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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