弱的光在中间向各不同方向照射,光进入一个或者另 个光电倍增管并发出强度十足的·声¨嗒”响。声响 要么十足,要么全无——就是说,如果在某一给定时 ·个光电伃增管作响∫,在同时刻,其他所有光 电倍增管都不会响(除非是两个光子在同一时刻离开光 源这种偶然情况)°没有个光子会分成两个“半光子 而走到不同的地方 图1 光电倍增管叮以探测个单个的光子。当 个光」打到A板上时,·个电子就被敲 出来,并被吸引到带正电的B板上,敲出 放大器扩音器 更多的电f。这个过程持续下去,直到亿 万电子打到最后一块板L上:.,并产生电 流,这个电流被普通的放大器所放大。如 B 果将一个扩音器同这个放大器联接·每当A 个光子 指定颜色的·个光子打到A板上时,就会 听到声声均匀的“嗒”声。 我想强调光是以粒子这种形式出现的。知道光的行 为很象粒子这点很重要,特别是对你们这些进过学校 的人,你们在学校听到的恐怕是“光的行为很象波”这 类说法。我要告诉你们,光的行为方式的确很象粒子 你们也许会说,只有光电倍增管才能探测出光是粒 子吧。但是,不然!所有的仪器,只要设计得对于探测 弱光足够灵敏·最后总能够发现同一情况:光是由粒子 组成的 我想假设你们大家对日常生活中常见的光的性质都
很熟悉——比如,光走直线;进入水中时弯曲;在从镜 子之类东西的表面反射时,它射向表面的角度与离开表 面的角度相等;光可以分解为色光;如果…个小水坑的 水面上有点油,你叮以看到美丽的颜色;透镜可以聚 光·等等。我想就你们所熟悉的这些现象来说明光的确 实稀奇古怪的行为;我打算用量子电动力学的理论来解 释这些熟悉的现象。刚才我讲了光电倍增管,目的是向 你们说明你们可能还不大熟悉的个本质现象-一光是 由粒子组成的’但是到现在,我希望你们对这点也熟悉 好,我想你们大家都熟悉光从·些表面(例如水表 面)部分反射的现象许多罗曼蒂克的油画,画面上有 月光从湖面反射,(大概有不少次你们让湖水反射的月光 弄得挺不好意思吧!)当你低头看水时,你可以看见湖 面以下的东西(特别是在臼天),但你也可以看到从湖 面反射的东西。玻璃是另个例子:如果你在白天点亮 房间里的盏灯·然后透过玻璃窗冋外看,你可以看到 窗外的东西以及房问甲这盏灯的昏暗模糊的反射。所以 说,光从玻璃表面是部分反射的。 在我继续往下讲之前,我想让你们知道我打算做的 个简化,以后我会把这个简化再纠正过来的:当我谈 到玻璃对光的部分反射时,我打算装作以为光只是从玻 璃的表面上反射。事实上,片玻璃是·个复杂得叮怕 的怪物极大量的电子在那里摇来晃去。个光子射 到玻璃上时,它是同整块玻璃中各处的电子——而不是
只同表面上的电子—相互作用。光子和电子起跳着 种舞,而净结果与光子只射到表面的结果是样的 所以让我暂时做这个简化。以后我再给你们讲,在玻璃 内部实际上发生的是甚么,这样你们就可以理解结果为 甚么是相同的。 现在我想描述个实验,并告诉你们它的令人吃惊 的结果。在这个实验中,·些颜色相同一比如说红 色—的光子从光源落向块玻璃(见图2)。·个光 电倍增管置于这块玻璃上方的A处,用来捕捉由前表面 反射的光子。为测量有多少光子通过前表面,把另一个 光电倍增管安置在这坎玻璃的里面。你们别管把这个光 电倍增管放到这块玻墒里面有多难,只想想这个实验的 结果是甚么? 对于每100个落向玻璃的光了,平均有4个到达A, 17 96个到达B。所以,所谓“部分反射”在这里的意思是 有4%的光子被玻璃的前表面反射回去,96%则穿过去 了。现在我们已经陷入困境:光怎么能够部分反射呢? 光源 这是关于测量光被玻璃的单个的反射面 部分反射的实验。对于离开光源的每100 100 个光子,有4个由前表面反射回去而终止 于A处的光电倍增管,而其他96%则穿过 前表面而终止于B处的光电倍增管。 []96 玻璃
每个光子或终止于A,或终止于B这每个光子是怎 么做出应该是去A还是去B的决定的呢?(听众笑! 听起来这叮能是个笑话,但我们不能只是笑笑而已:我 们非要用理论做出解释不可!部分反射是个深邀的奥 秘,它对于牛顿是个很困难的问题。 你们或许能编造出几个叮能的理论来说明玻璃为甚 么对光有部分反射。其中·个理论是:玻璃表面的96% 是小孔,它们叮以让光通过,而其余4%的表面则被由 反射材料组成的小斑所覆盖(见图3)。牛顿认识到 这种解释是说不通的。D等·会儿,我们将会看到部分 反射的个奇怪的特点,如果那时你还坚持这个“孔斑 理论”,或其他似是而非的理论,你就会给逼得发疯。 另·个叮能的理论是:光子有某种内部机制—一甚 18 么“轮子”呀、“齿轮呀,在光子内部以某种方式转 动—这个内部机制将光子瞄准,如果瞄得准,光子就 穿过玻璃;如果瞄得不准’光子就反射。我们叮以用这 样的方法检验这个理论:在光源和第片玻璃之间再额 外放置几层玻璃,这样,那些瞄得不准的光子就会被额 外买入的这几层玻璃滤出去。通过这些过冰层而到达这 片玻璃上的光子应该全部是被瞄得很准的,因而应该无 被反射。这个理论的问题在于,它与事实不符:即使 在透过很多层玻璃之后,到达给定表面上的光子仍然有 4%为这个表面所反射 我们也许会试着创造个持之有故的理论,来解释 光子如何自己“做出决定”,是穿过玻璃,还是反射回
玻璃 图3种用来解释单一表面部分反射的理论,它说反射表面由 大量的孔和少数几块斑构成孔让光通过·而斑则将光反 射回去。 去,但要预言一个给定光子将走哪条路是不可能的哲 学家曾说过,如果在同样的情况下,不能永远产生同样 的结果’要做预言是不可能的,科学也就垮了。这里就 是这样-种情况—全同光子总是沿着相同的方向落到 同一片玻璃上—可是产生了不同的结果。我们不能预 言,一个给定光子将到达A还是B°我们所能做的全部 预言,就是在100个落在玻璃上的光子中平均将有4个被 玻璃的前表面反射回去。这是不是意味着物理学 门极精确的学科—已经退化到“只能计箅事件的机 率,而不能精确地预言究竟将要发生甚么”的地步了 呢?是的!这是一个退却!但事情本身就是这样的:自 然界允许我们计算的只是机率,不过科学并没就此垮 台 单一表面的部分反射已经是一个艰深的奥秘和困难 的问题了,两个以至更多个表面的部分反射就绝对更让 人头脑发懵。我告诉你们为甚么。让我们来做第二个实 验,测量光为两表面的部分反射。我们用一片薄玻璃取 代以前那一大块玻璃,玻璃片的两个表面绝对相互平