物理现象中的谜

从经典物理学到量子物理学，物理现象中的很多问题等待着我们解决：惠勒的龙、爱因斯坦—波多尔斯基—罗森思想实验、泡利原理、霍伊尔假设，等等。量子论显示，量子世界确实充满了稀奇古怪、现阶段还不足以解决的谜题。

关于令人费解的量子现象的解释，阿尔伯特·爱因斯坦和尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）自1927年就展开了交谈和通信，直至1933年告一段落。玻尔和爱因斯坦都认为：不可能同时测得一个基本粒子的位置和速度。他们之间的分歧是：爱因斯坦相信，基本粒子实际上存在确定的位置和确定的速度，仅仅是我们无法观察到而已；玻尔却认为，必须抛弃这种粒子同时具有位置和速度的观念。

物理学家的实验结果彻底粉碎了人们这一期望：真实世界中大量物质应如何起作用。双缝干涉实验是典型的例子。实验说明，光既具有波动性，又具有粒子性。而在光束分裂实验中，出现了更令人费解的光子实验现象。这一实验似乎不得不得出奇怪的结论：一个光子莫名其妙地“知道”另一个光子正在干什么，并能够自由选择它的光路。

将光束分裂实验运用在宇宙学中，这种现象变得更加奇怪。人们发现，时间和空间对它的影响很小。人们检验了来自几十亿光年以外的河外星系的光子。结果表明，这些光子仍能相互干涉，就好像在实验中相隔几秒钟发射的光子能相互干涉一样。这种干涉本身令人十分费解，而且其不受时间和空间约束的事实，更与人们所有预料相矛盾。

这些实验表明，相继连续发射的电子互相干涉，不论它们是几秒钟前在实验室中产生的，还是几十亿年前在遥远的河外星系产生的。

在量子被发射和显示它们被接收的这段时间里，它们究竟是什么或究竟干了些什么，我们还无从得知。约翰·阿奇博尔德·惠勒（John Archibald Wheeler）生动地描述了这一问题：在这段时间里，量子是一条“巨大的烟龙”，龙头和尾巴分别在探测和发射位置上清晰可见，而龙的身体被“烟雾”遮掩，为我们所不知。

爱因斯坦坚信，量子的烟龙不是自然界的事实，而是量子论所提供的描述不适当。因此，爱因斯坦及他的同事鲍里斯·波多尔斯基（Boris Podolski）和纳森·罗森（Nathan Rosen）提出了著名的思想实验。有趣的是，检验实验的结果不但没能解决量子的不确定性问题，反而承认了在空间相互分离的粒子间的瞬时信息传递。

该实验是要得到处于相同状态的两个相同的粒子并允许它们分离，然后对其中一个粒子的位置进行测量。物理仪器的检验结果没有证实爱因斯坦的预料。原因在于，测量一个粒子的活动对另一个粒子产生了某种测量影响。正像宇宙学的光束分裂实验一样，两个粒子尽管在空间上是分离的，但它们却是直接相互关联的。这种奇怪的现象，就是物理学家约翰·贝尔（John Bell）在60年代所预言的贝尔定理。

粒子具有瞬时相关性，所以信息能够越过有限空间而无需有限的传递时间。爱因斯坦—波多尔斯基—罗森思想实验的检验证实了这一定理。然而，信息的瞬时传递违反了相对论的基本定律：宇宙中没有任何信号能传播得比光速快。但量子似乎无视这一禁令，它们的相关性是瞬时的，且并不缩短距离。

1925年，沃尔夫冈·泡利（Wolfgang Pauli）提出了围绕着原子核的电子相互排斥的数学模型。

在此，我们可以用薛定谔波函数ψ（×1，×2，×3，……，×n）来描述电子在原子壳层中的状态。如果任何两个电子相互交换，波函数就会改变符号。这意味着不相容原理必须是反对称的。而波函数的反对称原理规定，原子中的电子必须占据不同的轨道。但是，整个原子为什么能遵守反对称规则呢？

这一点目前我们尚不清楚。不相容原理要求电子间有精确相互作用而不涉及动力学的力。原子、分子或金属元素中的电子直接地、非动态地相互联系在一起，如爱因斯坦—波多尔斯基—罗森思想实验中，两个电子和光束分裂实验中的两个光子，似乎知道相互的量子态而无需交换能一样。

电子对单一态的不相容，有助于具有特定性质的有序原子结构的出现，这是宇宙中所有复杂现象的基础。不过，泡利原理只是描述了不相容起作用的方式：一个电子“知道”其他电子在干什么的方式。但是，它并没有解释这种方式。

量子世界一层一层地解开物质的奥秘，然而与此同时，也蒙上一层层的面纱。每次新的发现或新的探究解开一个谜题的时候，更多的困惑也蜂拥而来。对于这个量子世界，我们什么时候才能真正洞悉其奥秘呢？