作者：力波/文

地球会突然消失吗？

　　有一天，你走在坚实的大地上，但突然之间，你脚下的土地，连同周围的树木、房屋——所有的一切都在你眼前瞬间消失了。你被悬置在寂寥的太空中。
　　这如鬼魅般不可思议的场景有可能出现吗？可别笑，从概率上来说，它还真有亿亿亿亿亿亿亿亿万分之一的可能性，当然，真要出现这样的情况，你不会单独地被地球抛在太空中，而是连同树木、房屋、白云随着地球一起消失在茫茫宇宙中。
　　地球会在瞬间跑到什么地方？可能是在银河系的某个地方，也可能在一百亿光年外的某个星系里，总之，它可能出现在宇宙的任何角落，甚至可能出现在另一个宇宙中。这就像你熟悉的一个朋友，突然间杳无音信，他可能去了另一个城市，也可能去了遥远的美洲、欧洲、非洲的任何一个地方。
　　地球，这么一个庞然大物，怎会如同鬼魅般在瞬间从太阳系消失得无影无踪？
　　科学家们会说，因为地球具有波动性。不仅地球，就是我们自己，我们身边的亲戚、朋友，世界上的动植物，通通具有波动性。这种波动性会导致什么结果呢？如果我们安安静静地坐在椅子上，只要时间足够长，我们会在某个时间点上突然到了火星上，或者其他星系。
　　也许你被弄糊涂了，我们、我们身边的树木和建筑、我们座下的椅子，不都是实实在在的物质吗？怎么会有波动性呢？而地球更是一个结结实实的庞然大物，它的波动性又在哪里呢？即使它们都具有波动性，这与它们消失有什么关系呢？
　　不要着急，我们不妨从我们熟悉的光谈起。

　　你看，你看——光的“脸”

　　光究竟是什么？以前人们一直并不清楚。后来出现了一位大科学家，就是英国的牛顿，才开始为我们描述了光的面孔。
　　1660年代，牛顿用三棱镜先把阳光分成了一道拥有赤橙黄绿青蓝紫七种颜色的虹，再用另一个棱镜，将各种色光重新聚合成了一道白光。在这个实验的基础上，后来牛顿宣布：“（光）体积小得不可思议，是无数个大小不同、快速运动的颗粒，一个接着一个从遥远的发光体飞奔过来。”由于牛顿在科学界的地位非同一般，此后人们一度相信光就是一种粒子。
　　一百多年之后，即1801年，英国物理学家托马斯·杨做了个实验，他在桌子上平行摆放了甲、乙、丙三块光屏，甲屏中央有一道窄缝，乙屏中央有两道离得很近的窄缝，丙屏是接收屏，上面没有缝隙。他让太阳光通过甲屏窄缝照射到乙屏上，再穿过乙屏到达丙屏。按理说，这时丙屏上只会出现相对应的两条亮条纹，但奇怪的是，在丙屏上出现了两束光相互叠加到一起的亮暗交替的彩色条纹。这就是著名的杨氏双缝实验。之后，科学家还发现，当让一束光通过一个小圆孔时，圆孔后面的接收屏上中央是一个圆形亮点，而周围光照不到的地方则出现一圈一圈的圆环；而若在一束光前放置一个小圆片，圆片后面的接收屏上，会出现圆形阴影，但奇怪的是阴影中央却是一个亮点，光怎么绕到圆片后面去了？这些现象用粒子理论是无法解释的，这些都说明光并不只是直线运动的粒子，它的运动与水波、声波等一样，是一种波！
　　与托马斯·杨的探索方式不同，1860年代，英国人麦克斯韦长期研究电和磁，他发现电和磁都是以光速在真空传播，这难道仅仅是巧合，还是光、电、磁本来同根？经过长期的研究，他最终断定，光是一种电磁波。同时光——单指纯粹的可见光，其波长范围覆盖了从380纳米的紫光到780纳米的红光区域，属于电磁波的波谱系列中的一段（具体可参看我刊2005年第4期《惊天波舞》一文）。
　　这些事实证明，光就是波，光始终是“波来浪去”式的前进的，只不过人眼看不见它的起伏变化罢了。
　　牛顿的粒子说似乎被打败了。然而，当人们逐渐熟悉了光那波浪般的面孔时，它的突然一转头，却让人大吃一惊，原来——

　　光是个“双面怪”

　　1890年代，科学家们发现了这样一个现象，当光照射到一块金属表面时，这些波能够从金属表面打出电子，这就是光电效应。怎么解释这个现象呢？
　　也许会有这种解释：由于光是电磁波，会对带电粒子施加一个振动的力，电磁场不断地摇晃这些粒子，直到它们被摇下来。但是有一种问题没办法解决：我们知道，按照波动说的观点，强光能量大（因为强光振幅大），弱光能量小。以此推理，似乎以强度较大的光照射到金属上时，就能很快打下电子来，而弱光则很难打下电子。就像大风可以把苹果从树上吹下来，而微风却很难做到。
　　但事实并非如此。实验证明，电子能否被打出来，与光的强度（即振幅）没有关系，却与光的频率有关。只要光的频率高于某个临界值（不同的金属有不同的临界频率），不管振幅高低，光都能很快打下电子。而一旦光的频率低于这个临界值，无论用多强的光照多久，就是打不下电子来。
　　光若是波，不管高频与低频都携带能量，虽然低频的能量较低，但是照射时间越长可以提供的能量应该就越多，为何临界值以下的低频光照射时完全打不下电子呢？就像海边的礁石，虽然很坚硬，但长时间的冲击，柔弱的海浪总会把礁石的棱角打掉。
　　也许是我们一开始的假定错了，光并不是波？
　　1905年，爱因斯坦最终解释了光电效应。他断定，照射到金属表面的光线是由一个个辐射粒子组成的，这些辐射粒子叫做光子。每一个光子所携带的能量和其频率成正比。当光子照射到金属表面时，高频的光子具有较高的能量，将能量完全转移给电子，而使得电子获得足够能量，马上可以挣脱金属，就像机关枪的子弹从混凝土墙上打下混凝土块一样。
　　这样看来，光似乎是频率各不相同的粒子。
　　但光究竟是什么呢？这让大家一头雾水：牛顿说光是粒子，后来的科学家又说光是波，爱因斯坦又是一种说法，那么究竟是谁说得对呢？为此物理学家们分成了两大阵营，一方支持光的粒子论，另一方支持光的波动论。粒子论和波动论的交锋，最终在量子理论兴起后，达成了一定的“和解”。量子理论认为，光以波的形式穿越空间，碰到物质时，则表现出粒子的特性。这就是说，光具有波粒二象性，因此，我们不能简单地说光是粒子或者光是波，它是一个“双面怪”。

　　微观粒子都是“双面怪”？

　　从理论上来说，世间万物大都是由一个个粒子组成的，现在看来，没有体积没有质量的光子具有波动性已经是一个共识，那么有质量的粒子是不是也具有这样的特性呢？
　　1927年，美国的两位物理学家先用仪器发射电子，发射出的电子被加速器加速，加速后的电子通过一组狭缝，从狭缝高速射出的电子束以一定角度向镍晶体射去，碰到镍晶体的电子被散射，然后收集散射的电子，结果发现，电子被散射的情况不像粒子被散射时，杂乱无章地四处奔散，而是呈现出光被衍射时的特征，这种现象只能用电子波在镍晶体表面发生了衍射来解释。后来，科学家用电子束代替光束重复了托马斯·杨的双缝实验，他们发现电子束和光束一样具有干涉现象。这些现象说明电子具有波的特性！而电子又是众所周知的粒子，因此电子也具有波粒二象性，也是“双面怪”！
　　电子的质量很小，表现出波的性质也许并不太令人震惊，令人震惊的是，质量是电子质量近2000倍的中子竟然也是波！人们是首先在观察热中子流被固体或液体甚至气体中的原子散射时发现的，被散射的中子出现了衍射现象，这种衍射现象说明中子也具有波的性质，这样说来，中子也是“双面怪”！ 之后，原子的波粒二相性也被发现了，不过原子的波动性已经不容易观察了。
　　令科学家又一次惊讶的是，分子，这种许多原子组成的粒子团，竟然也出现了波的现象。事情的发生是这样的：科学家想研究一氧化碳分子在相互碰撞后它们彼此是如何传递能量的。但他们测量到的能量传递数值总是和原来的理论和经验公式推算的结果对不上，与后者的数值相差一倍之多。问题究竟出在哪里？在较长时间里，科学家都不得其解。是实验测量出错了吗？随后进行的多次验证都证明实验没错。经过反复思考，他们决定换个思路来寻找谜底。他们大胆地把一氧化碳分子看作是波，把分子间的碰撞当作波的干涉行为，用得到的新的能量传递公式来推算，结果让他们大喜过望，推算的结果和实际测量得到的数值完全相符！这不是巧合吧？他们又进行了多次实验，结果推算结果和实际测量结果无一不符。一氧化碳分子之间确实发生了波的干涉现象，分子也是波！
　　分子竟然也是波，这太不一般了。分子可以说是宏观物质当中最微小的物质，也是构成生命和万物的基本物质；但在微观物质当中，它又是最庞大的物质。分子是波，意味着比分子小的所有粒子都应该是波，由分子组成的宏观物质都有可能是波：猫狗是波，你我也是波，喜马拉雅山是波，就连地球也是波……

　　万物皆是“双面怪”

　　翻开科学发展的历史，竟然这个惊人的观点，早在1923年就被一位叫做德布罗意的法国物理学家提出过，他根据爱因斯坦的质能方程对光的波粒二象性进行了理论推导：光子虽然没有静止质量，但有运动质量。根据相对论，质量就是能量，有能量必有频率，有频率必有波动。因此，光子具有波动性。光的粒子性和波动性就是这么联系起来的。如此说来，凡是具有质量或能量的物质都具有波动性，所有的物质都是波！这就是德布罗意的“物质波”概念。
　　根据这个概念，像电子、原子这样的粒子不仅仅是粒子，还是在空间中无限延伸的波！从理论上来说，它可以扩散到宇宙的所有角落。
　　由此推而广之，所有的粒子，甚至人体、树木、地球也都是波，我们生活在一个由波组成的世界，而我们自己也是波！我们的波在宇宙中也具有无限的延伸性，从地球上扩散到太阳系、银河系直至遍及宇宙。
　　只是我们的波太微弱，根本没办法检测到。德布罗意通过计算发现，物体的质量越大，其物质波的波长就越短。电子的波长大约为10-11米，大约是原子直径的1/10，这可以在实验中观察到。而一个重1千克，以1米/秒的速度运动的球体，它的波长只有6.6×10-34米，比一个原子的直径不知要小多少。难怪我们只看到或静止、或运动的真实的物体，却从来没有注意到普通物体的波动性。
　　万物既然皆有波动性，万物又都体现出的是大大小小的粒子，那么万物就都具有波粒二象性，万物都是“双面怪”！当然地球也是“双面怪”，可是我们为什么说它有可能会突然消失呢？原来——

　　光不是粒子，也不是波

　　科学家曾再次对托马斯·杨的双缝实验进行重复，不过这次重复并不是简单的重复，科学家把原来实验中的接收屏幕换成了感光片，然后用很弱的光穿过双缝，并在很短的时间里关闭双缝。结果发现，当只有几个光子打到感光片上时，分布是杂乱无章的，这个时候，光子显然展现出粒子的面孔；但是，当放更多的光子到达感光片时，光子的分布居然变得很有规律，感光片上出现了明显的干涉条纹，现出了波的面孔。
　　后来，又有科学家从这个实验中获得了新发现。他们发现，那些看起来是连续的单个光子通过双缝后的落点，其实是无法预测的；但是很多光子打在胶片上就会出现明暗相间的条纹，显现出了规律性，光子落在某些条形区域内的可能性很大，而落到其他区域的可能性就小。这说明，光子在空间各点出现的可能性有个大致的概率；根据光子“杂乱有章”的运动轨迹，我们则可以说，光波是在不确定的运动轨迹的前提下形成的波，因此，严格地应该称之为概率波。

　　可以说一个光子可能出现在双缝实验中的一道缝隙，也可能出现在另一道缝隙，在它出现在感光片上时，可能在正对着缝隙的地方，也可能在旁边的地方，甚至还可能出现在地球的另一边。从概率上来说，一个光子可能出现在宇宙的任何地方，不过它出现在不同地点的概率是不同的，例如在上述实验中的感光片上，光子出现概率大的地方较亮，光子出现概率小的地方较暗，甚至看不见。但光在所有地方出现的总的概率加在一起，是1。也就是说，这个光子肯定在宇宙中，我们甚至可以说它在宇宙的任何地方，但是在什么位置并不确定，它在某些地点（比如感光片上）出现的概率大一些，在某些地点(比如宇宙其他地方)出现的概率小一些。
一个粒子在空间的分布概率，我们可以用数学表达式来描述，这个数学表达式就是波函数。