纵览网丨海森堡不确定性原理：重塑微观世界的认知

请你想象这样一个场景：你正在高速公路上以适宜的速度行驶，享受着愉快地驾驶和宜人的景色，突然你看到后视镜里闪烁着红蓝的双色灯光，一辆警车正跟在你后面，你靠边停车警察走了过来说你超速行驶。

警察可以通过仪器很轻易地测得你的行驶速度和你当前所处的位置，这是因为宏观物体的速度和位置的不确定性非常小，小到我们无法发现。

但是在原子尺度的粒子世界里。当你测量一个粒子的位置时，比如一个电子，我们无法同时测得这个电子的位置和动量（类似速度），当我们测量出电子的准确位置时，它的动量会变得极其不稳定，反之亦然，这就是量子力学的基本原理之一：不确定性原理。

不确定性原理的发现要从1926年说起，维尔纳·卡尔·海森堡是德国物理学家，量子力学的主要创始人，哥本哈根学派的代表人物，1932年诺贝尔物理学奖获得者。

量子力学是整个科学史上最重要的成就之一，他的《量子论的物理学基础》是量子力学领域的一部经典著作。鉴于他的重要影响，在美国学者麦克·哈特所著的《影响人类历史进程的100名人排行榜》，海森堡名列第43位。

海森堡在柏林大学就自己的矩阵力学做了一次演讲。演讲结束后，他和爱因斯坦进行了一次长达数小时的谈话，在谈话中爱因斯坦并不同意海森堡所说的，应该以可观测的量来建立科学理论，而这正是海森堡矩阵力学的基本假设。

爱因斯坦进一步提出“是理论决定了我们能看到什么”，比如原子中电子的轨道是现有的理论决定了我们看不到他，但电子的轨道可能是客观存在的事实，两人谁也没说服谁，但是海森堡依然把“是理论决定了我们能看到什么”这句话记得清清楚楚，他隐约觉得这句话多少有点道理。

当时海森堡的心情非常低落，因为自从薛定谔提出了波动力学后，他的矩阵力学就受到冷落，究其原因是薛定谔的波动力学能给物理学家们提供原子内部形象的运转图景，抛弃了矩阵力学中抽象冷冰冰的量子跃迁。

更为重要的是，威尔逊云室中的电子显示出了一条精确可见的迹径。按照海森堡的矩阵力学，威尔士云室中的迹径是电子留下的，这体现了电子的粒子性。但是矩阵力学认为，这个世界是间断性的，电子应该留下一个断断续续而非连续的迹径。

时间来到1927年2月，整日在海森堡眼前纠缠的波尔去挪威滑雪胜地度假了，波尔走之后海森堡倍感轻松，因为他再也不用整天被波尔纠缠着讨论波动的相关问题，因为一提起波动他就想起薛定谔。

有一天海森堡想起来爱因斯坦的那句话“是理论决定了我们能看到什么”，他灵光一动“是理论决定了我们看不到什么”，他的矩阵力学决定了我们看不到粒子的完整路径，我们之所以能在云室中看到粒子完整的路径，是因为云室中凝结的水珠要比电子大很多，如果把云室中的路径放大来看，就会发现电子的路径其实是间断的而非连续的。

海森堡通过进一步计算，发现我们测量电子的位置和动量误差乘积大于等于一个常数，也就是说理论决定了我们不能同时获得电子准确的位置和动量，当我们对电子的位置获得的越准确，那么它的动量就会变得越不准确，反之亦然，这就是测不准原理。

海森堡假设了一个思想实验，比如我们要知道一个电子的位置就必须去测，但由于电子很小，想要获取电子的准确位置，必须要用波长更短的伽玛射线显微镜去观察它。但是波长更短意味着携带的能量更大，这样当伽玛射线撞到电子后，会导致电子的动能出现非常大的不确定性，反之要测量电子的准确动量就需要波长较长的光子照着它，以避免光子的能量扰动电子的动量。但如果是这样，我们就无法确定电子的准确位置。

1927年3月9日海森堡把测不准原理写成了一篇论文，在发表前将论文邮寄了一份给波尔，但是波尔在返回哥本哈根的时候，却告诉海森堡这篇论文里有错误的地方。

因为波尔在度假期间解决了长久以来困扰物理学家的另一个问题，微观粒子为什么既可以是波又可以是粒子，提出了他的互补原理，从理论上调和了波粒之间的矛盾。玻尔的互补原理首先来自对波粒二象性的看法。波和粒子在同一时刻是互斥的，但它们在更高层次上统一。

光和粒子都有波粒二象性，而波动性与粒子性又不会在同一次测量中出现，那么，二者在描述微观粒子时就是互斥的；另一方面，二者不同时出现就说明二者不会在实验中直接冲突。同时二者在描述微观现象，解释实验时又是缺一不可的。因此二者是“互补的”，或者”并协的”。

玻尔的原话是：“一些经典概念的应用不可避免的排除另一些经典概念的应用，而这‘另一些经典概念’在另一条件下又是描述现象不可或缺的；必须而且只需将所有这些既互斥又互补的概念汇集在一起，才能而且定能形成对现象的详尽无遗的描述。”

如果说海森堡的不确定关系从数学上表达了物质的波粒二象性。那么互补原理则从哲学高度概括了波粒二象性。而互补原理与不确定关系正是量子力学哥本哈根解释的两大支柱。