漫谈现代物理学中的一些反直观与实质精简 　　作者：宇筠锋 　　不少人知道：现代物理学的两大基石是相对论和量子力学。更少一些的人知 道：狭义相对论的核心之一是光速不变原理——不论在哪一个惯性参照系中观测， 你所能测量得到的真空中的光速（以下都将以c简记）都总是一个恒定的数值 （即每秒约三十万千米）；量子力学的核心之一是不确定性原理（也称测不准原 理）——诸如“你把某粒子的位置确定得越准确，你就越不能将其动量（速度） 确定得足够准确，亦即，位置与动量各自确定度之乘积，不单是在实际操作层面 上，而且即便是在原则上也有一个非零的下限”一类的对于共轭物理量的确定度 的原则上的限制。这两个核心因其反直观性而令人难以置信，但深究起来，它们 却都可以使世界图景得到实质上的精简。 　　我们的直观感觉主要来源于我们的日常经验（另有一小部分源于我们的遗传 基因所载之“要点铭记”，比如，人天生的对蛇、蜘蛛、黑暗等的恐惧），我们 可以凭借直观而迅速明白一些貌似奇特的事儿。据说一战时，有位飞行员某次开 着敞篷飞机，忽然发现身边不远处“悬浮”着一个小东西，探身抓过来一看，竟 然是一颗子弹！虽然这是件稀罕事儿，但我们也不难理解这是飞机与子弹以相同 的速度（相对于地面）一起飞行从而相对静止所造成的一个小奇观。日常生活中 相似的情景并不少见，比如：我们去接抛掷来的物件时，常令手臂顺着物件飞来 的方向和速率也跟着运动起来，这就是要让手与物件尽量处于相对静止的状态， 以便更轻柔地接住。以上两例都是“两速相减”的情形，“两速相加”的例子不 妨举投掷标枪：运动员边助跑边奋力投出标枪，这显然比他光站着使劲投要来的 远；因为，标枪出手时相对于人体的速率若为u，助跑末段的人体相对于地面的 速率若为v，则按照很符合我们的直观从而很容易理解的“伽利略速度叠加关系 式”，标枪相对于地面的速率w=u+v；显然，w>u，标枪的初始速度越大，自然飞 得越远。 　　以前面已提到的光速不变原理和后面将提到的（狭义）相对性原理为逻辑起 点，可以推导出“爱因斯坦速度叠加关系式”：w=(u+v)/(1+uv/cc)。日常生活 中，总有u、v远远小于c，故而上式就“退化”为我们熟悉的w=u+v了；但在u、v 都接近于c时，伽氏叠加就必须被爱氏叠加所取代，以便正确地反映现实。尤其 是当u=c时，无论v为何值，都有w=c。这意味着：如果标枪换成光束，那不论运 动员多么拼命地加速助跑，他也不能使光束的速度增加分毫；更奇怪的是，光束 相对于助跑者的速度是c，相对于四周静止于地面的观众们的速度仍然是c！这是 反直观的，因为我们从未在生活里经历过与此相似的情景。作为光束的基本组成 单元的光子，还真是与众（电子、质子等）不同，它一诞生就立马“加速”至c， 且一直以此唯一拥有的速度值飞驰；亦即，光子要么仅以光速而行，要么根本就 不存在。 　　世间之万事万物，貌似无比的错综复杂，如果我们能将世界的内核梳理得精 巧而简单，然后再以此内核为基础推演出纷繁的表象，那么我们就能更深刻地理 解周遭的世界，进而才谈得上去更有效地改造它。人类在探索内核精简的征途中， 逐渐发现事物的对称性是通往精简的一条极好的路径。简单来说，对称性可以使 人仅知某事物的某个局部便能推知该物之整体。比如：你若知某建筑是左右对称 的，那你只需了解左（右）半部分的细节，另一侧的情况也就了若指掌了。精简 的另一个显而易见的表现方式是基本实体及其基本属性在数量上的尽可能地少。 　　狭义相对论赖以建立的、除光速不变以外的另一原理是狭义相对性原理，它 是早已有之的伽利略相对性原理的推广；它说的是：在所有惯性参照系中，所有 物理规律（不仅仅只是力学规律）都具有相同的形式；这意味着：无论你在哪个 惯性系（在此参照系中看不到外部的情形）中做哪个物理实验，你都不可能依据 实验结果而推知你所在的惯性系是静止的、还是在做某种匀速直线运动。这个相 对性其实正是一种对称性——你只要在某个惯性系中切实获得了某个物理规律， 那一切惯性系里的此种规律你也就同时一并得到了。 　　光速不变与相对性这两个原理可以并不相互独立，架起两者间关联的桥梁是 那个著名的麦克斯韦方程组。当初爱因斯坦正是借助于这座坚实的桥梁才下决心 将“光速不变”这一实际上的假设提升至“原理”的高度，其中的思路大致是这 样的：首先，作为众多精巧的电磁学实验的可靠结果的高度浓缩提炼、并加上适 当的对称性考虑而略作推广的麦克斯韦电磁理论（核心即其方程组），作为准确 地预言了电波也以光速c传播并最终得到实验证实的麦氏理论，无论在现今还是 在当年都获得了绝大部分物理学家（包括当时初出茅庐的爱因斯坦）的高度信赖。 其次，麦氏方程组的四个方程之间优美的对称性——简略言之即：电场有源（电 荷），磁场无源（磁荷）；随时间变化的电场（及电流）产生空间里涡旋的磁场， 随时间变化的磁场产生空间里涡旋的电场——令物理学家们惊叹欣喜，谁要是说 将抛弃它，他们准会跟谁急。第三，在真空无源的简化条件下，那四个方程将导 出电磁场的波动方程，其中含有电磁波（光）速度的一个表达式：c=(ε0*μ 0)^(-1/2)，它正好等于已实测所得的光速。第四，理论推测后又经实验证明： 静电力的大小与两电荷的乘积成正比，与两者间距的平方成反比，这个比例系数 中就含有真空介电常数ε0；类似的，磁力与电流元、间距的关系式里的比例系 数中含有真空磁导率μ0。第五，倘若在追赶光束的某个惯性系里能够测得c减慢 了（如直觉那样），那ε0与μ0之积必然增大，这意味着在该系中所做的静电力 和磁力实验至少有一个将不同于地面惯性系里所做的同类实验，于是，借助该实 验便可区分所在参照系是追光系还是地面系，这与狭义相对性原理直接矛盾！对 于精简而对称的相对性原理及优雅而坚实的麦氏理论的珍视，迫使理智之人不得 不接受大反直观的光速不变原理。 　　相对论（除上述的狭义相对论，还包括更深奥的广义相对论）极大地改变了 人们以往的相当直观的描述时空的方式，并且有些出乎意料的是，貌似不在客观 事物之列的观测者的地位被“加强”了。在相对论中，观测者及其所在的参照系 和所处的具体位置都很重要，当我们描述一个现象时，一定要明确这是哪位观察 者说的，这位观察者相对于哪个参照系静止、他所处的具体位置在何处。如果这 三者中的一个不明确，那描述就可能是无意义的；如果这三者都不明确，那描述 肯定毫无意义。不同观察者的描述可以大相径庭，但彼此却又没有内在的矛盾， 还可以通过洛仑兹变换乃至广义协变的变换相互“翻译”。就像一个立方体，你 从一个侧面正对着看过去是一个正方形，转一个角度就变成了两个矩形，再转一 个角度还可能是三个菱形。这三种不同形状的描述哪个对？都对！这里的旋转角 度的变换，与上述的洛仑兹变换、广义协变的作用是类似的。 　　从前，时间与空间是运动物质的两种基本属性——两者间有很大的不对称性， 让我们来仔细对比一下下面的两段话：“某系中所见之不同时但同地发生的两件 事，在另一系看来可以是不同时也不同地发生的两件事。”该陈述的对称性表述 是：“某系中所见之不同地但同时发生的两件事，在另一系看来可以是不同地也 不同时发生的两件事。”前一段话所述情景是直观的，因为生活中不乏其例，比 如：坐在火车上的人，前一时刻喝了口水，后一时刻吃了块糖；对他本人来说， 是发生在同一地点的；但站在地面上的人却会发现，喝水与吃糖这两件事发生的 地点相距颇远，因为前后两时刻之间，火车已前进了相当一段距离。后一段话所 说则是反直观的，因为从未有人能在生活里观察到同时性居然也会是相对的，由 此，人类形成了一个根深蒂固的错觉——只要在一系中是同时发生的，那在所有 系中也必然是同时的——同时性的绝对性。貌似不自然、实则更准确反映客观世 界的相对论从容地接纳了上面两句陈述所体现的那又一个的对称性，而每多一个 对称性，就意味着物理内核又做了一次精简。也正因为新发现的此类时空之间的 对称性，如今，时间与空间已合二为一，成为不可分割的四维时空这一“整体” 的两个“侧面”，两种基本属性也随之统一为一种基本属性，这也可以算是在数 量上对物理内核的一次精简。究其实，此处所谓数量上的精简与此段前面所述的 对称性所致的精简，不过是一体两面的同一回事儿，不过是在表述方式上各有侧 重罢了。 　　爱因斯坦曾说：“我思考量子力学的时间百倍于广义相对论，但依然不明 白。”玻尔曾说：“如果谁没被量子力学搞得头晕，那他就一定是不理解量子力 学。”费曼曾说：“我们知道它如何计算，但不知道它为何要这样去计算，但只 有这样去计算才能得出既有趣又有意义的结果。”（原话可能略有出入，大意如 此。）可见，量子力学的奇异远甚于相对论。本文之漫谈实在也只能是浅尝即止， 让我们跨进量子世界的大门一两步吧！ 　　在量子力学引发的众多革命性的改变中，“测量”问题居于相当抢眼的一个 风口浪尖处，我在本文中主要就围绕这个问题谈。 　　许多人都知道：科学的两大支柱，一个是实证，一个是逻辑；其中的实证的 最重要的内容就是通过各种“测量”来获取尽可能多且尽可能准确的反映现实又 对应于理论预言的数据（其中包含支持或反驳理论的证据，抑或启发猜想的线 索）。可以毫不夸张地说：没有精确详尽的测量，科学至多只能是座空中楼阁。 　　经典物理时代的测量，在理解其含义的层面上说，是很直观也很简便的：某 个物理系统先已处在某个客观上确定的状态之中，但我们还不知道那是什么状态 （可称为“主观不确定态”），于是，我们借助某种测量仪器来与该系统相互作 用，从这互作用中提取出客观确定态的信息，再经一系列转化变成我们能直接接 受的信息，从而使那个客观上先已确定的状态在主观上也变得确定了；在系统作 用于仪器而使之给出“读数”的过程中，系统也或多或少受到仪器的反作用，导 致系统原先的客观状态有所改变，但这不是个大问题，因为似乎没什么原则性的 障碍能阻挡我们制造出越来越精密小巧的仪器来使得其对系统的影响越来越小， 从而使系统尽可能不改其先前的状态。 　　举个测量一杯热水水温的例子。我们可以用一根带有刻度且其中密封一段染 成红色的煤油液柱的玻璃管所制成的温度计来做测量仪器。把它插在热水中，热 水里“活跃”的水分子“推搡”着玻璃管壁里原本“懒散”的二氧化硅分子（还 有氧化钙等，略），使它们也活跃起来。这种“活跃状态”（实际上就是热能或 内能）继续向内传播，导致煤油分子们也活跃起来；煤油分子们远较二氧化硅分 子们更明显地彼此推开间距，宏观表现就是整个煤油液柱不断膨胀；当煤油与热 水达到热平衡而同温时，液柱停止膨胀；此时红色液面与管壁上的某个刻度对齐， 此处反射的可见光进入我们的眼睛，激起一连串视神经脉冲，传入大脑皮层，引 起我们意识的特别关注，于是，我们就“读出”了热水的具体温度值。热水推动 管壁乃至煤油“活跃”起来是以自身的略微“迟缓”为代价的（能量守恒），此 即温度计对热水水温的反向影响。一般，热水分子数远远多于温度计中的分子数， 因此，这种反作用很微弱。采用更先进更精巧的仪器（比如红外线测温计）可使 此类反向影响进一步大幅减少。科技进步无止境，这种减少貌似也将会是无止境 的。 　　然而，量子力学迫使我们不得不接受的“新型”测量却从根本上颠覆了上述 那种直观的经典的测量图景，在新的反直观的图景中：首先，出现了一种所谓 “客观不确定态”的新情况——测量之前即便是在客观层面上看来也没有什么先 已确定的状态，而是一种多种可能的状态的“叠加混合”。既然客观上都不确定， 那主观上当然就更是不确定的了。一次测量之后，系统可从“多态叠加”的客观 不确定之中“塌缩”（也称“崩塌”或“缩编”）到可能态中的某一个确定状态， 于是，客观上“确定”了，主观上也随之“确定”了（其实仍可能不完全确定， 详见后言）。其次，对于不同的测量仪器，或者，对于相同的测量仪器但不同的 测量方式，在测量之前，同一个物理系统，可以处于客观确定态，也可以处于客 观不确定态，而且，体现客观不确定态的“多种可能态叠加”中的可能态系列也 可以有各种不同的系列。再次，测量对系统的反作用往往不容小觑——这种互作 用在原则上一般也都不能任意减少，而且一般还不可知！ 　　为了更具体清晰地了解与量子力学相关的测量的反直观的新特征，不妨仔细 推敲一番著名的斯特恩－革拉赫实验。 　　先请在头脑中想象一下实验装置：在一个密闭的抽真空的大箱子里，西侧有 个加热着的盛满银原子蒸汽的容器，器壁上有个小孔，从中可以喷出自西向东沿 水平方向飞行的一束由银原子群组成的原子束（为分析上的简便，假设这些原子 都具有几乎相同的速度；实际上，它们各自的速率和方向都有相当程度的不同）； 大箱子里的东侧放一块正对着原子束的挡板（若原子束不被下面将要说到的磁场 偏转，那它将会打在挡板的正中间，形成一个银色的小圆斑）；在原子束飞掠过 的中途某处一上一下放置一小一大两块异极相对的磁铁（比如：上方小磁铁的Ｓ 极正对着下方大磁铁的Ｎ极），上方小磁极的表面磁场强度相对于下方大磁极的 更强，这样形成的磁场基本沿着竖直方向，但磁场不均匀（即有梯度）——越往 上方磁场强度越强，越下则越弱。 　　每个银原子都有微弱的磁性（且彼此的磁性强度都相同），就像一根极小的 磁针。从小孔中飞出的这一大堆“银磁针”组成的集群束流处于一种什么样的状 态呢？这正是我们要用不均匀磁场加挡板将要去测量的。（以下讨论中对于相对 而言很微弱的地球引力忽略不计。） 　　回想一下生活中可以遇见的银饰品、银餐具等，它们并无磁性；如果它们内 部的大多数银原子小磁针的磁极方向都大体上相同，那它们应该像磁铁那样对外 呈现出明显的磁性——何以事实并不如此呢？一个简单直观的猜想是：那些银磁 针的方位是随机分布的——它们的磁极各个方向的都有，且各方向上的数量都差 不多，于是，它们的磁场就基本上都相互抵消干净了。 　　如果正是这样一群随机杂乱分布的银磁针飞越不均匀磁场，那它们应如何运 动、从而如何打在挡板上、又形成怎样形状的银斑呢？当磁针的磁场方向完全顺 着（即平行于）外加不均匀磁场方向（亦即银原子小磁针的某个磁极和它直接面 对的那或上或下放置的磁铁的磁极之间是“异性相吸”的关系，比如，从上到下 依次是：小磁铁的Ｎ极、Ｓ极、银磁针的Ｎ极、Ｓ极、大磁铁的Ｎ极、Ｓ极）时， 银磁针上方受到的向上的磁引力大于其下方受到的向下的磁引力（因为上方处外 加不均匀磁场的场强更大些），于是，银原子将向上方飘移；类似地，那些自身 的磁场方向完全逆着（即反平行于）外磁场的银磁针则向下飘移；那些场向垂直 于外场的银磁针，则在总体上不受力，从而能像没有上下那两块小大磁铁时那样 可以打在挡板的正中间……且慢，上述第三种垂直时的状况说的不准确，小小银 磁针其实还能在磁场力矩的作用下发生绕自身中心的旋转；倘若此旋转进行得很 快，比如刚进入不均匀磁场一小会儿就从垂直于外场转到了平行于外场的位置， 那它也会向上飘移。其实，除了最开始就是平行或反平行的银磁针，其他绝大多 数各种方向的银磁针都会或多或少发生类似的旋转（反平行时，只要有轻微的扰 动，便也会发生向着平行方向的旋转）。由于在设想的诸多运动细节中难以确定 旋转的速度，不妨从两个极端入手：１、旋转极慢以至于可视为完全没有旋转。 此时，打在挡板上的银斑应该是竖着的长椭圆的条状；椭圆的中心就在挡板的正 中间，此处最明亮（即银原子密度最高。这主要是与“立体角”有关的数学问题， 略），越往外侧越暗（椭圆的边界模糊不清）；整个椭圆的范围比没有不均匀磁 场时的小圆斑大不少，且在椭圆长轴所在的上下方向拓展得最明显。２、旋转极 快以至于几乎所有的银磁针立马都变成平行于外场了，那打在挡板上的仍是一个 小圆斑，只是处于挡板正中间偏上的某个位置。结合上述两极端，不难推断：实 际情况应是那俩极端情况的某种折衷——银斑应是个边缘模糊的倒立的鸡蛋形， 最银亮处在挡板正中间的上方…… 　　事实是否如上面依据经典电磁理论及牛顿力学所设想的那样呢？完全不是！ 现实是：以挡板正中为对称中心，上下各有一个同样明亮度的小圆斑。看来，各 向皆有的随机分布的设想是错误的……也许，开始时银原子们就一半顺着外磁场 方向，一半逆着，且都来不及旋转，这倒是能解释上述实际情形；可是，源自热 蒸汽里的银原子们出了小孔后怎会有如此“特殊”的分布呢？完全找不到理由啊！ 我们怀着忐忑困惑的心情稍稍改动一下设备的方位，再做实验看看……我们将上 下那两块一小一大的磁铁作为一个整体旋转90度，使得不均匀磁场的方向改为沿 着南北方向；这样，在挡板上得到的仍是一对对称的小圆斑，只是变成了一个在 南侧，一个在北边。难道银原子们还未进入不均匀磁场之前就已觉察到我们将外 场方向改动了、然后立刻使它们自身的磁极一半向南一半朝北？这简直是匪夷所 思！银原子岂非个个都成了明察秋毫的小精灵？或许，在未进外磁场之前，银原 子们压根儿就不处于任何确定的客观状态、仅当遇到磁场之后才按一半平行一半 反平行的方式分别变成处于两种确定状态中？是鬼魅般的小精灵？还是客观不确 定状态？这真是个问题！大多数科学家认为这后一观念虽也颇显离经叛道，但相 比于精灵说，要更简单明了些，于是，勉勉强强地接受了这一很反直观的“客观 不确定态”的新观念。 　　外磁场上下走向时，从中出来的形成上侧小圆斑的那一束银原子（以下简称 “上束”。类似的简称：下束、南束、北束，同理获得）应该处于客观确定态了 吧？继续实验看看！只要在原有的大小磁铁与盛着银原子的热容器之间再加入一 对大小磁铁，并适当调整其方位（热容器的方位也随之略作调整，使得从这新加 入的大小磁铁间出来的两束银原子束中的某一束依然沿着东西向飞行），就可以 用一束“上束”代替最开始的实验中直接从热容器小孔出来的那束“客观不确定 态”的银原子束来做新实验了。这上束进入上下不均匀磁场后再出来，果然仍只 有一束，并且是向上飘移，形成上侧一个小圆斑；看来，上束中的银原子真的都 是处于平行于上下向外场的客观确定态之中！且慢，若让上束穿越南北向不均场， 结果又会如何呢？此时，上束将分裂成两束，得到一南一北两个小圆斑；如此情 况还能说上束原子是客观确定的吗？不能！既然一束又变成了两束，先前的状态 就也应该是客观不确定的。于是，我们迫不得已得出的结论似乎只能是：有时候， 一个态总是客观不确定的，比如第一个实验中直接从小孔里出来的那束原子；有 时候，一个态是否客观不确定，要依具体测量情形而定；比如，上束或下束中的 原子对于上下向的外磁场来说是客观确定的，对于南北向的外场则是不确定的； 类似的，南束或北束对南北向外场客观确定，对上下向外场则客观不确定。客观 不确定态可视为上束态与下束态之叠加态，也可视为南束态与北束态之叠加态， 或其它无数种类似的别的叠加态。这里所述是最简单的两个确定态的叠加，对于 其他物理系统或其他测量方式，还可以有多态之叠加，甚至是无穷多个态的叠加。 　　从客观不确定到客观确定的变化明显之极，这是测量对物理系统的一种“巨 大”的影响，尚无任何迹象暗示此类影响可被减弱甚至消除。从此，至少对于某 些系统的演化而言，其内部诸要素不再是唯一的决定性因素，外部的测量也将成 为一股举足轻重的决定力量。究其实，测量就是一种相互作用。在经典物理中， 一种测量所涉及的相互作用完全可以归结为四大基本力的某种组合。但在量子力 学中，与测量相应的相互作用还意味着更多更微妙的东西：它与波粒二象性（量 子力学）相关，也与狭义相对论相关（比如，这两者的结合可在理论上推出银原 子小磁针的磁极只能有两种分立的可能的取向——平行或反平行于外场，正如实 验所显示的那样）；它交织于四大基本力之中，又与它们有所区别，并与之共同 缔造客观现实；它总给人以难以名状的神秘莫测之感，以至于关于量子力学的各 种诠释（不是民科们的胡思乱想，而是真正物理学家们的认真思考）五花八门…… 回顾爱因斯坦、玻尔、费曼等科学大师的话，也许能使我们眼下“剪不断，理还 乱”的思绪略有平复。看来，上下求索之路依然无限漫长，真理的彼岸总在无限 远处。 　　借助奇异的量子力学探索微观世界的征程中，人们遇到了各式各样的对称性； 作为对于对称性进行分析的强有力的数学工具的群论，开始被越来越多地引入到 量子力学中来。如前所述，发现的对称性越多，而各对称性之间的关联分析得越 透彻，人类对于宇宙的理解就会越深刻、越精简、同时也越广泛。至于各种对称 性的具体细节，当然不是能够在一篇科普文章中说清的。欲想细品个中滋味，请 先学好数学，尤其是学好那对我本人来说颇显繁杂艰困的群论。 　　再次结合狭义相对论与量子力学，还可以得到一个所谓的“微观因果性原 理”，进而能够得出一个关于微观世界的深刻洞察——粒子自旋与统计性质的关 系——自旋为1/2、3/2……这样的半奇数的粒子（前述的银原子只有两种磁极取 向正源于银原子的自旋为1/2）必为服从费米－狄拉克统计的费米子，而自旋为0、 1……这样的整数的粒子必为服从玻色－爱因斯坦统计的玻色子。这里提到的两 大量子统计不同于经典的玻尔兹曼统计之处在于：无论是费米子，还是玻色子都 是所谓的全同粒子——具有相同的质量、电荷及自旋的相同粒子家族（如，光子、 电子、中子等，都各自是一个大家族）内部的所有粒子彼此间都是完全相同、不 可分辨的；因此，任意交换其中的某两个粒子的位置，都不会引起可观测的物理 效应（此之谓“交换对称性”）。对于熟悉了“每片树叶都不同，每个人都是独 特的”的我们来说，粒子的全同性显然也是反直观的，但因此而不必细究那天文 数字般众多的粒子们的一个个的“个性”，又何尝不是对纷繁世界的一次强劲的 精简呢？ 　　谈到测量，就不能不提光子，因为光子在所有测量中都扮演着不可或缺的角 色（即便有可能它并不是主要角色）。首先，自然是因为若无光子，我们的视觉 系统就毫无用武之地了，而一般来说，我们的大脑所接受的信息（尤其是科学实 验方面的信息）大多来源于视觉。当我们辨别温度计里液面与刻度对齐的情况时， 当我们读出红外线测温计的液晶显示屏上的数字直显的温度值时，当我们分辨斯 －革实验中挡板上银斑的个数、形状、大小及位置时，都是可见光光子在充当 “第一信使”。其次，光子是电磁场的媒介子或传递子，而我们周遭充满了形形 色色的各种电磁场。斯－革实验中大小磁铁产生的不均匀磁场正是电磁场的一个 特例，该“静”磁场其实是一大群来来往往、生生灭灭的虚光子（这里的“虚” 主要是指这些光子能够自发地转瞬即逝又突然诞生，而通常的“实”光子在不遇 别的粒子或黑洞的情况下总能“长生不老”）。热水分子推动二氧化硅分子再推 动煤油分子的过程中，也有电磁力的重要贡献，而这电磁力同样是一大群虚光子 往返奔忙的外在表现。红外测温计的例子中更是实实在在的红外光光子直接携带 出热水的温度信息。 　　其他微观粒子也会在特殊场合发挥光子无法胜任的测量作用，比如：电子显 微镜、隧道扫描显微镜中的电子，中微子天文望远镜中的中微子，引力波干涉仪 中的引力子，中子也往往能为某些物质结构的探测做贡献…… 　　许多经验都告诉我们：被测物体往往要远远大于用作探测的微观粒子，于是， 小粒子就不会对大物体造成多大的反作用。但是，若要探测微观粒子本身呢？依 我们习以为常之中自然生成的直观，是否我们应该希冀寻求一批超微观的小小粒 子呢？它们比微观小粒子小得多，以至于也不产生多大的反作用……那要再探测 小小粒子呢？需要另一批超超微观的小小小粒子？！这样的寻求链条可以无限延 伸，新种类粒子将层出不穷！量子力学则革命性地来了个快刀斩乱麻，彻底切断 了这条简单直观的链条；关键切入点就是以“波粒二象性”这一利器颠覆了我们 关于大小的直观认识。从锐减粒子种类的角度看，量子力学对于世界图景无疑又 做了一次重大的精简。 　　通常我们说微观粒子很小是指它们的个头（体积）与体重（质量）都很小， 但在以微粒测微粒的过程中，这种体积与质量皆小的观念就完全错误了。仍以光 子为例来说明。光子的静质量为０，但光子绝不会静止，光子的动质量在理论上 可以有任意的取值！比如：伽马射线光子可比静止电子还“重”，可见光光子则 只有电子静质量的大约十万分之一，无线电光子则更是“轻”得多。那光子的个 头（空间尺度上的大小）呢？这还真是相当地说不准。微观世界的奇异性就在于 “波粒二象性”——微粒不再像以往以为的那样是个小小的实体球一样的东西， 而且可以沿着一条确定的轨迹运动。它实际上已没有什么确切的大小、形状、位 置、轨迹可言，这些经典概念统统都不适于描述微观世界及其运动。微粒已变得 像波那样可以弥散于广阔的空间里。所有微粒都具有波粒二象性——它既像颗粒 状的分立的粒子、又像云雾状的弥散的波动，而且粒子的动量直接与波动的波长 成反比。量子力学还只说它的位置测不准，而量子力学再次与相对论结合后，又 进一步推断：单个光子（玻色子）的空间坐标根本就不是一个可观测量（参见王 正行的《量子力学原理》最后一章。这一点我也深感费解）！既然位置都闹不清， 那又何谈其形状及体积？好在光子总对应着光波的波长，一般就用这个波长来代 表相应的光子的个头。比如：伽马光子的个头可以比原子核还要小，可见光光子 则有几千个原子排成一列那么“大”，无线电光子更可达到几厘米乃至上千米之 巨。光子是个头越小，质量反而越大。而根据物质波理论，其他粒子莫不如此。 看来，我们直观的粒子“个小体轻”的观念也必须抛弃，以小小粒子测小粒子的 直观思路也随之灰飞烟灭。 　　我们的漫谈就此打住吧。物理的反直观其实正意味着宇宙之奇异微妙，物理 对世界图景的一次次出人意料的精简也体现出了一种错落有致的美丽。我之所述 不及物理已具有的奇妙优美之万一，深入体验物理之美须耗长时间、大气力，这 或许是它与直观之美的最大不同。