光的奇异性

当你向水中投下一块石子，在静止的池塘表面所看到的情形就是有关波的经典例子。水波形成一系列的波纹，从石子落水处以一个又一个圆环的形式向外扩张。如果这样的波在到达其上有比波纹的波长小得多的两个小孔的障碍物时，在障碍物的另一侧波就以两个小孔为中心、以半圆环的形式向外扩张。它们所形成的图案就像当你同时向静止的池塘中扔下两块石头时所得到的波纹图案的一半。

每个人都知道这是什么样的图案。向池塘中扔下两块石头，你不会看到两组互相穿过的图形波纹，而是一个更复杂的波纹图案，这是由两个圆形波纹互相干涉所形成的。在某些地方，两组波纹相互叠加形成更大的波纹；而在另外一些地方，两个波纹互相抵消，在水中剩下极小或不再存在波的运动。

当光通过一个板上的两个小孔，在板另一侧的一个屏幕上形成一个图案时，所发生的正是相同的情形。为更清楚地显示这个效应，最好使用一束单色光，这相应于一个单一波长。从两个小孔处传出的两组光波就像池塘中的波纹一样。当光到达屏幕时，它形成一个明暗条纹的图案(干涉条纹)，相应于波互相加强(相长干涉)的地方和波相互抵消(相消干涉)的地方。这是简单直接的中学科学知识，不仅了解到光是一个波的事实，而且通过测量干涉条纹之间的间隔，可以很容易地计算出光的波长。

但是，即使在这一层面上，仍有一些微妙之处。你在屏幕上所得到的图案，不是当你让光束依次穿过每一个小孔并叠加在屏幕上时得到的光斑强弱变化的图案；这是干涉如何起作用的一个关键特征。仅让一个小孔开启，在那个小孔后面的屏幕上你会得到一个光斑；仅让另一个小孔开启，会得到第二个光斑。叠加两个光斑会得到一个更大的光斑。但是，干涉意味着当光同时通过两个小孔时，屏幕上的图案比这要复杂得多——不只是因为事实证明，图案中最亮的部分是在当两个小孔单独开启时所得到的两个亮斑之间的中心处，而这里正是你可能预计是暗影的地方。

到目前为止一切顺利。光确实是波。然而不幸的是对于这个简单的情形，也存在着证据表明光是由(被称为光子的)粒子组成的。根据我们日常生活的经验，粒子通过墙上双孔的方式是非常不同于波通过墙上双孔的方式的。假设双孔确实是一堵墙上的小孔，并假设你站在墙的一侧，在那里有一大堆石块，你向墙的方向扔石块，一次一块，但不要计较扔的方向是否准确。某些石块将穿过一个小孔，另一些穿过另一个小孔，在墙的后面形成两堆石块。所形成的图案(两堆石块)将与一半时间堵住一个小孔，另一半时间堵住另一个小孔所形成的图案完全一致。在墙的正后面，你肯定不会在两个孔之间得到一堆石块。一次一个粒子穿过双孔不会产生干涉。

当然，如果许多粒子同时穿过双孔，那么容易看出它们有可能相互干涉，互相拥挤在另一侧形成另一种不同的图案。毕竟，我们习惯于水本身是由粒子——水分子——组成的这一概念，可这并不妨碍池塘中的水波形成规则的波纹。设想从灯发出的一群光子像波一样以同样的方式通过双孔是完全可能的。但是当我们把目光投向一次仅一个光子穿过双孔会发生的情形时，神秘变得更加深邃。

需要着重强调的是，20世纪80年代中期在巴黎的一个小组已经进行了这个实验。事实上，他们已经观察到单个光子通过双孔，光子之间互相干涉。在我写作《寻找薛定谔的猫》之时，说明这些情况下光的这种性质非常明显，但是，严格地来说，它们并不直接。现在我们知道，当单个光子通过实验时，除了一些可疑的阴影之外，会发生什么。

当然，所有我们实际看到的是光通过双孔之后在屏幕上所形成的图案。设想光源变得足够微弱，以至于一个时刻只有单一光子通过实验(实际上，这是物理学家现在所能够做到的，尽管这个技术需要极高的技巧和非常精密的仪器)。现在再设想在双孔另一侧的屏幕是一个感光板，每一个光子的到达都被记录为一个白点。当单个光子通过实验时，在任何情况下，你都会正好看到你所预料到的情形——单一一个光子离开光源，并在感光板上形成一个单一的白点。但是，随着几百个，而后几千个，成百万个光子通过实验，你会看到一个奇异的景象，即感光板上的单个白点聚集起来，正好是典型的波干涉条纹的明条纹，其间为暗条纹。

尽管每一个光子开始时作为一个粒子，到达时作为一个粒子，但它似乎同时穿过了双孔，与自己相干涉，并且计算出自己应在感光片的什么位置出现，为整个的干涉条纹做出微小的贡献。这一行为包含着两个神秘之处：第一，单个光子如何同时穿过两个孔?第二，即使它做了这么个把戏，它又是如何“知道”在整个的干涉图案中自己应该在什么位置呢?为什么每一个光子不沿着同一条路径在另一侧的相同一点上终止呢？

尽管所有这一切都是神秘的，但你可能会争辩光有些奇异。的确是这样。光(严格地讲，应该叫电磁辐射)总是以相同的速度——即光的速度(用c标记)——传播。不论你如何运动，不论光源如何运动，当你测量光的速度时，你总是得到相同的答案。当我们讨论相对论时，我们会看到这有深刻的含义；它肯定不像日常生活中任何其他事物的行为。另外，光子无质量，这是另一个奇异且非常识性的性质。或许光子通过双孔的荒诞行为是由于光子无质量并且以光速传播的缘故；或者，这或许是增加到其奇异性质上的另外一个荒诞性质。正如拉尔夫·拜厄雷恩所表述，“光以波的形式传播，但以粒子的形式离开和到达”。或许这正是光的那些特殊的性质之一吧？

不幸的是，情况并非如此。你可以用电子做同样的实验——尽管电子不完完全全地是我们日常生活中习惯单独处理的那类粒子，但是它不仅具有质量而且带有电荷，在不同条件下以不同的速度运动。然而电子也以波的形式传播，却以粒子的形式离开和到达。这点很难自圆其说。