98單光子干涉實驗

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“這位先生，你實在是不應該這麼做……”

陳慕武話還沒說完，這個公使館的工作人員，直接左右開弓，自己給自己了兩個巴掌。

“陳先生，實在是對不住，這次是我鬼迷心竅，豬油蒙了心。

“您千萬要放小弟我一馬，這件事上還請免開尊口，可別和我們公使館的那位朱代辦說啊！……”

工作人員一把鼻涕一把眼淚，打心眼兒裡想讓陳慕武對他網開一面。

在此之前天天拉大旗作虎皮的陳慕武，沒想到自己這次成了別人的大旗。

但他還真拿眼前這個公使館的工作人員，沒有什麼太好的辦法。按下葫蘆起了瓢，雖然陳慕武只要給朱兆莘寫一封信，就一定能讓這個人失去工作，但是他一個人走了，不代表公使館裡的其他人不會重複這個人所做過的齷齪事。

陳慕武到最後只能想了一個笨辦法，那就是下次再從國內邀請人來的時候，提前把名單通知公使館那邊一聲。

只要不動我的人，其他人的竹槓，就由他們愛怎麼敲怎麼敲吧！

公使館的這個工作人員，千恩萬謝地離開了劍橋。

臨走之前他還不忘各種許願，說下次再從國內送來什麼好東西，絕對不會忘記給陳慕武也送過來一份。

和這個人的口頭許諾不一樣的是，趙忠堯真的給陳慕武帶了東西來。

趙是諸既人，和陳慕武的老家仩虞在清朝時同屬邵興府管轄，所以兩人也算是同鄉。

兩人這趟到國外的求學之旅，來到英國的船票是陳慕武大哥陳慕僑出的，在英國的學費和生活費用則是陳慕武一手操辦。

所以趙忠堯和施汝為對陳家人的幫助十分感激，在老師葉企孫的建議下，他們特意給陳慕武帶了幾斤好茶。

“這茶葉進入英國海關的時候，一定交了不少稅吧？”

陳慕武想起來自己第一次到英國時，也是因為不明所以，因為攜帶了一些茶葉，就被那個黑心的英國海關課了不少稅。

“陳老師，誰說不是！就這麼幾斤茶葉，海關的那個英國官員就收了我好幾磅的關稅，他們可真是獅子大開口！”

……

三個人一番交流之後，陳慕武發現了一件很尷尬的事情。

那就是葉企孫給他介紹來的這兩位學生，雖然對自己是一口一個“陳老師”地叫著，但是他倆的真實年齡，其實都比自己還要大。

所以陳老師的這個稱呼，陳慕武覺得自己是萬萬受不得也答應不了的。

在他千方百計地勸說之下，才讓兩人最終答應了，彼此之間要麼叫他的表字“漢臣”，要麼就直接叫他陳先生這件事。

既然兩位同胞已經來了劍橋大學，那麼接下來的首要任務就是準備各個學院的入學考試。

現在又冒出來了一個問題，那就是陳慕武去年來到英國的時候，根本就沒參加過三一學院的入學考試。

他屬於是被院長老湯姆孫給開了個後門，一到劍橋，就直接進入到了卡文迪許實驗室做起了實驗。

所以陳慕武並不知道入學考試究竟是以什麼形式，如果只是面試的話，還要問些什麼問題。

不過，倒是也有現成的解決辦法，那就是他陳慕武還有一個學生，在不久之前才剛剛透過了基督學院的入學測試。

陳慕武把趙忠堯和施汝為託付給了他們的奧本海默，讓這位陳門的大師兄，輔導兩個人準備接下來的入學考試。

奧本海默沒有推辭，因為這是自己來到劍橋之後，陳老師給他的第一個任務。

他覺得自己必須要把這件事情好好完成，也讓陳慕武看一看，自己這個哈佛大學的榮譽畢業生，到底是不是吃素的。

……

下個星期二，在一場還算豐盛的晚宴之後，這一場在暑假裡臨時舉辦的卡皮察俱樂部的活動，悄然在三一學院的一個房間裡拉開了帷幕。

剛剛來到劍橋的趙忠堯和施汝為兩人，可能還不知道在他們坐著輪船在海上航行的這一個多月的時間裡，陳慕武在物理學界又搞出來了什麼大動作。

但是既然奧本海默興致沖沖地說要去聽陳老師講座，他們兩個也沒有不跟著的道理。

不過由於兩個人還不是卡皮察俱樂部的正式會員，所以只能在房間裡的末位列席。

而同樣不是正式會員的奧本海默，卻在陳慕武的安排下，得到了會議記錄的工作。

他很是興奮地握著手中的筆，心裡想著絕不能漏掉從自己老師嘴裡說出來的每一個單詞。

陳慕武想著，在這次的俱樂部活動上，就具體說一說，這個波函式Ψ到底是什麼。

讓奧本海默記錄，也是為了把這個講座內容整理出來之後，能更方便地再去發表一篇論文。

陳慕武並不想觸碰證明矩陣力學和波動力學等價這個問題，因為這個問題實在是太難了。

總有人說薛定諤在1926年提出波動方程後的不到半年時間裡，就在數學上嚴格證明了他的波動力學和海森堡的矩陣力學等價。

但這只不過是一個物理學神話罷了，薛定諤給出來的證明方式是用波動方程解了一下諧振子的能級和定態波函式，得到的結果和矩陣力學給出來的結論相同而已。

然後他就大言不慚地說自己的波動力學和海森堡、玻恩、約當的矩陣力學等價，可以用數學變換從一種形式變換成為另一種形式。

其實，他充其量是“論證”了這兩種力學在物理學上是等價的這件事，而且也就只能忽悠一下眾多數學學得不好的物理學家們。

而最終在數學上證明波動力學和矩陣力學等價，還要等到狄拉克在1930年拋磚引玉，然後馮·諾依曼在1932年才能給出最終的結論。

很顯然，陳慕武不想在這次卡皮察俱樂部的會議上，當一個不太討喜的數學家。

薛定諤“論證”兩種力學等價的那篇論文，倒是可以留給趙忠堯施汝為和奧本海默三位，就當做是送給三個學生的見面禮。

陳慕武琢磨，他既然想著以後要開宗立派的話，那麼就不能只靠自己單打獨鬥，也要把手下的學生們都一個個地培養得出人頭地。

所以他決定開門見山，直接講起了有關機率波的這件事。

“想必今天來參加這場會議的物理學從業者，應該或多或少地都讀過了我前不久發表在《自然》週刊上的那篇論文。

“你們應該會覺得，站在眼前這個叫陳慕武的傢伙，他先是搞出來了一種叫做矩陣的東西，把人弄得神魂顛倒，陷入數學深淵。

“然後他又發明了一個波動方程，把人從數學的深淵裡拯救了出來。

“我相信，你們有很多人也都嘗試了用這個新的方程計算氫原子光譜，並且得到了很好的結果。

“但同時我也清楚，伱們搞不明白，這個和波動方程形式完全一致的新方程，它描繪的究竟是一種什麼波？是什麼東西在波動？

“眾所周知，在我們這個世界上，有兩種波存在著。

“一種就是像聲波和水波那樣的機械波，它們透過空氣分子或者水分子在微觀尺度上的震動，導致在宏觀尺度上形成了波動。

“而另外一種，則是麥克斯韋先生提出來的電磁波。自從愛因斯坦博士提出來的相對論被廣泛接受之後，人們已經拋棄了想象中的‘以太’這種介質，接受了電磁波是電場和磁場本身的一種震動。

“也許你們中有人，已經把這個新的波動方程帶入了既有的理論當中，認為電子就是這個方程裡的一個波包，然後就發現了這種解釋導致波動並不穩定，電子很快就會耗散到無窮遠處。

“可是事實中的結果並非如此，電子就是電子，並不會出現在計算後得出的這個現象。

“現在，我要指出的一點是，這個波，它既不是一種機械波，也不是一種電磁波，而是一種新形勢的機率波。

“至於你們心心念唸的這個振幅Ψ，則和上面提到的兩種波類似。

“在經典物理中，振幅的平方，代表著波的強度。而在我的這個方程裡，振幅的模平方|Ψ|，代表著粒子在某一時刻出現在該位置上的機率！”

陳慕武本以為，自己這次一定是在卡皮察俱樂部的會員面前，裝了一個大逼。

可等他滔滔不絕地講了這麼一大段，臺下眾人的臉上並沒有顯示出他期待的震驚臉，而大部分都是一臉的懵懂。

過了一會兒之後，俱樂部的主席卡皮察，才代表其他人提出來了他們的疑問：“陳，能不能請你在具體講講，這個波動方程到底是怎麼一回事？這個粒子出現的機率，又究竟該如何理解？”

大意了，講了一堆理論上的知識，結果自己這些這天都待在實驗室裡的同行們，可能壓根兒沒聽懂。

他現在有些懷念起自己的前室友狄拉克來，如果那個不苟言笑的英國人也在這裡的話，他一定能聽明白陳慕武在說什麼。

“有關這種機率是什麼，一種最簡單的解釋就是，電子在空間中無處不在，在同一個時刻中，一個電子既可能在我這裡，也可能在卡皮察先生那裡。”

“陳，你這個說法實在是太荒謬了，”還沒坐下去的卡皮察立刻提出來了不同的見解，“在某一時刻，電子的位置必須是固定的，你剛才舉的那個例子，其實想要知道這個電子在哪裡也很容易，只需要在整個空間全部都擺上蓋革計數器，如果真的如你所說，整個空間裡只有一枚電子的話，那麼也就只能有一個蓋革計數器能發出聲響。”

卡皮察並不知道自己歪打正著，剛好提出來了波函式坍縮這件事情。

但卡皮察提出來了這個觀測的問題，現在陳慕武覺得自己不能再按照原來的計劃進行了。

他本打算繼續談談當初愛因斯坦為了幫他想象中的光量子找一個波動性的理論，而提出來的那個已經被放棄了的“鬼場”。

可是他現在覺得，自己再講些純理論上的東西，而不給出具體的物理學影象的話，這些實驗物理學家們很可能依舊聽不懂。

好在陳慕武早就做了兩手準備，他轉身擦掉黑板上寫著的三五行公式，反而是在上面畫起圖來。

顯示屏、遮擋物、帶著箭頭的平行直線，當他在上面寫下“光”這個單詞之後，明眼人早就看出來，陳慕武在黑板上畫了一個托馬斯·楊的雙縫干涉示意圖。

“你提出來的這個問題，我想我可以用另外一個實驗現象來回答。

“雙縫干涉實驗，是皇家學會會士托馬斯·楊在十九世紀初做的一個著名的光學實驗，正是這個實驗，最終推翻了牛頓爵士提出來的光的微粒說，從此以後，人們開始相信，光同樣是一種波。

“二十世紀初，愛因斯坦博士為了解釋光電效應的實驗現象，又重新提出了光量子這個概念，並最終被密立根教授的精確光電效應實驗，以及去年年初的伽馬射線散射實驗所驗證。

“現在讓我們重新考慮這個實驗，假如說，我們儘可能地調低光源的亮度，讓這個光源每次只發射一顆光子，並確保在這顆光子穿過狹縫到達螢幕這個過程中，不會再有一顆新的光子發出。

“就這樣一個光子一個光子地積累很長一段時間之後，我們再把螢幕上的感光底片拿去顯影成像的話，那張照片上究竟會顯示什麼樣的一種圖樣？還會不會仍然顯示明暗相間的黑白乾涉條紋？”

陳慕武在這裡稍作停頓，給出眾人足夠長的思考時間。

場內的眾人窸窸窣窣的討論起來，最終他們勉強達成了一個統一的意見，那就是照相底片上，並不會產生干涉條紋。

“只是，非常遺憾的是，你們給出來的回答都答錯了。

“在十五年前的1909年，如今的皇家學會會士傑弗裡·泰勒，當時還只是我們三一學院的一位學生，正在當時卡文迪許實驗室的主任，如今的三一學院院長湯姆孫爵士手下，做著一個有關光學的實驗。

“當時，泰勒會士用一盞煤氣燈作為光源，光源前面放了幾塊被煤煙燻黑的玻璃。

“他之所以這麼做的原因，就是為了保證光在每經過一塊玻璃之後，就會變得更加微弱，從而檢驗在微光的條件下，還會不會出現光的波動現象。

“這個實驗足足持續了三個月，在最終洗出來的照相底片中，仍然得到了波動現象。

“雖然泰勒會士那次做的不是雙縫干涉而是針尖衍射的實驗，但我想，如果復刻這個實驗，把裡面的針尖換成是兩條狹縫的話，同樣也會出現對應的實驗現象。”

“這……”

誰也沒想到陳慕武竟然有備而來，為了一場卡皮察俱樂部上的講座，他竟然都翻出來了十五年前的一篇學生論文。

許久之後，仍然是卡皮察站出來拆臺：“陳，但是這個實驗，也沒辦法保證像你說的那樣，在同一時間裡，空間中只存在一顆光子。”

“卡皮察先生，事實上，這件事情是能保證的。”

陳慕武說著話又轉過身去，在黑板上畫起了一個箱子的示意圖。

“早在個實驗出現的四年之前，愛因斯坦博士就已經提出來了光量子假說，但是泰勒會士在論文中並沒有一處提到了光量子。

“但幸運的是，他給出了詳細的實驗資料，我們可以就粗略估算一下。

“據他的統計，每秒到達照相底片上的能量，為5×10焦耳。

“因為煤氣燈發出來的光是淡藍色，所以光的波長我們就近似取為500奈米。

“因為ε=hν，經過計算就可以得出，每秒抵達照相底片上的光子數量，大概在一百萬個左右。

“統計上來講，也就是說每一百萬分之一秒，有一個光子穿過層層阻礙，打到了這塊照相底片上。

“用這個時間間隔乘以光的傳播速度，就能得到一前一後兩個光子之間的距離，應該是有三百米左右。

“而他整個實驗暗箱的長度，也不過才不到兩米，這也就是說，在統計上來看，在同一時刻中的整個實驗空間裡，只會有一顆光子的存在。”

陳慕武最後總結道：“只要能確保在同一時間整個實驗空間裡只存在一顆光子，就能光的干涉行為是光子相互作用的可能性。

“所以，幹射條紋的出現是許多光子各自獨立行為積累的結果，干涉條紋的亮區是光子到達可能性較大的區域，而暗區是光子到達可能性較小的區域。

“至於這個光子的到達可能性在物理學上的含義是什麼，我想不出意外的話，它就是我所說的機率，進而也就說明了光波是一種機率波。

“如果把這個實驗中的光子換成是一個電子源的話，我想也應該會出現同樣的結果。

“所以我才會說，機率才是這個波動方程的真正含義。”

陳慕武在這段發言中其實有漏洞，他只是搞了個統計平均的說法，並沒有言之鑿鑿地確認，在同一空間同一時刻裡，只存在著單一的光子。

事實上，嚴格意義上的單光子干涉實驗也好，單電子干涉實驗也罷，都要等到單電子源和單光子源在二十世紀七十年代出現之後，才能被物理學家們在實驗室裡完全做出來。

在此之前，單粒子幹射實驗只能是一個存在於理想中思維實驗。

而且這個思維實驗，不僅僅能證明波函式是一種機率波，他還能在一定程度上得到不確定性原理。

不過陳慕武覺得，還是暫時先不把這個在原時空裡讓玻爾和愛因斯坦吵了幾十年的東西拿出來。

他已經搞出來一個驚世駭俗的量子力學了，需要讓物理學界先喘幾口氣，好好消化一下他最近的幾篇論文。

坐在會場最後的趙忠堯問施汝為：“你聽懂了嗎？”

後者很坦誠地搖了搖頭：“我只知道陳先生在講座中提到的雙縫干涉，也知道他提出來的光子，但是有關波動函式這件事，雖然那個奧本海默先生曾經提過幾次，但我還沒來得及深入瞭解。等結束以後，我們去把奧本海默先生的筆記給借過來好好研究一下，有什麼不明白的地方，再去請教陳先生好了。”

場內其他人雖然瞭解過波動方程，同但他們樣和趙、施兩人一樣，聽了個懵懵懂懂。

不過有的人在心裡已經起了別的心思，他們想著等回到實驗室之後，是不是把陳慕武所說的單光子雙縫干涉實驗給做出來。

雖然留在觀眾席上的成員，仍然處在震驚和懵逼的疊加態，但陳慕武今天的講座已經結束。

他擦乾淨身後的的黑板，又拍掉了身上的粉筆屑，打算收拾好桌子上的東西就離開。

現在不離開的話，等這些人反應過來，把自己徹底圍住問問題的話，那時候再想跑也跑不了了！

就在這時，這個會議室的房門猛地一下子被推開。

陳慕武和在場的眾人都是第一次見到，往日裡那個沉著冷靜的狄拉克如此失態。

而且他們也是第一次聽到，從狄拉克嘴裡一口氣蹦出來瞭如此多的單詞。

狄拉克沉默寡言，是眾所周知的。

因為他平日裡不苟言笑，和眾人相處過程中說的話實在是太少，每次都只有寥寥幾句。

所以在聖約翰學院、卡文迪許實驗室和卡皮察俱樂部裡，專門出現了一個以狄拉克姓氏命名的奇怪單位。

一狄拉克，等於一個人在一個小時之內說出一個單詞。

而一卡皮察，大概等於幾千甚至幾萬狄拉克。

陳慕武沒想到自己剛才在講座裡還想著狄拉克，結果他的這位前室友就很及時地出現在了他的面前。

狄拉克徑直來到陳慕武面前，快速喘了幾口氣，調整好呼吸之後，這才說道：“布朗太太說你已經搬離了她家，我打聽到你在卡皮察俱樂部之後，就匆匆趕來了這裡。

“陳，這個夏天我在家裡一直看你之前的所有論文，我、我在其中發現了你的一個錯誤！”

(本章完)