了不起的物理

72 量子力學的根基:不確定性原理

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不確定性原理,是量子力學中最基礎、最核心的一條原理。不確定性原理跟哥本哈根詮釋其實是一回事。

不確定性原理說,我們無法同時精確測量一個滿足量子力學規律的微觀粒子的位置和速度。當你把它的位置測量得很準的時候,就無法精確測量其速度,反之亦然。最早的時候,我們之所以用概率的語言和波函數去描述量子係統,是因為量子係統具有不確定性,完全不可精確預測一個原子裏電子圍繞原子核運動的軌跡。

即便如此,不確定性原理所表達的內容仍然令人十分費解。這些微觀粒子不就是體積很小的球嗎?怎麽會出現位置和速度無法同時確定的情況呢?任何一個宏觀物體都可以同時確定其速度和位置,為什麽到了微觀粒子就無法確定了呢?

理解這個問題的關鍵在於對微觀粒子的認知,我們認為:微觀粒子就是一個小到隻有千分之一納米的小球。問題就出在這個“是”字上,當我們說出“微觀粒子就是個小球”時,我們對於這個“是”字,是沒有經過檢驗的。

我們通過實驗,比如將電子打在鋪滿熒光粉的牆麵上,發現牆麵上電子的形象就是一個很小的點,於是默認電子必然是一個很小的球。但是將電子打在牆麵上是一個測量過程,這個測量過程告訴我們小球的位置信息。當測量電子的位置時,它的空間屬性是個小球。但測量速度時,我們無法確定在以一定速度運動的過程中,電子是否還是一個小球的形態。

如果拋開“電子是一個小球”的執念,我們就能更好地理解無法同時將兩個性質測準這件事。在宏觀世界裏,這樣的情況很普遍。比如,體能測試裏有兩個指標是測心肺功能的:一個是肺活量,另一個是激烈運動後的心率。很顯然,這兩個指標是無法同時測準的,肺活量必須在身體平靜的情況下測量,激烈運動後的心率必然是在激烈運動後,比如跑兩圈後再測量。因此,肺活量的測量和激烈運動後心率的測量是不兼容的,你不會覺得這有什麽難以理解的。