十、粒子還是波？
從東方智慧思想的角度來看相對論，還僅僅是一個開始，我們將沿著這個方向繼續向量子理論出發。為了說明我們並不是牽強附會，有必要先引出以下三段量子物理學家的話：
J．R．奧本海默：在原子物理學的發現中所表現出來的……關於人類認識的一般概念，……就其本質而言並非我們根本不熟悉、前所未聞或者完全是新的。即使在我們自己的文化中它們也有一定的歷史，而在佛教和印度教的思想中更居有中心的地位。我們所要作的發現只是古代智慧的一個例證、一種促進和精細化。
N．玻爾：為了與原子理論的教程作一類比……（我必須轉向）這樣一些方法論的問題，如來佛與老子這樣一些思想家早就遇到了這類問題，就是在存在這幕壯觀的戲劇中，如何使我們既是觀眾又是演員的身分能夠協調起來。
W．海森堡：自從第一次世界大戰以來，日本科學研究對於理論物理的巨大貢獻可能是一種跡像，它表明在東方傳統中的哲學思想與量子力學的哲學本質之間有著某種確定的聯系。
以上三位都是量子科學領域無可爭議的頂尖人物，他們不約而同的提到東方哲學思想，應該不僅僅是偶然的原因。因此，我們有必要仔細考察量子理論與東方哲學思想的關聯性，看看能否給我們帶來新的啟發。
量子理論與相對論一樣，都是科學發展以來最為成功的理論之一，基於量子理論的預言在極高的精度上與實驗相符。量子理論給我們提供了新的關於自然界的表述方法和思考方法，揭示了微觀物質世界的基本規律，為原子物理學、固體物理學、核物理學和粒子物理學奠定了理論基礎。它能很好地解釋原子結構、原子光譜的規律性、化學元素的性質、光的吸收與輻射等。現代的許多科技成果都帶著量子理論的烙印。沒有量子理論，我們的科技可能還只停留在20世紀初的水平上。
但是，這樣一個成功的理論，卻是目前物理學家們最感困惑的一個理論。最主要的困惑在於，一些基本的實驗現像不能得到合理的解釋，另外，海森堡不確定性原理的機制是什麼，也不能得到有說服力的解釋。
不確定性原理是說：一個微觀粒子的某些物理量（如位置和動量，或方位角與動量矩，還有時間和能量等），不可能同時具有確定的數值，其中一個量越確定，另一個量的不確定程度就越大。測量一對共軛量的誤差的乘積必然大於一個常數。這個規律是海森堡在1927年通過數學手段推出來的，之後被許多實驗確認，是微觀粒子運動的基本規律。
我們可以用一個通俗的比喻來理解不確定性原理：在一個密閉而漆黑的房間裡，我們被告知，有一只蒼蠅在房間裡漫無目的的飛翔，但由於一片漆黑，我們無法確實認定這一點。現在我們手頭有兩個道具，一個是帶閃光的照相機，一個是具有紅外功能的攝影機。我們一次只能選擇一個道具，當我們選擇照相機時，我們可以拍下蒼蠅的照片，這樣，蒼蠅的模樣等細節信息就一清二楚，但同時關於蒼蠅運動方面的信息卻完全失去了，我們得到的只是一幅靜止的圖片。當我們選擇紅外攝影機時，蒼蠅的運動軌跡被我們記錄了下來，但同時蒼蠅具體的模樣等細節信息我們卻一無所知，因為紅外攝影機裡記錄的只是一個不斷移動的光點。總之，我們不可能同時即把蒼蠅的樣子看得清清楚楚，又把蒼蠅的運動記錄完整，這是一對共軛的矛盾。在微觀的量子世界，科學必須要面對這樣的矛盾，而在宏觀領域，則沒有這樣的限制。在宏觀領域，就像在房間裡裝上了電燈，蒼蠅的樣貌和運動軌跡都可以被攝影機同時記錄下來，這並不是矛盾的。
不確定性原理誕生80多年來，物理學家們一直不知道這個原理背後的原因。也有一些解釋，如霍金就認為，測不准的原因是當人去觀察粒子時，光子對粒子造成了擾動，所以測不准。這個解釋雖然很形像，但並不能使人信服，因為測不准原理並不是實驗室中的發現，而是首先通過數學公式推導得出的，這就說明，只要量子理論的公設沒有問題，那麼從理論上說，粒子的位置和動量就是沒辦法同時精確測量，而這並不是測量手段的問題。況且，有些亞原子粒子的質量可以非常大，光子的擾動可以忽略不計，因此說測不准的原因是光子擾動的說法是說不過去的。
我們再來看電子的雙縫實驗。
如果我們把一束電子直接打在屏幕上，屏幕會顯示一個亮點，表明電子是粒子性的。我們再讓一束電子通過兩段平行的狹縫，在屏幕上則會顯示出明暗相間的干涉圖案，表現出波動性。如果將雙縫之一關閉，則屏幕會立即出現衍射圖案，但干涉圖案與衍射圖案並不相同，雙縫干涉圖案並不是單縫衍射圖案的疊加。最奇怪的是，在上述實驗中，讓電子一粒一粒的發射，實驗結果還是一樣的。那麼電子到底是粒子還是波呢？
如果說電子是粒子，通過單縫時，為什麼會出現衍射圖案？而且如果是粒子的話，必定不可分割，也無法解釋一粒一粒發射的電子通過雙縫後怎麼會形成干涉圖案 ——前一粒不可能與後一粒發生干涉，單個粒子也不可能同時穿過兩條狹縫自己與自己發生干涉。在雙縫實驗中，我們快速遮去其中一個縫，單個的電子又是如何感知我們的這一行為並立即表現出完全不同的運動軌跡，本來應該落在干涉圖案中的亮點變成了落在衍射圖案中的亮點？要知道，雙縫之間的距離相對於電子的運動尺度來說，至少是十萬倍的差距，如果電子是粒子的話，電子要如何瞬間感知到十萬倍距離外的縫的狀態？
如果說電子是波，可以解釋電子同時通過兩條狹縫後發生干涉，但通過狹縫後打在屏幕上的為什麼仍然是一個小亮點，而不是較暗的干涉圖案？如果我們想要一探究竟，在雙縫旁邊安裝一個粒子監視器，此時我們會看到一個個的粒子，但是干涉圖案也隨之消失。電子好像知道人們的心思，我們想要偷看它的秘密，它立即會掩飾得很好，一點破綻也沒有。
粒子和波這兩種最不可能合一的狀態，在亞原子世界竟然是融合在一起的，這是量子科學中最難以理解的謎團。目前主流的看法是，電子（其他亞原子粒子也一樣）是處在一種所有可能狀態的迭加態中，我們無法推測電子在某一時刻的具體位置（除非進行觀測），但我們可以知道電子出現在某一位置的幾率是多少，這個幾率可通過薛定諤波函數計算得出。
那麼，粒子在通過狹縫前到底是一種什麼狀態呢？是粒子還是波？還是一種被幾率波函數約束的量子迭加態？如果是後者，我們又要如何來理解呢？顯然，微觀亞原子粒子的行為不能用我們經典的理論來解釋。我們只能籠統的說，粒子具有波粒二像性。如果我們只滿足於對現像的了解，這個認知就足夠了，教科書這麼寫，我們也就這麼看。就像世界上幾乎所有的應用物理學家都認為的那樣，知不知道粒子的秘密和能不能運用量子理論是兩回事。現在量子計算機的研究正如火如荼的開展，應用物理學家們不會干等著理論物理學家的解釋再干活的。況且，粒子世界怎麼回事，跟我們的生活關系好像不大。粒子再怎麼奇怪，太陽還是有規律的東升西落，我們還是要有規律的上學上班，微觀粒子世界和宏觀世界是不相干的。
但是，真的不相干嗎？薛定諤的那只可憐的貓打碎了我們希望窩在有規律的宏觀世界的美夢，把微觀世界和宏觀世界生生的扯到了一起。埃爾溫·薛定諤是量子力學的奠基人之一，在1935年就已經覺察到量子迭加的哲學問題怎樣可以在宏觀級上出現。他設計了這樣一個思想實驗：“一只貓關在一鋼盒內，盒中有一種殘忍的裝置（必須保證此裝置不受貓的直接干擾）：在蓋革計數器中有一小塊輻射物質，它非常小，或許在1小時內只有一個原子衰變。在相同的幾率下或許沒有一個原子衰變。如果發生衰變，計數管便放電並通過繼電器釋放一錘，擊碎一個小的氫氰酸瓶。於是貓被毒死”。
我們運用自己的邏輯推測，那只貓是非死即活的，兩者必居其一。可是，按照量子力學規則，盒內整個系統處於兩種態的迭加之中，一態中有活貓，另一態中有死貓。但是，一只又活又死的貓，是什麼意思呢？貓的死活被擺在了台面上，我們不能再奉行鴕鳥政策了！
對於量子領域的這種奇怪特性，量子理論的奠基人之一的玻爾給出了自己的理解。他的解釋也被認為是量子理論的傳統觀點，被稱為哥本哈根解釋。玻爾認為：在對某個量子物體實行一次測量之前，就把一組完全的屬性委歸於它，那是沒有意義的。也就是說，詢問一個電子“實際”是什麼的問題，是沒有意義的。或者至少，當您提這個問題時，物理學家不可能給予回答。他宣稱：物理學不告訴我們世界是什麼，我們只能說觀察到的世界是什麼。對於薛定諤的那只被量子論決定生死的貓，玻爾的觀點是，物理學不能告訴我們貓是生還是死（當然我們的邏輯可以判斷），只有在我們觀察後，波函數發生“塌縮”，我們才能知道確定的結果。
玻爾的結論是驚世駭俗的，因為本來是客觀的物理實驗，結果卻要由主觀的意識來決定，這是大多數人所不願接受的。我們一般會毫不猶豫的認為這個世界是實實在在存在著的，眼前的電腦、屋外的果樹、鮮花，一切的一切，都是實實在在的呆在那兒，這一切，並不會因為我們沒有注意到就不存在。換句話說，就算我們魂歸西天，這個地球還是一樣的轉。是的，我們堅定的這樣認為。不僅我們，大多數物理學家都是同樣的看法，認為我們這個世界具有兩種特性：實在性和定域性。其中定域性是指，一個物體或人，比如張三，要麼在家裡，要麼在辦公室，或者在其他某個地方從事秘密活動。我們可以確定，在某個具體的時間，張三只可能出現在一個地方，他不可能同時在家又在辦公室（當然除了他是SOHO的在家辦公一族）。也就是說，沒有一種東西可以超過光的速度。然而玻爾告訴我們，在粒子世界，所謂的定域性是不存在的，而實在性，從物理學角度也是無法確定的。
出於保衛經典世界的定域性和實在性角度出發，一些物理學家發展出了關於量子特性的多種解釋。一種隱變量理論認為，我們不清楚粒子的行為是因為某種暫時還沒有被我們發現的因素導致的，粒子其實和乒乓球一樣是經典實在的。另一種多宇宙論則認為，我們每次觀測，宇宙就發生一次分裂。比如我們看到粒子從左縫穿過，與此同時，另一個平行的宇宙被分裂出去，在那個宇宙，粒子其實是從右縫穿過的。這樣，與我們平行的宇宙就有天文數字般那麼多。我們不禁感嘆，為了保衛實在世界的代價未免也太大了！況且這也不符合奧卡姆剃刀的經濟性原則，奧卡姆剃刀原則告訴我們：不要把簡單的事情復雜化。
如果僅是理論的不完善，我們還可以勉強接受，然而以下將要談到的兩個已被證實的實驗，將徹底粉碎任何保衛實在性和定域性的企圖。
圖一 楊氏雙縫干涉
圖二 雙縫干涉示意圖
圖三 電子一粒粒的發射，最終還是會形成干涉圖案
圖四 薛定諤貓
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