“大逆不道”的原理：人類(lèi)永遠(yuǎn)不可能消除測(cè)量的誤差？

1924 年，玻爾在丹麥的研究所迎來(lái)了一位23歲的小伙，在 3 年多的時(shí)間里，玻爾與他結(jié)下了深厚的友情?；氐降聡?guó)后，這位小伙提出了一個(gè)極為深刻的洞見(jiàn)：人類(lèi)無(wú)論用什么樣的方法，永遠(yuǎn)也不可能消除測(cè)量的誤差。這位年輕人就是海森堡。

過(guò)去的科學(xué)家們總認(rèn)為，只要我們的測(cè)量工具足夠好，就能把目標(biāo)對(duì)象測(cè)量得要多精確有多精確。但海森堡卻說(shuō)：對(duì)不起了，我們永遠(yuǎn)也不可能同時(shí)把電子的運(yùn)動(dòng)速度和準(zhǔn)確位置給測(cè)量出來(lái)。

為什么呢？因?yàn)槲覀兊臏y(cè)量行為本身一定會(huì)干擾電子的運(yùn)動(dòng)。任何測(cè)量行為，從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，都是觀察從物體上反射回來(lái)的光。比如我們用眼睛看任何物體，真正看到的實(shí)際上是物體反射回來(lái)的光而已。所有被測(cè)量的物體一定需要被光照到才行。

既然光是由一顆顆的光子組成的，那么這些光子就像一顆顆的子彈，用它們?nèi)フ丈潆娮?，就好像用子彈去打擊另一顆子彈，在被光子擊中的那一瞬間，電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就必然改變了。

我們想要測(cè)量一個(gè)電子的速度，那必然要測(cè)量電子在運(yùn)動(dòng)路線(xiàn)上的兩個(gè)點(diǎn)的位置?，F(xiàn)在好了，只要你測(cè)量了任何一個(gè)點(diǎn)的位置，電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)就被破壞了，電子到達(dá)另一個(gè)點(diǎn)的時(shí)間也就與原先不同了。所以，想要同時(shí)測(cè)準(zhǔn)位置和速度，從理論上來(lái)說(shuō)是完全沒(méi)有可能的。

海森堡把他的這個(gè)洞見(jiàn)稱(chēng)為“測(cè)不準(zhǔn)原理”，論文一出，就引起了學(xué)術(shù)界很大的反響。

遠(yuǎn)在丹麥的玻爾也看到了海森堡的論文，他細(xì)細(xì)一琢磨，不得了！一個(gè)困擾了他多年的問(wèn)題突然想通了，而且還提出了一個(gè)大膽十倍的想法。

玻爾認(rèn)為，電子的速度和位置無(wú)法同時(shí)測(cè)準(zhǔn)這沒(méi)有錯(cuò)，但原因不是因?yàn)闇y(cè)量行為干擾了電子的運(yùn)動(dòng)，而是電子根本就不存在準(zhǔn)確的速度和位置的概念！薛定諤是對(duì)的，但也只對(duì)了一半，電子也像光子一樣，既是粒子又是波。當(dāng)你測(cè)量電子的時(shí)候，它就表現(xiàn)為一個(gè)粒子，而當(dāng)你不測(cè)量它時(shí)，它就是波。

玻爾終于想通了為什么電子在軌道上繞著原子核轉(zhuǎn)卻不發(fā)出電磁波。原因很簡(jiǎn)單，電子根本就不是繞著軌道轉(zhuǎn)，而是以波的形式彌漫在整個(gè)軌道上。

玻爾認(rèn)為，實(shí)際上，在我們不測(cè)量電子的時(shí)候，電子沒(méi)有實(shí)體的形狀，它是一種波，就好像是涂在面包上的黃油，它彌漫在整條路上，有些地方厚一些，有些地方薄一些；厚的地方表示被測(cè)量到的概率大一些，薄的地方表示被測(cè)量到的概率小一些。但是，黃油的厚和薄又不是固定不變的，而是隨著時(shí)間的演化呈現(xiàn)出周期性的變化，波的本質(zhì)不就是一種周期性的變化嗎？

如果用打地鼠的游戲來(lái)比喻，那就是：我們的測(cè)量行為，就像一錘子打下去，有時(shí)候什么也打不到，有時(shí)候會(huì)瞬間讓彌漫在整條路上的電子波收縮為一個(gè)點(diǎn)，看上去就好像打到了地鼠，實(shí)際上地鼠本身就是因?yàn)殄N子而形成的。決定錘子是否能打到地鼠的是命中概率，哪怕是上帝也無(wú)法確保一錘子下去必定能打到地鼠。

總之，核心思想就是，只要我們不去測(cè)量電子，它的狀態(tài)就永遠(yuǎn)處在不確定中，沒(méi)有確定的位置，也沒(méi)有確定的速度。任何測(cè)量行為，只能讓我們知其一，不可能兩個(gè)都知道。這就是量子力學(xué)的第一原理：不確定性原理。

不確定性原理一提出來(lái)啊，立即就遭到了無(wú)數(shù)的質(zhì)疑。對(duì)于當(dāng)時(shí)的大多數(shù)物理學(xué)家們來(lái)說(shuō)，這簡(jiǎn)直是大逆不道。然而，正是這種“大逆不道”的理論，在后來(lái)逐漸得到了實(shí)證的支持，成為了量子力學(xué)的重要基石之一。

本文為科普中國(guó)·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品

作者：科學(xué)聲音

審核：北交大物理實(shí)驗(yàn)室高級(jí)工程師 周曉亮

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

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