[科普中國(guó)]-科學(xué)百科53期丨海森堡的測(cè)不準(zhǔn)原理是怎么回事？

本期為大家?guī)?lái)：

《你知道嗎——現(xiàn)代科學(xué)中的100個(gè)問(wèn)題》本書是阿西莫夫的優(yōu)秀作品之一。作者以通俗的語(yǔ)言，深入淺出地解釋了現(xiàn)代科學(xué)中的一百個(gè)尖端課題。其中，有些是了解現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)所必須具備的基礎(chǔ)知識(shí)，如科學(xué)的研究方法、二進(jìn)制數(shù)、相對(duì)論、亞原子粒子、核聚變、熵、晶體、病毒等。有些則是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的前沿陣地，如黑洞、統(tǒng)一場(chǎng)論、夸克、快子、金屬氫等。作者對(duì)這些問(wèn)題的來(lái)龍去脈，它們目前處在什么樣的狀態(tài)、有沒(méi)有希望得到解決等問(wèn)題均作了回答。▼

第五十三個(gè)問(wèn)題：海森堡的測(cè)不準(zhǔn)原理是怎么回事？

要解釋測(cè)不準(zhǔn)的問(wèn)題，我們先得問(wèn)一問(wèn)：什么叫做測(cè)準(zhǔn)了？當(dāng)你深信你精確地了解到某種物體的某種性質(zhì)時(shí)，那么，不管你得到的數(shù)據(jù)怎么樣，你都確信它沒(méi)有問(wèn)題。

但是，你怎樣才能了解到那個(gè)物體的某種性質(zhì)呢？無(wú)論用什么方法，你都必定要同那個(gè)物體發(fā)生相互作用。你必須把它稱一稱，看看它有多重；或者把它敲一敲，看看它的硬度有多大；再不然，你就得直盯著它，看看它在什么地方。而這時(shí)就必定有相互作用，不過(guò)這些相互作用是比較緩和的。

現(xiàn)在我就可以爭(zhēng)辯說(shuō)，這種相互作用總是會(huì)給你所力求測(cè)定的那種性質(zhì)本身帶來(lái)一些變化。換句話說(shuō)，在了解某種事物時(shí)會(huì)由于了解它那個(gè)動(dòng)作本身而使那種事物發(fā)生改變，因此，歸根結(jié)蒂，你根本沒(méi)有精確地了解到這種事物。

舉個(gè)例子吧，假定你想測(cè)量出澡盆里熱水的溫度。于是，你把一根溫度計(jì)放入水中，對(duì)水的溫度進(jìn)行測(cè)量?？墒菧囟扔?jì)是涼的，它放入水中就會(huì)使水的溫度稍稍降低。這時(shí)，你仍然可以得到熱水溫度的很好的近似值，但是它不會(huì)精確到一萬(wàn)億分之一度。溫度計(jì)已經(jīng)改變了它所要測(cè)量的那個(gè)溫度，而這種變化幾乎是無(wú)法測(cè)出的。

再舉個(gè)例子，假定你想測(cè)量輪胎中的空氣壓力，你就要讓輪胎逸出極小量的空氣來(lái)推動(dòng)測(cè)壓計(jì)的活塞。但是，有空氣逸出這個(gè)事實(shí)就說(shuō)明，空氣的壓力已經(jīng)由于測(cè)量它這一動(dòng)作而稍稍降低了。

有沒(méi)有可能發(fā)明一些非常微小、非常靈敏，而又不直接同所要測(cè)量的性質(zhì)發(fā)生關(guān)系的測(cè)量器件和方法，因而也就根本不會(huì)給所要測(cè)量的性質(zhì)帶來(lái)絲毫變化呢？

德國(guó)物理學(xué)家維爾納·海森堡在1927年斷言說(shuō)，這是不可能做到的。一個(gè)測(cè)量器件只能小到這種程度：它可以小到同一個(gè)亞原子粒子一樣小，但卻不能小于亞原子粒子。它所使用的能量可以小到等于一個(gè)能量子，但再小就不行了。然而，只要有一個(gè)粒子和一個(gè)能量子就已經(jīng)足以帶來(lái)一定的變化了。即使你只不過(guò)為了看到某種東西而瞧它，你也得靠從這個(gè)物體上彈回來(lái)的光子才能看到它，而這就已經(jīng)使它發(fā)生變化了。

這樣的變化是極其微小的，在日常生活中我們可以把它們忽略掉，而且我們也正是這樣做的——但是，這種變化仍然存在。不過(guò)，要是你所碰到的是極其微小的物體，這時(shí)就連極其微小的變化也顯得挺大，那又會(huì)出現(xiàn)什么情況呢？

例如，如果你想要說(shuō)出某個(gè)電子的位置，那么，為了“看到”這個(gè)電子，你就得讓一個(gè)光量子（更可能是一個(gè)γ射線光子）從它上面彈回來(lái)。這樣一來(lái)，那個(gè)光子就會(huì)使電子的位置發(fā)生變化。

具體地說(shuō)吧，海森堡成功地證明了，我們不可能設(shè)想出任何一種辦法，把任何一種物體的位置和動(dòng)量?jī)烧咄瑫r(shí)精確地測(cè)量下來(lái)。你把位置測(cè)定得越準(zhǔn)確，你所能測(cè)得的動(dòng)量就越不準(zhǔn)確，你測(cè)得的動(dòng)量越準(zhǔn)確，你所能測(cè)定的位置就越不準(zhǔn)確。他還計(jì)算出這兩種性質(zhì)的不準(zhǔn)確度（即“測(cè)不準(zhǔn)度”）應(yīng)該是多大，這就是他的“測(cè)不準(zhǔn)原理”。

這個(gè)原理指出，宇宙具有某種“微粒性”。你要是盡力把報(bào)紙上的圖像放大，最后，你就會(huì)把它放大到這樣一個(gè)程度：你會(huì)看到許多細(xì)小的顆粒或是斑點(diǎn)，而根本看不到圖像的詳細(xì)結(jié)構(gòu)。如果你想細(xì)致地觀察宇宙，你也會(huì)碰到同樣的情形。

這一點(diǎn)使某些人感到失望，他們把這個(gè)原理看作是人類永遠(yuǎn)無(wú)知的自供狀。

但事情根本不是如此。我們感興趣的是想知道宇宙是怎樣工作，而測(cè)不準(zhǔn)原理正好是宇宙的工作的一個(gè)關(guān)鍵性因素，宇宙存在著“微粒性”，問(wèn)題就在這里。海森堡為我們指出了這一點(diǎn)，對(duì)此，物理學(xué)家是非常感激的。