科學(xué)百科53期丨海森堡的測不準(zhǔn)原理是怎么回事？

本期為大家?guī)恚?/p>

《你知道嗎——現(xiàn)代科學(xué)中的100個問題》

本書是阿西莫夫的優(yōu)秀作品之一。

作者以通俗的語言，深入淺出地解釋了現(xiàn)代科學(xué)中的一百個尖端課題。

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，如科學(xué)的研究方法、二進(jìn)制數(shù)、相對論、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)一場論、夸克、快子、金屬氫等。

作者對這些問題的來龍去脈，它們目前處在什么樣的狀態(tài)、有沒有希望得到解決等問題均作了回答。

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第五十三個問題：海森堡的測不準(zhǔn)原理是怎么回事？

要解釋測不準(zhǔn)的問題，我們先得問一問：什么叫做測準(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，那么，不管你得到的數(shù)據(jù)怎么樣，你都確信它沒有問題。

但是，你怎樣才能了解到那個物體的某種性質(zhì)呢？無論用什么方法，你都必定要同那個物體發(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。而這時就必定有相互作用，不過這些相互作用是比較緩和的。

現(xiàn)在我就可以爭辯說，這種相互作用總是會給你所力求測定的那種性質(zhì)本身帶來一些變化。換句話說，在了解某種事物時會由于了解它那個動作本身而使那種事物發(fā)生改變，因此，歸根結(jié)蒂，你根本沒有精確地了解到這種事物。

舉個例子吧，假定你想測量出澡盆里熱水的溫度。于是，你把一根溫度計放入水中，對水的溫度進(jìn)行測量?？墒菧囟扔嬍菦龅?，它放入水中就會使水的溫度稍稍降低。這時，你仍然可以得到熱水溫度的很好的近似值，但是它不會精確到一萬億分之一度。溫度計已經(jīng)改變了它所要測量的那個溫度，而這種變化幾乎是無法測出的。

再舉個例子，假定你想測量輪胎中的空氣壓力，你就要讓輪胎逸出極小量的空氣來推動測壓計的活塞。但是，有空氣逸出這個事實就說明，空氣的壓力已經(jīng)由于測量它這一動作而稍稍降低了。

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

德國物理學(xué)家維爾納·海森堡在1927年斷言說，這是不可能做到的。一個測量器件只能小到這種程度：它可以小到同一個亞原子粒子一樣小，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能量子，但再小就不行了。然而，只要有一個粒子和一個能量子就已經(jīng)足以帶來一定的變化了。即使你只不過為了看到某種東西而瞧它，你也得靠從這個物體上彈回來的光子才能看到它，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，要是你所碰到的是極其微小的物體，這時就連極其微小的變化也顯得挺大，那又會出現(xiàn)什么情況呢？

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

具體地說吧，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量兩者同時精確地測量下來。你把位置測定得越準(zhǔn)確，你所能測得的動量就越不準(zhǔn)確，你測得的動量越準(zhǔn)確，你所能測定的位置就越不準(zhǔn)確。他還計算出這兩種性質(zhì)的不準(zhǔn)確度（即“測不準(zhǔn)度”）應(yīng)該是多大，這就是他的“測不準(zhǔn)原理”。