三维投影中，一个粒子从粒子源飞出，但撞上了挡板没能穿过。接着又一个粒子被射出粒子源，这一次鬼使神差地鉆过了挡板上的不知哪一道缝隙，落到了最后的成像底片上，留下一个小白点——显然表现得更像一颗砂粒，并没有出现波动的干涉。可是随着穿过挡板上的缝隙落到底片上的粒子越来越多，底片上的白点分布开始显现出神奇的规律来：虽然底片正对挡板上的缝隙的位置落下的粒子是最多的，但仍有好几处别的地方落下了大量的粒子，而还有一些地方虽然离底片上正对缝隙的位置更近，粒子却仿佛不愿意往那里去，落在这些地方的总是寥寥无几。最后，大量粒子的落点在底片上形成了若干条粗细不等的纵向平行条纹的图案：正对两道缝隙的地方是白点最多最密集，宽度最宽的两道白色主条纹，在两道白色主条纹旁边，隔着几道白点很稀少的平行于主条纹的暗纹，又是几道平行于主条纹而宽度稍窄的白点密集的白条纹，但随着距离两道主条纹越远，它们中的白点逐渐变稀变少，颜色逐渐变淡，最后渐渐消失在黑色的底片上。

“为什么除了正对缝隙的地方，还有那么多别的地方有粒子到达，而有一些粒子明明可以到达的地方却很少有粒子去呢？”动画投影播放完了，我指着投影中的成像底片问。

“在我们开始研究这个现象之前，让我先告诉你那个世界的科学家的解释，请你先想一想他们的解释对不对，解释得好不好。”米西雅看来又打算让我苦其心志地冥思苦想了，她声形并茂地讲道：“在那个世界的20世纪初，一群后来被那个世界的人尊为物理大神的学者们对这个现象绞尽脑汁研究了数年之久，最后由爱因斯坦牵头，一致认定微观粒子既是颗粒状的，又是弥散在时空中的波动。其中有一位经常和爱因斯坦争得不可开交的大佬名叫玻尔，他和他的小弟海森堡在这个基础上走得更远。他们认为微观粒子不仅既是颗粒状的，又是弥散在时空中的波动，而且如果我们想要探测粒子在什么地方，看到的粒子就是小颗粒的样子；如果我们不去了解粒子的位置，粒子就会变成波动扩散到整个空间，以至于无处不在。他们为什么这么说呢？因为底片上这些黑白相间的平行条纹就是波的干涉在波的传播方向横截面上的投影，称为干涉条纹。缺少粒子到达的黑条纹就是波动幅度相互抵消的地方，粒子密集的白条纹就是波动幅度相互增强的地方。而这个实验中，挡板上的两道缝就像我放在水桶里的挡板把水波分割成两个有相干性的波源一样，也把从一个粒子源出来的作为波的粒子分割成两个相干波源，因此穿过缝隙的粒子在挡板后的这部分空间中会发生干涉，而成像底片正好就把干涉截获并显示出来了。”

我竖起耳朵仔细地听着，同时竭尽全力让自己的头脑高速运行，总算听明白了米西雅所说的“那个世界的科学家的解释”。但是我发现这种解释中似乎存在着一个漏洞，于是立刻向米西雅提出：“他们说微观粒子既是颗粒状的，又是弥散在时空中的波动，那么就应该是即使只有一个粒子，也可以穿过挡板上的缝隙发生干涉现象。可是事实并非如此，一个粒子落到底片上留下的就是一个小点，根本没有干涉条纹出现啊！只有落到底片上的粒子很多了，才由这些粒子的落点拼出了干涉条纹。而且一道波动可以同时穿过两道缝隙，而一个粒子一次只能穿过一道缝隙，如果没有对准缝隙，还会被挡板挡住，到不了底片上啊！”（如果在那个世界上课时，我像这样说出自己的想法和疑问，下一秒钟得到的一定会是老师“闭嘴！滚出去！”的怒吼，而在这里，我却可以得到米西雅详细耐心的讲解，听她讲课真是太幸福了！）

“你很聪明，但有了玻尔的补充，你发现的这个漏洞就被堵住了。”

原来，米西雅并不像我开始以为的那样瞧不起那个世界的科学家。

“玻尔说，如果我们想要探测粒子的位置，看到的就是像小颗粒的粒子。而实验装置中最后的成像底片就是用来探测粒子位置的，当粒子落在底片上时我们就知道了粒子的位置，所以这时粒子就成了一个点。当粒子没有到达底片的时候，我们不知道它在哪里，所以这时粒子就是弥散在时空中的波，在哪里都有可能，当然也可以同时穿过两道缝。”

“那……我们可不可以用别的什么方法在粒子穿过挡板上的缝隙之前就探测到它们的位置，但又可以让它们继续穿过缝隙呢？如果这样做，结果又会怎样呢？”

“我去年告诉过你，微观粒子实在太小了，所以对外界的一切都敏感无比。如果你去测量一个微观粒子的状态，获得的只是它在你的测量方法下所呈现出来的状态，不是在你没有测量它时它本来的状态。如果你想在粒子穿过挡板的缝隙之前就探测它们的位置，但又要让它们被探测之后还能继续前进并穿过缝隙，是一件几乎不可能做到的事。因为你用任何仪器探测到了粒子的位置，只是由于粒子在你放置仪器的位置处撞上了仪器，留下了痕迹，但撞上之后粒子的运动方向和速度绝不可能还和撞上之前一样。这样一来，本来可以穿过缝隙的粒子，在被你提前探测到位置之后就几乎不可能再穿过缝隙了；而本来不可能穿过缝隙的粒子，被提前探测到之后却有可能会穿过缝隙。于是原来通过缝隙的粒子被你提前一探测，就全被弄乱了，落到最后的底片上的位置就会彻底杂乱无章，再也形不成干涉条纹了。”

我总算勉强明白微观粒子有多难对付了：任何宏观物体的位置、大小、速度都可以放心去测量，测量的结果就是这个物体本来的状态。可是对于微观粒子来说，任何测量行为都会彻底改变它原有的状态！也就是说，根本就找不到有效的办法去准确地测量微观粒子的状态！

但我还是很不甘心：“难道我们真的就无法测量微观粒子的状态了吗？”

“从理论上说，我们可以测量，但极其困难，因为有速度和位置的不确定关系限制，要想得到像测量宏观物体那样准确的结果永远都不可能。那个世界的一些科学家为了了解路途中被认为是波动的粒子究竟经过了挡板上的哪一道缝隙，想出了这么一个办法：用一个发射电子的电子枪来作粒子源，在挡板背面一侧的每一道缝隙周围安装一个灵敏度极高的超微型电流互感器，互感器的输出接在放大倍数和输入阻抗都特别高的脉冲放大器上。因为电子带有一个单位电荷量，电流的定义就是电荷的定向移动，而电流是一定会产生磁场的。如果一个电子从互感器中穿过，就等于有一个瞬间的电流脉冲出现，电流互感器的线圈中会因为这个电流脉冲的磁场变化而感应出一个电压脉冲，经过脉冲放大器放大后就可以被记录仪器捕捉到。这样，我们就可以根据哪一道缝隙后面的电流互感器输出了脉冲而知道电子经过了哪一道缝。”米西雅一边讲又一边用自己的三维投影显示出了这套实验装置。

“果然是个高明的方法！虽然这样还不能知道电子在途中的准确位置，但我们已经把电子的行踪范围缩小到经过了哪一边的缝隙，而且又没有让任何东西碰到电子，电子仍可以继续自由前进到达最后的成像底片！”这个远远超乎我想象的办法确实巧妙，我不得不服。

“然而这种看起来很高明的方法，经过实践证明，结果一样很不理想。”米西雅接下来的话却让我失望，“在实验中，他们发现每一个电子每次仍然像宏观的砂粒一样只能穿过两道缝隙的其中一道，从来没有像宏观的波动那样同时穿过两道缝。更不可思议的是，就在他们探测到每个电子每一次经过的是哪一道缝隙时，落到底片上的电子位置竟然还是会变得杂乱无章，形不成干涉条纹！但只要把挡板上的电流互感器拿掉，换张新的底片然后再重做一次实验，底片上的干涉条纹又出现了！”

我彻底无语。要知道在这个实验中已经避免了对电子的一切接触啊！这种实验结果简直就是证明了电子是一种有感觉有思想并且很狡猾的智慧生物！它们不仅对我们在做什么了如指掌，而且知道当我们在做什么时自己应该怎么做，知道在我们面前该如何表现！

难道每一个微观粒子真的都是一个小得看不见的小精灵？

“客观地说，那些科学家想出的这种测量方法对于由同时运动的大量电子组成的宏观电流来说是一种非常棒的无懈可击的测量方法，但对于单个的电子来说影响还是太大了。你可能以为没有任何东西碰到电子，所以电子的运动就应该不受影响，可是电子从互感器中经过的这一过程是要消耗能量的，能量少了，动量也会跟着变，电子的状态还是被不知不觉地改变了！”米西雅打断了我的胡思乱想，开始解释这个实验结果，“电流互感器要输出电压脉冲，线圈里必须要有磁场脉冲进入，线圈两端的电压是由磁场的变化按照电磁感应的规律产生的感应电动势，它的能量来自磁场的能量。而磁场又是由电荷的运动产生的，磁场的能量来自电荷运动的能量。当我们测量并记录互感器线圈两端的电压时，我们消耗了线圈中的感应电动势能量，按照这条能量的等价转换链，我们最终消耗的是运动电荷的能量！这里的运动电荷当然就是穿过互感器的电子，所以我们的测量手段看似没有接触电子，实际上是要消耗电子能量的。而这一过程消耗的能量虽然对宏观电流来说完全可以忽略不计，对单个的电子来说却大得可以彻底改变它的状态！在不受任何外界相互作用影响的绝对自由状态下，一个以速度v运动的电子相当于波长为λ= h/mv的波动，其中m是电子的质量，h是宇宙中的最小作用量单位[1]，是个与任何因素无关的常数。当电子失去能量后，速度就慢下来了，于是它的波长λ显然就变长了，也就是说，当一个电子穿过带有电流互感器的缝隙后，它的波长就明显的变得比没有穿过缝隙或缝隙上没有电流互感器时长了。而且，因为微观世界的一切最重要的本质特性就是随机——运动完全随机，相互作用完全随机，所以每一次每一个电子穿过电流互感器所消耗的能量大小也是完全随机的，根本不可能完全一样。至于电子所对应的波动的相位就更敏感了，无论多么微小的直接或间接相互作用都可以改变它，而且改变的大小同样是随机的。也就是说，来自同一个粒子源的每个电子每一次穿过缝隙后的波长和相位不但会面目全非，而且还会变得各不相同。而波发生干涉的条件是来自两个波源的波动波长和初始相位必须要一样，所以这样一来穿过缝隙后的任何一个电子都不再满足发生干涉的条件了，底片上的干涉条纹当然也就消失了。”

虽然米西雅讲得很慢，可是我要想理解这么复杂的问题还是非常吃力，反复思考了十分钟以后总算是基本上明白了为什么挡板缝隙上的电流互感器可以破坏掉底片上的电子干涉条纹。不过，之所以会出现这种情况，是因为电子带有电荷，而这种测量电子经过了哪道缝的方法是根据电磁感应的原理设计的，虽然没碰到电子，但测量时吸走了电子的能量，所以改变了电子的状态。如果用不带电荷的粒子来做实验，有没有类似的办法来探测粒子的行踪呢？如果有，可不可以设法避免对粒子的类似影响呢？

我提出了自己的想法，米西雅回答：“很遗憾，无论用哪一种粒子来做实验，无论用什么技术手段来探测粒子的路径，都不可能避免对粒子的干扰。只要探测到粒子过了哪一道缝，就足以让成像底片上的干涉条纹消失；而只要维持干涉条纹的存在，就无法获得任何关于粒子方位路径的信息。因为，宇宙中任何相互作用所交换的能量也是离散的，不能小于6.62606896×10^-34焦耳这个不可分割的最小单位值，而只能是这个数的整数倍。如果我们对粒子进行探测时要获得任何有意义的结果，我们的探测仪器一定从粒子身上吸走了不小于6.62606896×10^-34焦耳的能量或者对粒子施加了不小于6.62606896×10^-34焦耳的能量，否则我们即使在进行探测，也根本不知道粒子在哪里或者不在哪里，等于什么信息也没有获得。这个数正是宇宙最小作用量单位h的值，也是宇宙中传递1比特信息必须消耗的最小能量值。虽然对宏观物体来说这么小的能量实在是微不足道，但对电子和光子这些微小的粒子来说就很可观了，损失或增加这么多的能量足以让它们的运动状态完全改变。所以，不影响粒子状态的探测方法根本就不存在，因为无论什么探测方法都不可能让探测仪器和粒子之间交换的能量小于6.62606896×10^-34焦耳这个极限！”

原来相互作用中的能量交换也是离散的，正是这种离散阻止了我们探测微观粒子的准确状态！

可是，当我们不去探测粒子的时候，它们为什么会变成波呢？照这样说，不管在什么地方用什么方法，只要探测到了粒子的位置，粒子就肯定是小颗粒的样子，只有不去探测它们的时候它们才是波，那这种波岂不是永远也看不见吗？波状的粒子又有什么意义呢？

“在那个世界里，‘微观粒子既是小颗粒又是波动’这种观念的确立其实是个不得已的结果，因为找不到更好的解释。那个世界的绝大多数科学家除了接受粒子随着人为的探测方法不同而呈现出颗粒和波这两种截然不同的形态这个实验现象以外，所做的只是为描述微观粒子的两种不同形态建立了两种精确的数学模型，对于真正从现象背后的本质上统一两种形态，他们至今并没有取得什么真正的进展。通过我刚才的演示和讲解以及你自己的思考，你可能注意到了，底片上的干涉条纹是由大量粒子通过挡板上的缝隙后落在底片上的痕迹所拼成的，单个粒子穿过缝隙后落到底片上只能留下一个小点，不会出现干涉条纹。这一细节泄漏了天机：这种粒子显示出的干涉条纹与宏观世界中的波动形成的干涉条纹是有区别的！这种被探测到的波动现象本质上还是小颗粒，而纯粹的波动是看不见的！这就是我们下一步研究的突破口。”米西雅总结道。

“嗯，是呀，有什么办法可以更好地解释粒子形成的干涉条纹呢？”我点点头，揉了揉太阳穴。

“你在第一阶段的物理课程中所学的知识就是解开这个迷题最重要，最关键的线索。让我们利用这些知识，朝着今天发现的突破口中进发吧！宇宙真相的面纱不久便会被渐渐揭开，你将会看到很多从前无缘得见的奇观哦！”

“那咱们马上出发吧！”

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[1] 就是普朗克常数h = 6.62606896×10^-34焦耳·秒。普朗克常数又叫“作用量子”，代表了任何物理相互作用中交换的最小能量值。