读书 | “量子物理史话”（七）：海森堡的不确定性原理

阅读提示：下面的内容作为娱乐就好，我仅具备高中知识，没有能力做严谨叙述。对我们普通人而言，了解一些量子物理知识，可以在与朋友聊天时显得博学一些，至少不会被那些夸夸其谈者吓到。如果您还能够注意到，某个无知的人是怎样接受新知识的，那是我的荣幸。本文的科普内容主要出自曹天元所著“量子物理史话”，这是读后感。嫌弃我的文字或想了解更多知识，可以去读原著，那是真正的科普。

海森堡度过了几个月噩梦般的时光，越来越多的人抛弃了他的矩阵，投向薛定谔的波动理论。当初那些出色的论文，现在被人们改写成波动方程的形式。甚至那个被他们尊为“量子论教皇”的玻尔，也转向了他的对立面。

海森堡尽力回想矩阵力学的创建史，想看看问题出在哪里。它的基础是：整个物理理论只能以可被观测的量为前提。不过海森堡也记得，爱因斯坦不太同意这个观点----虽然创立相对论也是因为“绝对时间”不可观察而放弃了它。爱因斯坦说：“试图仅仅靠可观察的量来建立理论是不对的，恰恰相反，是理论决定了我们能够观察到的东西。”

海森堡想到矩阵那奇怪的乘法规则：p*q≠q*p。它决定了我们观察到的什么东西呢？p是动量，q是位置，这意味着先测量动量再测量位置，与先测量位置再测量动量将带来不同的结果。

测量行为会影响物体的原始状态，对于一个电子，即使仅用一个光子去接触测量它，对其状态的影响也是巨大的。测到它的位置将剧烈改变它的速度，测到速度也将剧烈改变它的位置。因此，无法同时既准确的知道一个电子的位置，又准确的了解它的动量。经过数学计算，海森堡得出一个公式，Δp*Δq>h/4π，即p和q测量误差的乘积一定大于一个固定值。这意味着获得一个值的信息越精确，另一个值就越模糊。（这一原理当然可以用于宏观事物，只是h的数量级非常小，在宏观世界被忽略不计）

1927年3月，海森堡发表了这一原理，被称作“UncertaintyPrinciple"，不确定性原理。在我中学的化学课上学到的是另一个译名“测不准原理”。当年接受这一概念时自然而然的想法是：这是因为我们的技术手段达不到。现在才意识到，不是技术手段问题，海森堡的公式在理论上宣告：同时精准测量是不可能的。

动量p和位置q像是不共戴天的仇敌，一个精准显现时另一个就凭空消失，或两者都以模糊不清的面目展现。很快，海森堡发现时间和能量的关系也遵守类似的不确定性规则：ΔE*Δt>h。这意味着，时间t越精确，能量E的波动范围就越大。时间间隔越短，t就越确定，E就越不确定，可能凭空出现的能量就越大，而质能本质上是相同的东西，“无中生有”不再是魔法，是被理论支持的物理现象。

闲聊：

从可以理解的“不能同时精准测量”逐步演变到“我们所处的宇宙来自于某一时刻的无中生有”，一系列严密的论证推导出一个让人觉得荒谬的结论。当我们理解不了时，也许会归罪于自己的脑子不够用，无法体会那些天才们的想法。当然，也不必过于自卑，爱因斯坦那超级大脑同样接受不了这个理论。作为将爱因斯坦奉作神明的普通人，与神站在一个战壕没什么可羞耻的。

随着爱因斯坦坚持的确定性、定域性（超光速信息传播不可能）被打破，我们的最佳选择也许是抛弃曾经的神明，投入另一阵营，毕竟我们没有坚守神明的信念并开拓一条路径继续战斗的能力。

当然，没有能力不妨碍我们幻想出一条路径。例如，保住确定性，上帝是个不错的选择。上帝之手拨弄这个世界，虽然给我们带来迷茫和恐慌，但终归有确定的因果关系。至于他老人家的行为是否出于随机、不确定的自由意识，还是先看到他老人家再讨教吧。科学的尽头是神学并非空谈，看我们坚定的抱有哪种信念。

也许，是我们将时间、空间、质量、能量这些概念全都定义错了。例如，我完全不知道时间和长度单位是怎样定义的。感觉上，时间单位就是光走过单位长度的时长，而长度单位是光在单位时长走过的长度，这似乎是一种循环定义。位置q是一个空间概念，动量p中包含速度因素，而速度又影响了时间和空间，这是相互关联的两个概念，作为对立双方来讨论是否有问题。

当然，这些都只是幻想。人类一思考上帝就发笑，我的这些思考大概对于物理学家连笑料都谈不上。