在我们观测电子以前,它实际上处在一种叠加态,所有关于位置的可能性叠合在一起,弥漫到整个空间中去。但是,当我们真的去“看”它的时候,电子便无法保持它这样优雅而面面俱到的行为方式了,它被迫作岀选择,在无数种可能性中挑选一种,以一个确定的位置出现在我们面前。
波函数这种奇迹般的变化,在哥本哈根派的口中被称之为“坍缩”,每当我们试图测量电子的位置,它那原本按照薛定谔方程演变的波函数ψ便立刻按照那个时候的概率分布坍缩,所有的可能全都在瞬间集中到某一点上。而个实实在在的电子便大摇大摆地出现在那里,供我们观赏。
在电子通过双缝前,假如我们不去测量它的位置,那么它的波函数就按照方程发散开去,同时通过两个缝而自我互相干涉。但要是我们试图在两条缝上装个仪器以探测它究竟通过了哪条缝,在那一刹那,电子的波函数便坍缩了,电子随机地选择了一个缝通过。而坍缩过的波函数自然就无法再进行干涉,于是乎,干涉条纹一去不复返。

量子论革命的破坏力是相当惊人的。在概率解释,不确定性原理和互补原理这三大核心原理中,前两者摧毁了经典世界的(严格)因果性,互补原理和不确定性原理又合力捣毁了世界的(绝对)客观性。新的量子图景展现出个前所未有的世界,它是如此奇特,难以想象,和人们的日常生活格格不入,甚至违背我们的理性本身。但是,它却能够解释量子世界一切不可思议的现象。

同时具有p和q的电子是不存在的!p和q也像波和微粒一样,在不确定性原理和互补原理的统治下以一种此长彼消的方式生存。对于一些测量手段来说,电子呈现出一个准确的p,对于另一些测量手段来说,电子呈现出准确的q。我们能够测量到的电子才是唯一的实在,这后面不存在一个“客观”的,或者“实际上”的电子!
换言之,不存在一个客观的,绝对的世界。唯一存在的,就是我们能够观测到的世界。物理学的全部意义,不在于它能够揭示出自然“是什么”,而在于它能够眀确,关于自然我们能“说什么”。没有一个脱离于观测而存在的“绝对自然”,只有我们和那些复杂的测量关系,熙熙攘攘纵横交错,构成了这个令人心醉的宇宙的全部。测量是新物理学的核心,测量行为创造了整个世界。

双缝干涉中,电子选择左边的狭缝,还是右边的狭缝呢?现在我们知道,假如我们采用任其自然的观测方式,让它不受干扰地在空间中传播,这时候,电子波动的一面就占了上风。它于是以某种方式同时穿过了两道狭缝,自身与自身发生干涉,其波函数ψ按照严格的干涉图形花样发展。但是,当它撞上感应屏的一刹那,观测方式发生了变化!电子突然和某种实物产生了交互作用我们现在在试图探测电子的实际位置了!于是突然间,粒子性接管了一切,这个电子凝聚成一点,按照ψ的概率随机地出现在屏幕的某个地方。
假使我们在某个狭缝上安装仪器,试图测出电子究竟通过了哪一边,注意,这是另一种完全不同的观测方式!!!我们试图探测电子在通过狭缝时的实际位置,可是只有粒子才有实际的位置。这实际上是我们施加的种暗示,让电子早早地展现出粒子性。
事实上,的确有一边的仪器将记录下它的踪影,但同时,干涉条纹也被消灭,因为波动性随着粒子性的唤起而消失了。我们终于明白,电子如何表现,完全取决于我们如何观测。种瓜得瓜,种豆得豆,想记录它的位置?好,那是粒子的属性,电子善解人意,便表现出粒子性来,同时也就没有干涉。不作这样的企图,电子就表现出波动性来,穿过两道狭缝并形成熟悉的干涉条纹。

电子是粒子还是波?那要看你怎么观察它。如果采用康普顿效应的观察方式,那么它无疑是个粒子;要是用双缝来观察,那么它无疑是个波。
但是,一旦观察方式确定了,电子就要选择一种表
现形式,它得作为一个波或者粒子出现,而不能再暧昧
地混杂在一起。波和粒子在同一时刻是互斥的,但它们却在一个更高的层次上统一在一起,作为电子的两面被纳入一个整体概念中。这就是玻尔的“互补原理”,它连同波恩的概率解释,海森堡的不确定性,三者共同构成了量子论“哥本哈根解释”的核心,至今仍然深刻地影响着我们对于整个宇宙的终极认识。
“第三次波粒战争”便以这样一种戏剧化的方式收场。而量子世界的这种奇妙结合,就是大名鼎鼎的“波粒二象性”。

海森堡告诉我们,在极小的空间和极短的时间里,什么都是有可能发生的。因为我们对时间非常确定,所以反过来对能量就非常地不确定,能量物质可以逃脱物理定律的束缚,自由自在地出现和消失。但是,这种自由的代价就是它只能限定在那一段极短的时间内,当时刻一到,这些神秘的物质能量便要消失,以维护质能守恒定律在大尺度上不被破坏。
不过20世纪60年代末,有人想到了一种可能性:引力的能量是负数(因为引力是吸力,假设无限远的势能是0,那么当物体靠近后因为引力做功使得其势能为负值),所以在短时间内凭空生出的物质能量,它们之间又可以形成引力场,其产生的负能量正好和它们本身抵消,使得总能量仍然保持为0,不破坏守恒定律。这样,物质就真的从一无所有中产生了。
许多人都相信,我们的宇宙本身就是通过这种机制产生的。量子效应使得一小块时空突然从根本没有时空中产生,然后因为各种力的作用,它突然指数级地膨胀起来,在瞬间扩大到整个宇宙的尺度。MT的科学家阿伦古斯在这种想法上出发,创立了宇宙的“暴涨理论”。在宇宙创生的极早期,各块空间都以难以想象的惊人速度暴涨,这使得宇宙的总体积增大了许多许多倍。这就可以解释为什么今天它的结构在各个方向看来都是均匀同一的。

回顾一下走过的路程了。我们已经看到煊赫一时的经典物理大厦如何忽喇喇地轰然倾倒,我们已经看到以黑体问题为导火索,普朗克的量子假设是如何点燃了新革命的星星之火。在这之后,爱因斯坦的光量子理论赋予了新生的量子以充实的力量,让它第一次站起身来傲视群雄,而玻尔的原子理论借助了它的无穷能量,开创出一片崭新的天地来。
关于光的本性,粒子和波动两种理论是如何从300年前开始不断地交锋,其间兴废存亡有如白云苍狗,沧海桑田。从德布罗意开始,这种本质的矛盾成为物理学的基本问题而海森堡从不连续性出发创立了他的矩阵力学,薛定谔沿着另一条连续性的道路也发现了他的波动方程。这两种理论虽然被数学证明是同等的,但是其物理意义却引起了广泛的争论,波恩的概率解释更是把数百年来的决定论推上了怀疑的舞台,成为浪尖上的焦点。