“大逆不道”的原理：人類永遠不可能消除測量的誤差？

1924 年，玻爾在丹麥的研究所迎來了一位23歲的小伙，在 3 年多的時間里，玻爾與他結(jié)下了深厚的友情?；氐降聡螅@位小伙提出了一個極為深刻的洞見：人類無論用什么樣的方法，永遠也不可能消除測量的誤差。這位年輕人就是海森堡。

過去的科學家們總認為，只要我們的測量工具足夠好，就能把目標對象測量得要多精確有多精確。但海森堡卻說：對不起了，我們永遠也不可能同時把電子的運動速度和準確位置給測量出來。

為什么呢？因為我們的測量行為本身一定會干擾電子的運動。任何測量行為，從本質(zhì)上來說，都是觀察從物體上反射回來的光。比如我們用眼睛看任何物體，真正看到的實際上是物體反射回來的光而已。所有被測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，電子的運動狀態(tài)就必然改變了。

我們想要測量一個電子的速度，那必然要測量電子在運動路線上的兩個點的位置?，F(xiàn)在好了，只要你測量了任何一個點的位置，電子的運動狀態(tài)就被破壞了，電子到達另一個點的時間也就與原先不同了。所以，想要同時測準位置和速度，從理論上來說是完全沒有可能的。

海森堡把他的這個洞見稱為“測不準原理”，論文一出，就引起了學術(shù)界很大的反響。

遠在丹麥的玻爾也看到了海森堡的論文，他細細一琢磨，不得了！一個困擾了他多年的問題突然想通了，而且還提出了一個大膽十倍的想法。

玻爾認為，電子的速度和位置無法同時測準這沒有錯，但原因不是因為測量行為干擾了電子的運動，而是電子根本就不存在準確的速度和位置的概念！薛定諤是對的，但也只對了一半，電子也像光子一樣，既是粒子又是波。當你測量電子的時候，它就表現(xiàn)為一個粒子，而當你不測量它時，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軌道上。

玻爾認為，實際上，在我們不測量電子的時候，電子沒有實體的形狀，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；厚的地方表示被測量到的概率大一些，薄的地方表示被測量到的概率小一些。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比喻，那就是：我們的測量行為，就像一錘子打下去，有時候什么也打不到，有時候會瞬間讓彌漫在整條路上的電子波收縮為一個點，看上去就好像打到了地鼠，實際上地鼠本身就是因為錘子而形成的。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，只要我們不去測量電子，它的狀態(tài)就永遠處在不確定中，沒有確定的位置，也沒有確定的速度。任何測量行為，只能讓我們知其一，不可能兩個都知道。這就是量子力學的第一原理：不確定性原理。

不確定性原理一提出來啊，立即就遭到了無數(shù)的質(zhì)疑。對于當時的大多數(shù)物理學家們來說，這簡直是大逆不道。然而，正是這種“大逆不道”的理論，在后來逐漸得到了實證的支持，成為了量子力學的重要基石之一。

本文為科普中國·創(chuàng)作培育計劃扶持作品

作者：科學聲音

審核：北交大物理實驗室高級工程師 周曉亮

出品：中國科協(xié)科普部

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