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量子宇宙_(英)布莱恩·考克斯,(英)杰夫·福修著;王一帆译(第三章 何为粒子) 第(3/8)页

回到图3.1,我们提议,在任何时刻,单个电子都由一列像水波那样的波描述。一开始,电子波在狭缝的左侧。这意味着在某种意义上,电子就位于波中的某处。过一会儿,当电子波像水波那样前进至狭缝,电子此时便位于新波中的某处。可以说,电子是“先位于A再运动到C处”,或者它“先位于B再运动到D处”,或者它“先位于A再运动到D处”,等等。先不要细想,等波穿过狭缝到达荧幕,我们再来看看。现在,电子可以在E或者也可能在F处被找到。我们在图中画出的曲线,表示的是电子从源运动到荧幕可能通过的两条路径。它可以从A到C再到E,或者从B到D再到F。以上只是单个电子可能采取的无穷条路径中的两种可能。

关键之处在于,“尽管电子可以尝试每一条路径,但它实际上只走了其中一条”这句话并没有意义。如果说电子实际上只沿一条特定路径,就好比是在水波实验中封住了一条缝,这样并不会产生干涉水纹,也无助于理解电子干涉图案的形成。必须允许波从两边缝都通过,才能产生干涉图案;这意味着,在从源到荧幕的运动中,得允许电子通过所有可能的路径。换句话说,当我们说电子“在波中某处”时,意思其实是,电子同时位于波中所有的位置!这就是我们必须接受的思维方式,因为如果假设电子实际上位于某特定位置,则这列波将不再扩散,水波的类比就失效了;我们也就无法解释干涉图案了。

或许应该再次重读上面的推理过程,因为它启发了下文的大部分内容。这不是在耍花招;我们在讨论的是,要描述一列扩散的波,同时它也是一个点状电子,那么一种实现的可能是,电子在从源到荧幕的运动中,会扫过所有可能的路径。

我们可以从中得到启发:一列电子波,是在描述单个电子以无穷条不同运动路径,从源运动到荧幕。换句话说,“一个电子如何到达荧幕?”的正确回答是,“它运动在无穷条可能的路径上,有一些穿过这条狭缝,另一些穿过那条狭缝”。很明显,“这个”电子并非日常观念中的粒子,因此称之为量子粒子。

在我们决定找到一种描述方式能从不同角度模仿波行为的电子之后,我们需要发展一套更精确的语言来讨论波。首先我们得能描述,水缸中两列波相遇、混合和彼此干涉的现象。为此,得找出更简易的方法来表示每列波峰与波谷的位置。在专业术语中,这叫作相位(phase)。简单来说,“同相”(inphase)有相互加强之意,而“异相”(outofphase)表示相互抵消。“相位”一词也用于描述月球:在其约28天的公转周期中,月球从新月逐渐盈为满月,再逐渐亏回新月,如此循环。英文中phase一词来自希腊文φ?σι?(拉丁文转写:phásis),意为天象的出现和消失,月亮明面的周期性显现和消失,似乎引出了phase一词在20世纪尤其是在科学中的一种用法,用于形容周期性的东西。这就为我们如何用示意图来表示水波峰谷的位置提供了一条思路。


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