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第二十章 双缝（第2页）

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？”