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小镇奇谈 正文 第二十章 双缝

所属书籍: 小镇奇谈

    5月6日17︰03,404厂文化宫。

    文化宫离中学很近,五分钟的路程。就在王瑞三人陷在物理实验室时,厂职工合唱队站上了舞台,一片喧闹。

    合唱队在前几天的德阳市劳动节国企歌咏比赛中得了第一,要代表本市国企和政府单位去参加省里的比赛,厂工会专门组织合唱队下午脱产排练一小时。队员都是404的普通工人,乐得享受公派休息时间。经历了地震,从各个分厂集合起来的合唱队队员自然聒噪非常,各路小道消息疯传。

    指导老师用指挥棒敲了敲指挥台的桌面,四下这才终于安静下来,大家挺胸抬头,显出新时代工人的气势来。老师满意地点头,打了打拍子,“起。”

    文化宫一片空旷,《爱我中华》的伴奏回荡在无人落座的剧场。

    老师示意(女声部起):爱我中华

    朝另一边挥手(男声部起):赛罗赛罗赛罗赛罗赛罗赛罗

    双手(一起):

    五十六个民族

    五十六枝花

    五十六族兄弟姐妹是一家

    五十六种语言汇成一句话

    爱我中……

    音乐突然被掐断了,老师挥着指挥棒用力抽打台面,发出令人烦躁的噪音。“干什么?昨天都没睡觉吗?瞎唱些什么?词都忘光了?”

    合唱团的团员有些犯愣。老师伸手一指前排第一男领唱,“你,第一句。”

    “五十六个民族,五十六枝……”老师的指挥棒马上就啪啪啪敲起来,“搞什么啊!第一句,词是什么?”

    “五十六个民族,五十六枝花啊。”

    “昨天都没睡觉是吧?”老师大怒,“五十六个星座,五十六枝花!哪里来的五十六个民族?怎么上一周排练还好好的,这周连词都给忘了?地震这么厉害吗?把你们的脑子都震坏了?!”

    下面一片叽叽喳喳,“五十六个星座?不是五十六个民族吗?”“哪里来的五十六个星座?五十六个星座什么意思?”“就是啊……”一位年纪比较大的队员叫道:“你记错了,老师,爱我中华爱我中华,中国是五十六个民族啊,又不是小孩儿看的《圣斗士》,哪来的五十六个星座哦。五十六个星座是啥意思哦?”

    “就是,就是。叶老师是不是天天陪儿子看《圣斗士》动画片看多了?”

    “你还别说,人家日本做的动画还真有点好看,哈哈哈哈……”

    叶老师脸上一阵发青,难道是自己记错了?也是,《爱我中华》,五十六个民族,跟星座有什么关系?他一阵心慌,翻开歌谱:

    爱我中华

    赛罗赛罗赛罗赛罗赛罗赛罗

    五十六个星座,五十六枝花

    五十六种语言汇成一句话

    爱我中华

    爱我中华

    爱我中华

    嗨嗨罗嗨罗嗨

    嗨嗨罗嗨罗嗨

    嗨嗨罗嗨罗嗨

    爱我中华

    五十六个星座,五十六枝花

    五十六族兄弟姐妹是一家

    爱我中华,健儿奋起步伐

    爱我中华,建设我们的国家

    爱我中华,中华雄姿英发

    爱我中华

    没错,叶老师定了心,又敲了敲台子。“自己看歌谱!没带的过来拿。哪有五十六个民族这个词儿,全歌从头到尾都没出现过五十六个民族!”

    队员们当然不信,嘻嘻哈哈地翻开歌谱。可从头看到尾,从尾看到头,“五十六个民族”一次也没有出现过。最接近的只有“五十六族兄弟姐妹是一家”。一时间,迷惑的声浪从四处传来。

    排练了这么久,怎么一下所有人都记错词儿了呢?叶老师气得胸闷。

    不过“五十六个星座”,到底是什么意思呢?

    从实验楼传来的震波的尾峰将404文化宫一扫而过,无声无息地去了。

    当合唱队为歌词的小事疑惑时,刘子琦正死死盯着讲台上的实验器材。中间是两块不透明挡板,第一块挡板上有一条窄缝,第二块挡板上有两条平行窄缝。缝很细,不仔细看根本看不出来——这就是双缝干涉的“双缝”了。这还是他第一次看到示意图以外的实物,没有任何特殊之处。

    谢老师一面调整着器材的轨迹,一面干笑道:“来,让我听听谭老师的高徒怎么讲解双缝实验,说不定也能‘取长补短’呢。”这话说得有失老师的身份了,但他实在是气不过。教了快二十年的书,校长叫他跟一个刚毕业的丫头片子“取长补短”。小丫头片子不就上了个清华吗?当年考师专未必就比现在的清华容易。

    刘子琦顾不得老师间的恩怨,朗朗开口道:“根据我看书的理解,双缝干涉,是证明光具有一种叫‘波粒二象性’特性的实验。”

    谢老师点头,却望向谭老师说:“初二能说出‘波粒二象性’就不容易。但光知道词没用,我以前班上有个学生说自己会微积分,真一问,连什么是连续、什么是可导都说不出来。”说罢才又看着刘子琦,“我问你,‘波粒二象性’这个词什么意思你知道吗?”

    “不是很清楚。”谢老师刚要笑,只听刘子琦接着说,“我看书上说,是微观的基本粒子——比如光子、电子——它们具有粒子的特性,就像一个一个小球那样是独立一颗一颗的,但同时又具有波的特性。所以光既是粒子,又是光波。书上是这么说的,但我不是特别懂。”

    “你不是特别懂……”谢老师闻言仔细看了他两眼,“懂不懂的,至少没背错。双缝干涉是证明波粒二象性的,可怎么证明的呢?”

    李勇偷偷拉住王瑞,把声音压得极低,“这是干什么啊?我们快走啊。”王瑞这时隐隐察觉刘子琦自有用意,便悄悄按住李勇的手腕,让他少安毋躁。一旁的谭老师则古怪地看着谢老师和刘子琦,若有所思。

    “我就是没懂这个。我看书上说,双缝干涉是用一束相干性好的平行光束——最好是激光,”他指了指激光发射器,“用它照射一块有平行双缝的挡板,对吧?”说着又指了指中间的挡板,“缝的宽度要接近或者小于光波的长度。所以用波长比较长的红色激光发射器,这样缝的宽度才容易接近,对吧?然后当平行激光束通过缝隙,射到后面屏幕上,就有两种可能,对吧?”他指着最后的幕布挡板,“第一,如果光不是波,就应该生成两个单缝的图案,就等于两个单缝图案相加,对吧?第二,如果光是波,那么通过平行双缝以后,它就会从两个缝的位置发生干涉,形成两个干涉波。这两个干涉波纹在后面的屏幕上叠加,就会因为相位差的缘故,形成明暗相间的条纹,对吧?”

    刘子琦一口一个“就是没懂”,一口一个“我看书上说”,又不断“对吧对吧”,但语速却越来越快。谢老师越听越心惊,短短一段话里涉及好些概念,可他说得丝毫不差。实验里用红色激光的几个原因、波衍射发生的条件、干涉条件,都说得一点不错。自己班上正式学过的学生有几个能说得这么清楚?至少有一大半是做不到的。谭老师也困惑不已,越听眉头皱得越紧。

    “我看你挺懂的,”谢老师收敛了笑容,冷言道,“这还哪里不懂?”

    “可我不明白,这个实验不是只证明了光的波动性吗?跟波粒二象性有什么关系?不是说……双缝干涉跟什么学院派解释……”刘子琦的声音突然小了,偷瞄了王瑞李勇他们一眼,“什么波函数状态,量子既在这里又同时在那里……”

    李勇还没什么反应,王瑞愣了半秒,眼睛都瞪圆了。既在这里,又同时在那里?

    可现在不是他发问的时候,只听谢老师道:“你这是在问我吗?”

    “啊?”刘子琦一时有点不太明白,“问您也行,问谭老师也行啊。”他没明白,谢老师的“问”是“考问”的“问”,不是“询问”的问。

    “谭老师当然是懂的,那还是问我好了。”谢老师冷哼一声,“你前面看的都没错,记的和理解的也都很好,但是你搞错了一件事。”

    他一边说着,一边调试实验设备,然后打开了激光器的电源。红色激光从激发口射出,却没看到电影里那种从空中穿过的光柱。一个浑圆红斑亮在前面的单缝挡板上,其后的双缝挡板上则是一片淡淡的光。在挡板后面的不远处,幕布上显出模模糊糊的两个交叠环形光斑。设备还没调试到最佳状态,双缝干涉实验最不好调,经常折腾个把钟头也没落下好结果,这已经算是不错的了。最后,谢老师又稍微拨弄了一下几个物件的相隔距离,幕布上的条纹这才明显起来。

    两个环形衍射条纹交叠成了明暗相间的格子,有点像马戏表演中催眠的圈。

    “双缝干涉实验的确是证明量子力学很多基本概念的基石。费曼说通过双缝实验可以看到量子世界的奥秘,包含了量子力学的核心思想,不管是波粒二象性,还是哥本哈根学派的波函数坍缩解释,甚至是态叠加,都可以通过双缝实验来证明。谭老师,我说的对吧?”

    谭老师的嘴唇微微动了一下,又忍住了。谢老师一心想要趁机证明自己虽不是名牌大学毕业,但潜心教学二十年懂的可不比什么清华北大的少,便干脆尽心卖弄起自己的本事来:

    “但问题是这样,这位同学看的这个实验呢,只是高中物理课本上的。历史上,这个实验最早是在1801年由托马斯•杨完成的。你刚才说,怎么看这个实验都只是证明了光的波动性,跟波粒二象性没关系。你说得对,说明你确实懂了。”稍顿,又不甘心地补充道,“不管是听别人讲懂的,还是自己看书懂的,反正是懂了。1801年这个实验完成时,就是为了证明光的波动性,跟波粒二象性没有任何关系。1801年爱因斯坦都没出生,哪来什么波粒二象性?

    “这些不是课本里的内容,我虽然不是正经的物理高才生,但既然当老师,还是可以勉强说两句。最初经典力学上的双缝干涉跟量子理论没有关系,但后来德布罗意提出物质波的概念,认为一切物质都有波粒二象性,那么不光光子是波,能发生双缝干涉,其他基本粒子也都是波。既然都是波,光子会发生双缝干涉,那其他粒子,比如电子在理论上也会发生双缝干涉……对吧?”谢老师被刘子琦刚才那一连串“对吧”弄得心烦,这时也学来回敬。但这里概念太多,他并不指望初中生能听懂,而是说给谭老师听。

    “所以后来,双缝干涉就衍生出了后续的量子力学层面的实验设计,这才跟你刚才说的‘波粒二象性’有了关系。实验发射电子束,我们都知道,电子是一种基本粒子,最小单位是一个电子,带一个负电荷。密立根的油滴实验确认了电荷有最小基本单位,证明了电子作为独立粒子的存在,这也是高中电学内容,你也知道吧?”

    李勇早就云山雾绕,哪里还管他们在说什么。王瑞在一边点头,心里却被那句突然出现的“在体内发生的β辐射会直接被细胞吸收,自由电子没有那么大的穿透性”所占据。不由一股寒意袭来,身子一哆嗦。刘子琦却没什么反应。

    “不愧拿过奥赛一等奖。”谢老师这话不知算褒算贬,“用电子束代替了光,也通过双缝——我们实验用的这种双缝就不行了,需要能让电子发生衍射的超细孔径的双缝,然后显示屏幕上测到了电子束的波纹,也是明暗相间的干涉波纹。这就证明了,电子这类基本粒子也是波,就叫波粒二象性。明白了吗?”

    刘子琦沉默了一会儿,虽然话里的意思自己没有不明白的,但仍然没有回答自己真正的疑问。为什么父亲的纸片上提到双缝实验,双缝实验也许藏着跟那东西本质有关的秘密?他查资料的时候看到了“同时既在这里又在那里”之类的描述,自然想到了薛晶的情况。现在薛晶病重,情况不明,所以他才想到从双缝实验这里能弄懂些什么。听了半天,确实收获了一些自己查不到的东西,但并没有跟自己未知的部分关联上。刘子琦总觉得还是少了些什么,想要再问,却不知从何问起,不由露出一副不甘心的模样。

    谭老师任由着谢老师自说自话地为难自己的学生,一直冷眼旁观不发一言。这时候见刘子琦欲言又止,突然开口道:“你们三个,是还有什么想知道的吗?”

    他们被谭老师看破了什么。有当然是有,但刘子琦却不知道怎么开口,一时愣住。谢老师不知她这话什么意思,也有些吃惊。谭老师等了片刻,不见人说话,于是说道:“谢老师把双缝干涉讲得很清楚了,我没什么经验,讲不了这么好。不过有一些课堂外的小知识,我可以补充一下。”她目光扫过王瑞、刘子琦、李勇,若有

    所思。

    “量子力学的秘密,都在双缝干涉实验里。刚才谢老师说了电子束的双缝干涉实验,证明了基本粒子的波粒二象性。前些年,这个实验在国外完成了进一步的延伸,也是用电子,但不是电子束,而是用单电子。”

    单电子三个字一出,刘子琦心中又是突突一跳。从父亲那里偷来的纸条上有“单电子假说”几个字,莫非有关系?他竖起了耳朵。听谭老师接着讲:

    “以前的老设备是发射电子束进行双缝干涉,一束电子束里面是有很多电子的。所以干涉条纹被认为是同一时间里通过一条缝的一部分电子,和通过另一条缝的另一部分电子之间发生的干涉。”她说话间指了指挡板间的两条缝,“这个能明白吧?”

    王瑞和刘子琦齐齐点头,李勇早已心不在焉,自然是没有反应。

    “新的实验设备变成了每次发出一个单独的电子,这个单电子朝这样的双缝挡板射过去,会发生什么?”她没有理会谢老师,只问自己的三个学生,他们显然不知道怎么回答。谢老师并不知道这后面的新衍生实验,也不知道原来已经有设备能每次发出一个单独电子了,听谭老师说到便有些失落,至少在这方面,自己还是有不如人的地方。他知道初中生是没法回答的,自己就接了过来,“电子具有明显的量子特性,波动性明显,单独一个电子穿过窄缝就会有明显的衍射特征,对吗?”

    “单独电子……”王瑞终于插嘴问,“怎么表现波的衍射特征呢?”

    “非常好的问题。”谢老师答道,看了一眼谭老师,“一个电子穿过缝发生衍射很难看出来,因为最后打在幕布上的就只有一个点。但从统计概率上却可以表现出来,每次一个电子在后面屏幕留下一个点,电子最后留下的轨迹多了,很多点在一起形成图案,就能显出衍射样式特征了。这在统计上就证明了它的波的性质。”

    “谢老师说得很好。”谭老师继续讲解,“那这么一个单电子发射装置进行的双缝实验,每次发射一个电子,在连续发射很多个电子之后,最后屏幕上累计下来的统计轨迹,还是类似我们现在看到的明暗相间的干涉图案吗?”

    这问题让谢老师愣住了。刘子琦一边努力跟上,一边低声喃喃自语帮助思考,手指也紧张地揉搓着,“每次一个电子,这个电子经过双缝挡板……只能经过一个缝。那只能通过一个缝发生衍射。另外一个缝没有电子穿过,也就没有衍射波。这样的话,电子就没有东西跟它干涉了。这样的话……其实就是两个单缝衍射实验叠加在一起,没有干涉发生……”

    他略微思索了一会儿,“所以,这样的实验结果,应该是没有明暗相间的干涉图案,谭老师,我说的对吗?”

    谭老师听他这一席话吃了一惊,且不说这些概念都是靠他自学理解和掌握的,光是初中生能有这么清楚的思维,这能力就非常惊人。她这时想起了这孩子是转学过来的,父亲是外调专家。谭老师正要说话,却听见另一边王瑞抢先道:“不对,不是这样。”

    王瑞低着头,没有看任何人。“不是这样,结果还是会出现干涉图案。虽然是每次一个电子,但最后还是会出现干涉。”这回答惊得谭老师一震。连谢老师都不是很明白,这真的到了他也赶不上的领域,只好有些不服气地望向谭老师,似乎等着看她的笑话。

    “不可能!”刘子琦争辩道,“每次一个电子,只能通过一个缝,另一个缝就没有电子发生衍射了。没有另一个电子跟它干涉,怎么可能还有干涉图案呢?”

    王瑞说出了一句连自己也不明白的话:“它自己会跟自己干涉。”他浑身发抖,因为这时候他已经清楚明白地知道,这句话不是来自大脑,而是从什么地方飘进来的。那些本不应该知道的东西就这么莫名其妙地浮现出来,他完全不懂这话是什么意思。

    “你怎么了?”李勇和刘子琦都察觉他不对劲,悄声问。

    他也不回答,而是昂起头问道:“谭老师,我说的没错吧?一个电子通过双缝的时候,它会自己跟自己发生干涉,就像同时通过两条缝一样。”

    刘子琦皱眉不解其意,连谢老师都有些含糊,谭老师却已经在点头,“你说得对,这个实验最后还是出现了干涉条纹。王瑞,我问你,一个电子,怎么能同时通过两条缝?一只老虎怎么同时跳过两个火圈?原因呢?”

    一只老虎怎么同时跳过两个火圈?这完全超过了人类能用正常思维理解的范围。别说李勇,刘子琦和谢老师都彻底蒙了,想不下去了。

    “态……态叠加。”王瑞答道,这三个字就像自己长了腿,从他的嘴溜了出来,“量子波函数的多个状态呈概率叠加,穿过两条缝的两种态同时存在,电子以态叠加的方式自己和自己发生了干涉。”文字从他嘴里一个一个蹦了出来,但他真的不明白自己在说什么。这些话就像从别人嘴里听到的一样,他只明白一点,自己的声音让他感到莫大的恐惧。王瑞嘴里说出来的内容自己绝没在任何地方学过,没有在任何地方看过,只是当这个题目在眼前出现的时候,这些知识就毫无征兆地冒了出来。

    也许这才是他接触了那个东西后得到的力量。

    如果是那样的话,测不到的辐射就正在摧毁他的身体。

    王瑞不知道这二者哪个更可怕。

    谭老师也察觉到这几个孩子情况不对,正想问话,王瑞突然脸色一变,猛地拉过旁边的李勇和刘子琦,匆忙叫道:“对不起!谭老师,谢老师,我们有急事!必须要走了!”

    说话间头也不回,王瑞像是强架着李勇他们往外跑,老师们还没明白怎么回事,三个孩子转眼就不见了。

    谭老师愣在实验室里。有什么不对。很不对。

    跟其他老师不同,她本来是不喜欢王瑞的。她是一个清华人,自幼是“别人家的孩子”,大学以后更是见惯了各种天才异数,自然对王瑞这种级别的“聪明”不怎么当回事。在她眼里,得什么奖,考多少分,都算不得什么。别的老师会夸“这是考清华北大的料子”,这话在谭老师那里却起了反作用,清华北大又怎么样呢?毕业了家里没点背景,不也就这么回事儿?

    但今天,她隐隐感觉到古怪的味道。这不像是单纯对知识的兴趣,更不是普通初中生能死记硬背理解的内容。连谢老师都说不明白的东西,这孩子说了个有模有样,但神色表情哪里都不正常。这到底怎么回事儿?

    也许教书这件事,并不是自己以为的那样。一念及此,谭老师心里有什么坚硬的东西松动了。

    正想着,谢老师在一边说道:“小谭啊,你的学生真是了不得,居然比我都知道得多。”他已经从刚才的震惊中恢复过来,露出了微笑,“刚才那学生说的态叠加,我也不太懂。要不,你给我介绍介绍?我真是不太明白。”

    原本跟自己较劲,转眼就自承其短,想要学习起来,谭老师不禁有些佩服这位比自己年长了十多二十岁的老教师。“那东西太难解释了,波函数什么的,一说到数学工具,上课就越讲越没人听。”她和气地笑道,“还不如讲双缝干涉实验的量子擦除版呢。”

    “量子……擦除?那又是什么?我真是井底之蛙了。”谢老师坦然摇头。

    “说起来简单得很,就是刚才每次发射一个电子的双缝干涉的进一步实验构想。”

    “这还有进一步?”

    “对。刚才说,每次发射一个电子,通过双缝的时候因为波函数的态叠加,电子自己和自己发生了干涉,对吧?”她不觉也加了“对吧”这口头禅,“量子擦除,是指在电子通过双缝的时候,利用某种不干扰电子行为的手段,侦测电子通过了哪条缝。”

    谢老师隐隐觉得再说下去就有些邪门了,“但是态叠加……”

    “态叠加是波函数的纯数学逻辑。如果用观测手段来观察电子通过双缝的行为,你只会看到两种可能,这个电子要么从这条缝通过,要么从那条缝通过。”

    “那……干涉……”

    “没有了干涉条纹。”谭老师说,“同样的实验,同样的设计,当你观测电子的行为时,决定电子行为的波函数态只会得到一个本征值。只有在不观测的时候,波函数的概率态才会同时存在,实现自我干涉。”

    “这……这不科学啊!”

    “唉……”谭老师叹了一口气,心中对那几个孩子更是疑惑。她随口答道:“这不是不科学,这只是听起来不合逻辑而已。说不定应该反过来说,量子力学是对的,而我们的传统逻辑才全是错的。”

    她想起自己当年上过的量子力学课来,说道:“没人能懂量子力学。”

    “这算是什么话?”

    “这不是我说的,是费曼,那个量子力学的创始人之一的理查德•费曼,他说的。”

    谭老师一边跟谢老师聊着,心里却想着那群孩子。她这才意识到,自己之前从来没有关心过那群孩子。

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