下斑马线似的一道道条纹。毕竟波的传递不像物体，仅凭障碍物是无法完全阻碍它的传播的。

狭缝处会形成两个波源，两道波互相干涉，波峰与波峰之间强度叠加，波峰与波谷之间强度抵消，最终会出现一系列复杂唯美的干涉条纹。

总而言之，粒派专家们希望结果是两条竖杠，波派专家们希望结果是一堆斑马线。两方暗自较劲中，第一次实验结果出来了：

这不就是斑马线吗？这么简单就是波派的胜利了？粒派物理学家脸肿得老高。于是不服，又做了第二次实验。粒派认为如果把光子一颗一颗地用发射机发射出去，彼此之间几乎没有联系，还怎么构成波呢？没有办法干涉，自然就没有办法成为斑马线。

然而实验结果出来后，连波派科学家都怀疑自己的眼睛——和第一次实验结果完全相同，华丽丽的斑马线。

可是问题在于，想要产生干涉条纹，对象必须得是两条波呀？真要把光子一个一个单独地发射出去，它到底跟谁发生了干涉？屏幕上的图案在光天化日之下由杂乱无章的小光点变成斑马线，这不科学。

大家都有点心虚，于是提议不如就在屏幕前装两个摄像头，左边一个右边一个。哪边的摄像头捕捉到了光子，就说明了它穿过的是哪一侧的狭缝。仍然把光子挨个发射，这样每一颗光子的路线不都有迹可循了吗？

这次实验就显得正常多了：摄像机拍摄到的光子无非就是两个走向，要么左边，要么右边。没有什么凭空生出的另一个光子，也没有一分为二自己同自己干涉。

可当科学家们查看屏幕时，恐怖的事情发生了——不知什么时候，原本应该是斑马线状的图案，这次变成了两条竖杠！

不去观察光子的状态，它们就是波，呈现出斑马线的结果；

拿摄像机观察的时候，它们都变成了一个个单独的粒子，结果是两条杠。

所以光到底是波还是粒子，难道就只取决于看没看摄像头？

整个物理学界都慌了。学了一辈子物理，第一次在做实验的过程中接触灵异事件。光到底是哪边已经不重要了，“观察”即可以改变事实的现象瞬间登上物理学热搜。

观察者效应

这个理论，说得通俗一点就是，某样事物会因为被观察而受到影响。或许这个定义给人的冲击不大，那么接下来的真实事例可能就会让你怀疑人生。

螳螂在交配之后，雌螳螂会吃掉雄螳螂，这似乎是生物学不争的事实——连动画片《黑猫警长》里，都提到了“螳螂吃夫”现象。

可是，后来的广泛调查发现，这个流传了近百年的“令人震惊”的现象，在自然界中竟然几乎不存在。甚至雌螳螂把雄螳螂吃掉的原因，更可能是观察者在场而引起雌螳螂紧张，误把雄螳螂当成了敌人。

用这个例子来解释“观察者效应”，好像已经非常通俗易懂了。但回头看看刚才所说的双缝干涉实验，还是难以从科学的角度解释。

毕竟，螳螂再怎么说也是个生物，会受其他生物行为的影响，这都在合理范围内。可是连光都会被人类的意志影响，难道也是因为被人看着所以就不好意思了？

无论如何科学家们都无法接受，按照客观规律运转的事物怎么会因为人的观察方式而发生变化。明明是一群物理学的专家，却开始不得不跨行讨论哲学问题？

量子魔法？

为了挽回尊严，一名叫做约翰·惠勒的物理学家提出了这样一个实验，通俗的解释就是：

在上一次的双缝干涉实验基础上先拿走摄像机。事先计算好光子穿过狭缝的时机，等它穿过后，再以迅雷不及掩耳之势放上摄像头。

本实验的结果已经颇有量子力学带给人的感受了：

无论加摄像头的速度有多快，只要最后一刻在观察，屏幕上就一定是两条杠；反之，如果一开始就安装上摄像头，哪怕在光子撞上屏幕的最后一刻撤掉，屏幕上也一定是斑马线。

可问题是，不管加不加摄像头，粒子的轨迹在穿过狭缝后就已经确定了啊？这好比在你的即将摔倒，脸啃地的瞬间，就凭某个路人瞟了你一眼，你就能瞬间整个人若无其事地站回原地。

一句话总结：观察者现在的行为可以决定过去发生的事。这还不够毁三观？

不信谣不传谣，不信谣不传谣。虽然大家都这么说，却没有一位物理学家能够站出来“辟谣”。

连小鲜肉普朗克和天才爱因斯坦都为此熬成了糟老头子。

然而，在这个物理学大厦全面崩盘的危机时刻，一个年轻帅气的足球运动员，成为了揭开魔法时代帷幕的天选之子。

这位男神究竟如何力压爱因斯坦一跃成为量子力学招牌人物？敬请关注下篇！