狹義和廣義等效論兩種類型

鄧如山

什麼是狹義或自然哲學中的等效原理？以量子力學的雙縫實驗為例，19世紀初的1801年，英國物理學家托馬斯-楊在“雙縫實驗”的基礎上發表了一篇證明光波動性的論文《物理光學的相關實驗與計算》，假如光僅僅是牛頓“微粒說”的粒子，那麼當將一束光照射到一條狹縫時，通過了狹縫的光束將在後面的探測屏留下與狹縫尺寸和形狀類似的圖案，而實驗結果與“微粒學”的牛頓理論不符，在探測屏上出現了光的衍射圖案，探測屏圖案的中央區域出現了比較明亮的光帶，左右兩側出現了暗淡的光帶。

雙縫實驗進一步證明了單縫實驗的結果，假如光僅僅是牛頓“微粒說”的粒子，那麼當將一束光照射到兩條平行的縫隙時，光線穿過狹縫後將在後面的探測屏上留下與兩條狹縫尺寸和形狀類似的圖案，而實驗結果違背了“微粒說”的預期，在探測屏上出現了一系列明亮與暗淡條紋相間的圖案。托馬斯-楊用光波的相長幹涉與相消幹涉機制完美地解釋了單縫和雙縫光束實驗的結果，明亮的光帶是光波的相長幹涉形成的，暗淡的光帶則是光波的相消幹涉形成的。

1961年，蒂賓根大學的克勞斯-約恩松做了電子的雙縫實驗，發現了電子的幹涉現象，2002年9月，約恩松的電子雙縫實驗被《物理學世界》雜志評為最美的物理實驗。美國理論物理學大師費曼曾把雙縫幹涉實驗看成是量子力學的核心實驗，托在馬斯-揚的光子束和約恩松的電子束進行的雙縫實驗基礎上，實驗物理學家開發了多個版本的雙縫實驗，以揭示量子力學的深層奧秘。物理學家在後續的實驗中逐漸意識到，不僅光子和電子，而且質子和中子、原子、甚至組成物質基本單元的分子都表現了奇異的量子行為，比如：當一個電子波峰遇到另一個電子波峰時將會產生波的相長幹涉；當一個電子波峰遇到另一個電子波谷時將會產生波的相消幹涉。

托馬斯-楊的光子束雙縫實驗和約恩松的電子束雙縫實驗符合科學哲學結果論的等效原理，兩種最美的物理實驗證明了，光的幹涉性和電的幹涉性符合科學哲學波動論的等效原理。同樣，牛頓通過三棱鏡實驗證實了光的粒子性，愛因斯坦對赫茲的光電效應實驗做了光粒子性的解釋，三棱鏡實驗和光電效應實驗符合科學哲學結果論的等效原理，兩種最完美的物理實驗證明了，光的可分解性、直線傳播性和光電碰撞性符合科學哲學粒子論的等效原理。解釋了狹義或自然哲學的等效原理之後，從科學哲學新發現的角度提出一個科學哲學史的新觀點，即：雙縫實驗的主體性效應在於證實了光波的幹涉性，伴隨性效應在於證實了德布羅意的物質波理論。法國物理學大師德布羅意在光的波粒二象性理論啟發下，在1942年提出了一個理論假說，不只有光子有波粒二象性，而且一切微觀粒子——包括電子、質子和中子都有波粒二象性，寫下了物質波的波長等於普朗克常數（h）與粒子動量（mv）之比的德布羅意公式。約恩松在1961年做的電子雙縫實驗實際上進一步證實了德布羅意物質波的理論預測。