我们所知道的一切都是错的

你可能已经注意到，量子力学中的每个理论都很快就被推翻了。不太懂科学的人可能会对此感到不安，就好像科学家一直处在不确定的状态似的（有人对海森堡双关感兴趣吗？），但这是正常的情况。

科学家总是把一种想法发挥到极致，想看看它在什么时候失效，因为没有什么东西是不容置疑的，也没有什么事实是神圣不可侵犯的。对于某个观点，相信好过笃信，因为这样你更容易承认自己错了。尽管薛定谔方程很出色，但它也概莫能外。

在发表它的时候，薛定谔堂而皇之地忽略了电子的电荷，因为电荷恒定，不需要调整。然而，当电子靠近磁铁的时候，薛定谔方程就会失效。

磁与电荷之间的影响十分强烈。移动的磁铁可以使附近的导线产生电流，而一圈电流会在其周围形成磁场。因此，只描述电子而不考虑磁效应的方程是不完整的。

你让我团团转

我们将在第11章探讨电荷与磁的联系，现在简而言之就是，电子就像小条形磁铁一样，它的周围有磁场，一端是北极，另一端是南极。我喜欢想象电子中间插着小型鱼叉，用来表示磁场的指向。

环形导线中的电流可以产生磁场，所以我们假设单个电子也能以类似的方式产生磁性。电子必须像陀螺一样不停地旋转才能产生磁极。

遗憾的是，对于合适大小的磁场，在计算所需的电子半径时，我们得到的结果是比整个原子还大。所以，试图用绕轴旋转来解释电子的磁场显然是错的。

电子有磁性，一定是因为除了电荷之外还具有一些神秘的性质。但当我们意识到这一点时，所有人都已经在想象电子的旋转了，所以我们就沿用了这个名称，把这种神秘的性质称为“电子自旋”—尽管这个名称对理解这种性质毫无益处。它并不像字面意思那样指电子绕轴旋转，它只是我们用来表示电子磁性的一个词。

为了探究这种“自旋”性质的情况，德国人奥托·施特恩和瓦尔特·格拉赫决定测量粒子的自旋。他们的方法是向布满磁场的通道发射粒子，通道一端的磁场稍强，对粒子产生了合力（而不是两边抵消）。

当有磁性的粒子被轰向通道并且穿过磁场时，它应该偏转一定的角度，这取决于它当时“自旋”的程度。重申一次，“自旋”并不是字面意义上的粒子旋转，但无论自旋是什么，它应该有很多个不同的值，因此粒子往各个方向偏转。

有趣的是，施特恩和格拉赫发现粒子只往两个方向偏转。自旋（无论它是什么）大小总是相同的，但它的方向要么与磁场相同，要么与磁场相反。没有中间值。这意味着自旋和能量一样，是另一个量子化的性质。[1]

从这一点上来说，不再使用“自旋”这个词而改用“磁荷”之类的说法是合情合理的。但所有人都固执地选择“自旋”这个词，而且为了方便，施特恩和格拉赫称之为“上旋”和“下旋”，而不是顺时针和逆时针（关于自旋和磁性更详细的讨论，参阅附录Ⅰ）。

之后，物理学家沃尔夫冈·泡利对薛定谔方程进行了适当的修正，他把自旋的影响考虑在内，得到了泡利方程。

泡利不擅长做实验，他在这方面的名声甚至比海森堡还差，以至于他的同事把他进入房间时设备的自发故障称为“泡利效应”。但和海森堡一样，泡利也是出类拔萃的理论物理学家，他的方程是一个奇妙的修正。

当我们测量一个粒子时，薛定谔方程告诉我们它的可能位置，而泡利方程告诉我们它的可能自旋。我们对“波函数”的定义应该扩展到粒子可能具有的所有属性，包括自旋、能量、动量、位置、最喜欢的电影以及我们想知道的任何东西。

电子的选择

那么，我们使用施特恩-格拉赫通道，根据自旋把电子分为两束，一些电子上旋，另一些电子下旋，各占一半。现在，想象一束全部上旋的电子，让它们通过第二个通道。纯属娱乐。

该电子束中的每个电子都像预期的那样沿直线穿过通道。我们发射上旋的电子，所以它们很自然地都只向上偏转。但现在，假设我们把第二通道旋转90度。这束上旋的电子会一分为二，这一次是左旋或右旋。

显然自旋是由我们所观察的轴决定的，所以如果我们把磁铁横向放置，就会得到左旋或右旋的电子束。

我们已经把所有电子分为上旋和下旋两类，接下来把上旋电子分为左旋和右旋两类。

现在，我们让上旋-左旋电子通过另一个通道，这次的通道与第一个一样是纵向放置的。进入通道的是一束上旋-左旋电子，所以很明显，从通道另一边出来的将是一束上旋电子。但事实并非如此：有50%的电子变成下旋。

不要倒“下”

想象有一群人，我们让他们去医院门诊验血。首先，我们把A型血和B型血的人分开；接着，我们带着A型血的人去第二个门诊，区分A+型和A-型；之后，我们把A+型血的人带回第一个门诊，却发现其中有人自动地变成了B型血。这就是电子自旋做的事情。为什么会这样呢？

我们先前的假设是：上旋电子通过左旋／右旋通道后仍然是上旋的。但这并不能解释我们实际看到的情况。严格来说，当我们发射上旋电子通过左旋／右旋通道时，我们在另一边所能确定的是这些电子是左旋还是右旋。我们再也无法知道它们是上旋还是下旋，因此没有理由假定它们和以前一样，似乎测量电子的左旋／右旋会让它忘记自己的上旋／下旋。

这告诉我们一个新的海森堡不确定性原理：我们永远不可能同时知道一个粒子的两个轴向的自旋。横向和纵向的自旋可以单独测量，但测量一个就会抹掉另一个，就像测量粒子的位置会抹掉它的动量。但还有更奇怪的事情在发生。

对于粒子的某种性质，如果我们测量它的互补性质，原来的性质就会被抹掉。这意味着测量行为本身会通过某种方式让粒子接受最重要的性质。

施特恩-格拉赫实验表明，我们未测量的自旋性质迷失了，只能在重新测量它的时候找到它。显然，当我们不注意的时候，粒子的性质简直可以说是不存在的。这意味着恩培多克勒的古老思想，即人眼赋予物体外观，可能揭示了最终的真理。

你仔细看了吗

回头看看双缝实验，我们不得不怀疑自己的理解是否正确。当粒子穿过双缝时，我们假设它有确定的位置，但也许它没有。也许双缝实验的结果是因为电子根本不是电子，而是某种诡异的幽灵状态，只有当探测屏测量到它时，它才变成了具有明确属性的粒子。

我们用薛定谔波动方程计算出某个特定结果的概率，但在真正测量到那个结果之前，一切都是未知的。粒子没有通过任何一个狭缝，因为它还不是具有某种性质的粒子。

我们真正应该做的是在每个狭缝旁边放一个小摄像头，观察粒子在做决定的那一刻做了什么。如果粒子真的在那里，我们就应该能看到它做决定。

好吧，我忏悔。相关实验并没有真的在狭缝旁放一个摄像头，但进入狭缝测量的细节相当无聊。所以让我们想象实验中真的有微型摄像头吧。

在施特恩-格拉赫的实验结果出来之前，我们希望记录一个粒子同时通过两个狭缝的镜头。实际发生的是物理学中最奇特的结果之一。当摄像头对准这些狭缝时，电子会像经典粒子一样每次只穿过一条狭缝，量子斑马条纹也会消失。

在狭缝旁边放置摄像头是一种测量，它以某种方式使粒子变成了粒子。不拍摄的时候，粒子具有波动性；可我们一打开摄像头，它们就恢复正常。在我们的预料中，这是政客的性质，而不是粒子的性质。我的意思是，以马克斯·普朗克的灯泡的幽灵之名，粒子如何知道我们是否打开了摄像头？

这就是所谓的“测量问题”，其原因不言而喻。我们不观察粒子的时候，它的动量、能量、自旋甚至位置都在某种我们从未直接看到的、未知的虚无中摇晃。不知怎么，测量迫使它们接受了现实世界的性质。显然，粒子很在乎我们是否观察。