1924 年,玻爾在丹麥的研究所迎來了一位23歲的小伙,在 3 年多的時間里,玻爾與他結(jié)下了深厚的友情。回到德國后,這位小伙提出了一個極為深刻的洞見:人類無論用什么樣的方法,永遠(yuǎn)也不可能消除測量的誤差。這位年輕人就是海森堡。
過去的科學(xué)家們總認(rèn)為,只要我們的測量工具足夠好,就能把目標(biāo)對象測量得要多精確有多精確。但海森堡卻說:對不起了,我們永遠(yuǎn)也不可能同時把電子的運(yùn)動速度和準(zhǔn)確位置給測量出來。
為什么呢?因為我們的測量行為本身一定會干擾電子的運(yùn)動。任何測量行為,從本質(zhì)上來說,都是觀察從物體上反射回來的光。比如我們用眼睛看任何物體,真正看到的實際上是物體反射回來的光而已。所有被測量的物體一定需要被光照到才行。
既然光是由一顆顆的光子組成的,那么這些光子就像一顆顆的子彈,用它們?nèi)フ丈潆娮樱秃孟裼米訌椚ゴ驌袅硪活w子彈,在被光子擊中的那一瞬間,電子的運(yùn)動狀態(tài)就必然改變了。
我們想要測量一個電子的速度,那必然要測量電子在運(yùn)動路線上的兩個點(diǎn)的位置。現(xiàn)在好了,只要你測量了任何一個點(diǎn)的位置,電子的運(yùn)動狀態(tài)就被破壞了,電子到達(dá)另一個點(diǎn)的時間也就與原先不同了。所以,想要同時測準(zhǔn)位置和速度,從理論上來說是完全沒有可能的。
海森堡把他的這個洞見稱為“測不準(zhǔn)原理”,論文一出,就引起了學(xué)術(shù)界很大的反響。
遠(yuǎn)在丹麥的玻爾也看到了海森堡的論文,他細(xì)細(xì)一琢磨,不得了!一個困擾了他多年的問題突然想通了,而且還提出了一個大膽十倍的想法。
玻爾認(rèn)為,電子的速度和位置無法同時測準(zhǔn)這沒有錯,但原因不是因為測量行為干擾了電子的運(yùn)動,而是電子根本就不存在準(zhǔn)確的速度和位置的概念!薛定諤是對的,但也只對了一半,電子也像光子一樣,既是粒子又是波。當(dāng)你測量電子的時候,它就表現(xiàn)為一個粒子,而當(dāng)你不測量它時,它就是波。
玻爾終于想通了為什么電子在軌道上繞著原子核轉(zhuǎn)卻不發(fā)出電磁波。原因很簡單,電子根本就不是繞著軌道轉(zhuǎn),而是以波的形式彌漫在整個軌道上。
玻爾認(rèn)為,實際上,在我們不測量電子的時候,電子沒有實體的形狀,它是一種波,就好像是涂在面包上的黃油,它彌漫在整條路上,有些地方厚一些,有些地方薄一些;厚的地方表示被測量到的概率大一些,薄的地方表示被測量到的概率小一些。但是,黃油的厚和薄又不是固定不變的,而是隨著時間的演化呈現(xiàn)出周期性的變化,波的本質(zhì)不就是一種周期性的變化嗎?
如果用打地鼠的游戲來比喻,那就是:我們的測量行為,就像一錘子打下去,有時候什么也打不到,有時候會瞬間讓彌漫在整條路上的電子波收縮為一個點(diǎn),看上去就好像打到了地鼠,實際上地鼠本身就是因為錘子而形成的。決定錘子是否能打到地鼠的是命中概率,哪怕是上帝也無法確保一錘子下去必定能打到地鼠。
總之,核心思想就是,只要我們不去測量電子,它的狀態(tài)就永遠(yuǎn)處在不確定中,沒有確定的位置,也沒有確定的速度。任何測量行為,只能讓我們知其一,不可能兩個都知道。這就是量子力學(xué)的第一原理:不確定性原理。
不確定性原理一提出來啊,立即就遭到了無數(shù)的質(zhì)疑。對于當(dāng)時的大多數(shù)物理學(xué)家們來說,這簡直是大逆不道。然而,正是這種“大逆不道”的理論,在后來逐漸得到了實證的支持,成為了量子力學(xué)的重要基石之一。
本文為科普中國·創(chuàng)作培育計劃扶持作品
作者:科學(xué)聲音
審核:北交大物理實驗室高級工程師 周曉亮
出品:中國科協(xié)科普部
監(jiān)制:中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司
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