第四章 多重歷史論 I ─ 陪你讀霍金《大設計》The Grand Design

陳以聖 / 原載:κrazian

假如我們對著球門練習踢足球,進門的球必定散漫分布。因為我們會想要踢進去,所以,大體上靠近球門中央的區域球會比較多一些;集中的程度,當然視功力而定。但是如果在中間架上一堵牆,牆上開一個縫,那麼你的球必須要先穿越那個狹長的縫,才能到達球門,否則就會彈回。因此,雖然還是同樣的踢,這時球的落點就很集中了。如果我們再開一個縫,顯然通過的球數大約會加倍,而落點就會變成集中在球門裡的兩個小區域。憑著我們常識上的直覺,這兩個縫之間應該不會有甚麼關聯。也就是說,開左邊的縫,不管右邊的縫開不開,左邊的落點都會形成一小堆;同樣的,開右邊的縫,左邊的縫開不開也不打緊,右邊的落點必定也自成一小堆;左右兩個縫都開時,當然就形成兩小堆。就算試的再多次,也不會出現甚麼奇蹟。

但是,1990年奧地利科學家們拿碳分子當足球來做實驗,卻出現了奇蹟。原本該出現的那兩堆變小了,另外還多出許多小堆。總數雖然還是一樣,分布的情況卻非常詭異。看起來像是有不少「足球」轉了彎一樣。仔細的看,很像之前提到光的干涉現象所形成的條紋一般。對照而言,產生「建設性干涉」的地方就形成了一小堆;發生「破壞性干涉」的區域則空空如也。這些「小足球」難不成竟成了波動?

我們總說「眼見為憑」,可當真要見到了這怪事,又會大呼不可思議。難道微觀世界的運作法則,即所謂的量子理論,和我們日常生活所見的法則,也就是牛頓理論,有所不同?誰是對的,誰是錯的呢?其實,就在我們日常可見的事物中,量子理論仍然是運作的基礎法則,只不過因為我們所「看」到的事物都比原分子層次大得多,每個物體都由無數的原子構成,以致於我們看到的現象,都是原子們之間互相牽制的結果。所以,我們沒有機會看到它們的「干涉」或「繞射」現象。

其間的道理,就像「個別腦神經的運作原理」和「整體人腦的思考」之間,似乎看不出關聯一樣。這種細節無法深究,但是整體大方向卻能夠掌握的道理,應用在經濟上,中國人稱做「宏觀調控」;用在社會學上,我們叫它做「群眾心理」。你可以說它是實實在在的「亂中有序」;可不是一般人不整理桌面時拿來當藉口用的那種「亂」與「序」。更進一步的說,一個層次的「亂」或「不確定性」,到了另一個層次,卻透出「序」與「必然性」。那麼,從「見山是山」到「見山不是山」,再到「見山又是山」,如此的反覆交替,可有窮盡乎?大自然,或整個宇宙,是否藉此透漏了玄機?

所以,不只是光,連物體也有波動的特性。而當光源很微弱的時候,我們的的確確可以偵測到一個個的「光子 photon」撞擊屏幕。所以說,光也有物體所具有的粒子特性。至此,我們可以說光和物質都同時具有粒子和波動的二元特性。

在光的干涉實驗中,並不需要很強的光線,也就是說,光子並不需要一大群才能形成干涉現象,就算久久一個光子通過上述的雙狹縫,仍然可以累積出一個明暗條紋圖案。這情形和之前的「碳足球」實驗同樣的神奇,因為,這意味著「自己」可以和「自己」產生干涉現象!?奇也怪哉。而既然會「自體」干涉,便表示我們完全無法預測單個粒子或光子到底會走甚麼樣的路徑,到達屏幕。儘管我們對於量大後的總體表現,可以準確的描述,個別的行為卻無從掌握。這就要談到量子物理上的另一個重要的觀念:測不準原理(uncertainty principle)。

測不準原理?絕大多數的人乍聽這個原理,都忍俊不住:測不準還拿來說嘴,還大言不慚的叫甚麼「原理」?其實,測不準原理的描述,當您了解了之後,便會不禁讚嘆它的準確。

測不準原理說的是:一個粒子的位置和動能(速度乘以質量)的量測值的不準度的乘積,必定大於一個數字。這個數字稱為「蒲朗克常數」,它非常的小,小數點後面 33 個零之後才出現一個 6,而這,就是測不準原理它「準確的一面」。也就是說,你如果抓得住它的位置,就沒辦法弄得準它的速度。反之亦然,如果測得準它的速度,就搞不定他的位置。當粒子愈小的時候,這個誤差相形之下就愈大;日常生活中所見的東西都「太大」,誤差就顯得微不足道,所以「測不準」不至於明顯到讓你察覺。否則,小孩一跑開來,大概永遠也別想要找回來了,那還得了。不過,聽起來倒很像是說:「也許你可以隨時掌握他的行蹤,卻也將因此失去他的心。」是不是很有哲學意味?

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