量子物理與哲學的第一個碰撞點——不確定性原理

「測不準原理不是關於測量極限的描述，而是關於現實極限的聲明。問一個粒子的精確位置和動量甚至沒有意義，因為這些量不存在。」

——查德·奧澤爾《如何跟你的狗聊量子物理》

在讀《如何跟你的狗聊量子物理》一書以前，我從未相信，物理學也可以極具詩意和哲學的美感。

拋開繁瑣的公式和枯燥的理論，量子世界對每一個普通人敞開了大門。

與經典物理不同的是，量子物理描述了一個超越了我們日常所見、顛覆了我們常識的世界。正因如此，很多人都對此望而卻步。

量子物理是微觀尺度下的科學，也是生活日常瑣碎中的真相。

讓我們從一個最基礎的原理開始，來欣賞這個肉眼無法看見的世界，了解這個宇宙的構建法則。

海森堡測不準原理（不確定性原理）是少數幾個可以從量子領域拓展到普羅大眾文化領域的物理學原理之一。原理指出，你無法同時確定一個物體的精確位置和它的精確速率。很多領域引用這條原理作為一種比喻，從文學批評到體育評論都有。測不準原理經常被認為是測量行為導致的，測量物體的位置會改變它的速率，反之亦然。但真正的原因更加深澳，也更有趣。

之所以會有測不準原理，是因為宇宙中所有的物體都兼具「粒子」和「波」兩種性質。

在量子力學中，一個物體的確切位置和確切速度是沒有意義的。要理解這一點，我們需要明白「粒子」和「波」的性質。粒子可在某一時間存在於特定位置，我們可以用圖表來表示在粒子出現不同位置的概率，圖標的形狀像釘子，在一個特定位置，例子出現的概率是百分之百，其他的地方都是零。而「波」是「擾動」在空間中擴散的現象，就像水面上的漣漪，我們可以將「波」的各種性質看作一個整體，其中最重要的是波長，它是兩個響鈴的波峰活波谷之間的距離，但我們無法確認波的具體位置，它可能出現在各種不同的地方。

「波長」是量子物理中非常重要的一個概念，因為一個物體的波長與它的動量，即質量與速度的乘積有關。一個快速運動的物體的動量很大，而對應的波長很短；一個重物即使速度不快，動量也很大，也就意味著它的波長很短，這就是我們在日常生活中察覺不到物體的波動性的原因。如果你丟出一個棒球，它的波長只有1米的1/1033，根本檢測不到。但很小的粒子，如原子或電子，波長可以大到在物理實驗室中被檢測出來。所以如果我們有一個純波，就可以測量它的波長，進而得到它的動量，但無法測出它的位置。另一方面，我們很容易得到一個粒子的位置，但它沒有波長，所以我們計算不出它的動量。

要同時得到一個粒子的位置和動量，我們需要把兩個圖象結合起來，做出一個在很小區域內有波的圖像。如何實現這一點呢？方法是疊加多個波長不同的波，也就是賦予物體不同的動量。

當我們把兩個波疊加，會發現有些地方的波峰對齊，形成了更大的波峰；

另一些位置的波峰與波谷對齊而相互抵消。結果是，有些位置我們看得到波，有些位置什麼都沒有。

如果加入第三個波，波被抵消的區域會增大，再加一個，抵消區域更大，有波的區域更小。持續疊加波，就可以得到一個波包，在一個很小的區域內有確定的波長，這便是一個兼有「波」和「粒子」的性質的物體。

但要做到這一點，我們不得不失去位置和動量的準確性，這個物體並不局限於某個位置，在波包的範圍內都可能發現它。我們通過疊加很多波來得到波包，因此有可能找到與其中某個波相對應的動量，而此時位置和動量都是不確定的，且這些不確定因素之間存在聯繫。

如果你想通過製造更小的波包來減少位置的不確定性，就需要疊加更多的波，波數增加使動量更不確定。如果你想得到更準確的動量，就需要更大的波包，位置的不確定性就更大。這就是海森堡測不準原理。

這一原理最初在1927年由德國物理學家維爾納·海森堡提出。

這種不確定性與測量的好壞無關，而是「粒子」和「波」兩種性質相結合的必然結果。測不準原理不僅僅使測量中的實際限制，還限制了物體只能表現出一種性質（「粒子」或「波」）。它是構建宇宙基本結構的原理之一。

「我讀過很多量子物理的書，沒有一本像這本這樣通俗易懂。」——讀者

今天，誰掌握了量子科技，就掌握了新一輪科技革命和產業革命的關鍵核心技術。《如何跟你的狗聊量子物理》是一本你真正能讀懂的量子物理入門書。

讓我們拋開對無知的恐懼，了解科技新動態，構建量子思維，主控未來。

---

​公眾號名稱：北京市科學技術研究院

微信號：bjast-wx

歡迎大家關注我們！