鬼魅般的超距作用——揭開海森堡「測不準原理」的神秘面紗

量子力學的靈魂

海森堡測不準原理是量子世界的救世主。如果不是在量子力學中，量子力學在它開始之前就已經崩潰了。

根據海森堡說法，你不可能同時知道一個粒子的位置和它的速度，粒子位置的不確定性，必然大於或等於普朗克常數除以4π（ΔxΔp≥h/4π）。它表明，如果我們知道粒子的速度，我們就無法確定它的位置，如果我們知道它的位置，我們就無法知道它的速度。它在現實世界中還沒有證據，但它或多或少有點像量子世界的靈魂。儘管量子力學和相對論是現代科學的基礎，但這兩個理論是物理學的兩個極端。它們不能同時滿足同一種現象。

量子糾纏量子糾纏是量子力學的理論之一。它說，如果兩個粒子糾纏在一起，那麼無論它們在宇宙中有多遠，你都可以通過觀察其中一個粒子來預測另一個的行為。我們假設一個朋友總是隨機穿一隻紅襪子和一隻綠襪子。你檢查一條腿，那條腿上有一隻紅襪子。然後你知道（比光速還快），另一隻襪子是綠色的，」他解釋道。

阿爾伯特·愛因斯坦嘲笑這種效應為「鬼魅般的超距作用」，並且不同意量子力學，因為信息的傳播速度比光速還快，這與相對論第二定律相悖——在真空中，沒有任何東西的傳播速度能超過光速。那麼，愛因斯坦錯了嗎？信息傳播的速度比光速快嗎？從上面的例子中，你可能認為這兩個問題的答案都是「是」，但是這些信息是無用的，因為這些信息是隨機的。信息實際上比光速還快，但這些信息毫無用處。不可能通過這種方法發送包含非隨機信息的信號。

雙縫幹涉實驗

光子的概念，由馬克斯·普朗克用來表示物質和電磁輻射之間的熱平衡，後來被愛因斯坦用來描述光電效應，產生了粒子的對偶性理論。

術語「二象性」指的是粒子的狀態，粒子同時表現出雙重性：粒子性和波性。這種效應表現在每個粒子上，只能在微觀或量子層面上觀察到，而不能在宏觀層面上觀察到。理察·費曼在一項實驗中展示了這種量子行為，實驗對象是更常見的粒子，比如子彈和波。在熟悉了子彈或粒子實驗與波實驗結果的區別後，他拿電子來說明電子同時表現為波和粒子。

1999年，一組奧地利物理學家用巴克球(由60個碳原子組成的分子)做了同樣的實驗。在《偉大的設計》一書中，史蒂芬·霍金通過一個類似於費曼子彈實驗的思維實驗來談論這個實驗。史蒂芬·霍金在他的實驗中，把足球看作電子來顯示電子的量子行為。

雙縫實驗包含了量子力學的所有奧秘——理察·費曼

這是實驗：電子槍在較大的角度距離內隨機發射電子。在槍的前面，有一堵牆，裡面有兩個孔或狹縫（小得只能通過一個電子）。在這堵牆的後面，還有另一堵牆，稱為屏幕，帶有蜂鳴器。每當電子撞擊屏幕時，蜂鳴器都會發出聲音。現在，當其中一個狹縫打開時，電子僅穿過一個狹縫並撞擊屏幕。當在縫隙1或縫隙2打開時擊中屏幕的概率與屏幕的距離之間繪製了一條圖。

圖1

圖2

圖1：當其中一個狹縫打開時。圖2：當兩個狹縫都打開時當兩個狹縫都打開時（圖2），看起來電子可以通過從狹縫1或狹縫2進入而撞擊屏幕。可以理解的是，打開第二個狹縫會增加電子的數量，從而增加電子的概率撞擊屏幕，但是當在兩個縫隙都打開時擊中屏幕的概率與沿著屏幕的距離之間繪製了一個圖時，在某些區域我們得到的電子數量更高（或者比前一種情況更高的概率），但是在其他區域，我們得到的電子數量更少。在某些區域，電子撞擊屏幕的可能性為零。這是相當令人生畏的。在上面所示的圖2中，曲線與水平軸的接觸點為零概率點。

費曼水波狹縫實驗。資料來源：費曼物理講座第1卷費曼的解釋

實際上，費曼寫道：「雙縫實驗包含了量子力學的所有奧秘。」 可以看到，當兩個縫隙都打開時，我們得到的圖案類似於用波浪（如上所示）代替粒子時的圖形。由此得出結論，電子也會產生幹擾並表現為波。當兩個縫隙都打開時，會出現零概率區域（相消幹涉）。這意味著如果只打開一個狹縫，而在兩個狹縫都打開時不會碰到同一區域，則這些電子將在零概率區域中擊中屏幕，但這又產生了另一個問題：電子槍一次發射一個電子，因此電子如何知道打開了多少個縫？似乎粒子（電子）在從源到屏幕的過程中的某個地方獲取了有關兩個狹縫的信息。

許多物理學家給出了許多可能的解釋來解釋這種量子行為。費曼說，電子會選擇連接這兩點的所有可能的路徑。從源到屏幕，電子可以走一條直線，也可以走一條通往火星的路，然後再回到地球，撞擊屏幕。它看起來像科幻電影，但它不是。

根據他的說法，當兩個狹縫都打開時，電子通過狹縫1，並幹擾它通過狹縫2的路徑，從而引起幹擾。我對這個現象有不同的理解：當兩個狹縫都打開時，電子分成兩半，兩半通過各自的狹縫，互相干擾(幹擾本身不會產生任何影響)。只有一條縫是開著的，它不會裂成兩半。現在，同樣的問題出現了：電子是如何知道狹縫的？答案很簡單，但耐人尋味。這是因為電子位置的不確定性。它可以在到達狹縫之前獲取有關狹縫的信息。

考慮到電子即將進入狹縫1，但由於其位置的不確定性，它可能在狹縫附近的任何地方。例如，電子可能在狹縫後面，或者它可能以一定的速度穿過狹縫，或者它可能即將進入狹縫。所以，在電子到達狹縫1之前，它可以得到有關狹縫的信息，並據此行動。

圖3

需要測不準原理

你可能會想，我們應該製造一種設備，它可以在電子通過特定狹縫時標記出狹縫，然後我們可以說，電子通過狹縫1或狹縫2。費曼指出了這樣一種裝置。我們可以把燈放在狹縫附近，這樣，當聽到蜂鳴器的聲音時，我們可以看到在狹縫1或狹縫2附近有閃光。但是當費曼製作這樣一個儀器時，它改變了結果，他得到了一個不同的圖(圖3)，沒有幹涉模式。就像觀察電子改變它的行為一樣。

實際上，從光源發出的光子擊中電子並散射。這個光子給了電子一個脈衝，這個脈衝改變了電子的路徑，使得在沒有光源的情況下，電子沒有撞擊到它應該撞擊的區域，因此，它沒有表現出幹涉圖樣。現在，為了減小光子給電子的衝量，光子的動量應該減小。

當波長大於狹縫的間距時，脈衝減小，得到的圖與不使用光時的圖相似(圖2)。但是通過減小動量或者增加波長，當光從電子上散射時，閃光就會變得很模糊，而且很難分辨出閃光是從哪條縫來的。

因此，該實驗得出的結論是，如果我們嘗試在不影響結果的情況下降低p（或增加λ），則x（位置）會增加，反之亦然。這意味著，如果我們成功地確定了微觀粒子（如電子）的位置，那麼我們將無法判斷粒子的運行速度或速度（速度或動量Δp的不確定性）或我們是否成功地測量了其速度那麼我們將無法找到其在空間中的位置（位置Δx的不確定性）。我們不能同時確定這兩件事。因此，很難構建一種可以定位電子而不幹擾結果的裝置。

幸運的是，量子力學定律並不適用於宏觀物體(如足球)，否則我們踢球時就會看到足球以之字形運動。但這些定律成功地解釋了其他定律無法解釋的現象，如光電效應。為了拯救量子力學的存在並解釋這一荒謬，海森堡提出使這些定律一致應該有一定的限制，並給出了測不準原理。由於量子力學是一個強大的理論，在許多即將到來的技術中，如量子計算，我們需要不確定性原理來理解原子和亞原子粒子的量子行為。

我們不是亞原子粒子！

海森堡的不確定性原理適用於每個粒子，但是由於λ很大，因此位置的不確定性很小，因此無法在宏觀水平上觀察到。在電視劇集《天才》中，阿爾伯特·愛因斯坦和尼爾斯·玻爾互相討論了量子力學在行走過程中的證明。有一刻，當他們過馬路時，愛因斯坦故意將自己扔向汽車，但玻爾在汽車撞到他之前將他拉回去。當玻爾要求他從下次開始要更加小心時，艾伯特歇斯底裡地笑了笑，說：「我為什麼要？我們為什麼要這樣？根據您的說法，如果那輛汽車是微粒，但我們沒有看到它，那它根本就不會在那裡。我們將絕對安全」。為了保護自己，玻爾回答說：「該原理僅適用於亞原子粒子，而汽車不是亞原子粒子」。總之，海森堡的不確定性原理可能會在將來挽救量子力學的危險存在，但並不能挽救您的賽車安全，所以請小心！