對“測不準(zhǔn)原理”的認(rèn)識及其啟示

唐欣蕓

摘要：1927年，海森堡提出來“測不準(zhǔn)原理”，這一理論的提出，在物理界和哲學(xué)界都引起了激烈的討論。本文以“測不準(zhǔn)原理”為切入點，對量子力學(xué)進(jìn)行思考并得出啟示，以此糾正人們對于量子力學(xué)的一些誤解。

關(guān)鍵詞：測不準(zhǔn)原理 認(rèn)識 啟示

中圖分類號：O413 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-5349（2018）12-0227-02

在20世紀(jì)的科學(xué)理論中，量子力學(xué)無疑是最偉大的。“測不準(zhǔn)原理”是量子力學(xué)中的一個極其重要的原理，它顛覆了以往經(jīng)典物理學(xué)的觀念，給了人類對于世界的全新思考。

一、“測不準(zhǔn)原理”的誕生路徑

“測不準(zhǔn)原理”的誕生，起源于對光的好奇和討論。17世紀(jì)，關(guān)于光有兩種假說，即微粒說和波動說。此后，對這兩種假說的討論持續(xù)不斷。1666年，牛頓最先用三棱鏡觀察到了光的色散，之后幾百年，微粒說在學(xué)術(shù)界成為主流。

1801年，托馬斯·楊雙縫干涉實驗的進(jìn)行，使光的波動性得到了證明。此后，菲涅耳通過數(shù)學(xué)計算，圓滿地解釋了光的衍射現(xiàn)象。事后，泊松懷著懷疑批判的態(tài)度研究菲涅耳論文時，證實了“泊松亮斑”的存在。光的波動性得到了充分證明。隨著赫茲證明電磁波的存在，光是一種波動性也得到了相應(yīng)的證明。

經(jīng)過一段時間的研究，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光打到金屬板上時，會反射出電子。愛因斯坦用“光量子”解釋了這種光電效應(yīng)，證明了光不再是一種波。此時，無論是微粒說還是波動說，都擁有了確鑿的證據(jù)。科學(xué)家們便開始研究原子——構(gòu)成物質(zhì)的基本微粒。

玻爾以盧瑟福原子模型為基礎(chǔ)，提出了電子在原子核外的量子化軌道，即電子繞核作圓周運(yùn)動是遵循一定的軌道的，當(dāng)它吸收或釋放了一些能量時，可以從原本的軌道躍到另一條軌道上。德國物理學(xué)家海森堡在1925年用一個不遵守乘法交換律的矩陣方程p*q≠q*p算出了量子化原子的輻射頻率和能級。但就連海森堡也無法解釋他所提出的矩陣是什么。1926年，薛定諤提出了量子力學(xué)的波動方程，用來描述微觀粒子的運(yùn)動狀態(tài)。波恩在此方程的基礎(chǔ)上，將波動方程解釋為一種概率，即點出現(xiàn)在某個地點是由于概率決定的。

海森堡沿著波恩的思路，想明白了他之前所提出的矩陣方程p*q≠q*p，方程的含義是想同時測出p和q是不可能的。

二、對“測不準(zhǔn)原理”的認(rèn)識

1927年，海森堡在《關(guān)于量子論的運(yùn)動學(xué)和力學(xué)的直覺內(nèi)容》一文中提出了“測不準(zhǔn)原理”。從此，量子理論的概論特征有了規(guī)律性，不再是猜想和假設(shè)。

粒子是一種自由運(yùn)動的最小物質(zhì)。物體的波長與動量息息相關(guān)，粒子的動量（p）等于速度（v）和質(zhì)量（m）的乘積，動量越大，波長越長。“測不準(zhǔn)原理”存在的前提是微粒可以同時表現(xiàn)為波和粒子兩種形態(tài)。傳統(tǒng)力學(xué)認(rèn)為，物質(zhì)的位置和動量可以同時被測準(zhǔn)，并且物質(zhì)所在的位置和狀態(tài)是確定的，同一個時刻，要么在這，要么在那。然而“測不準(zhǔn)原理”則表明位置和動量不能同時被測準(zhǔn)，位置測量得越精準(zhǔn)，動量就越不準(zhǔn)確。粒子在同一時刻既可以在這里也可以在那里，它們可以以一定幾率處于同一狀態(tài)或位置的疊加中。

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于，我們利用光子去測量一個電子的位置和動量，光子在測量電子的過程中，會和所測量的電子發(fā)生相互作用。電子吸收光子的能量，這樣測出的量子的動量就跟電子本身的動量不一樣了。因此，科學(xué)家們盡量減少光子所攜帶的能量，光子的能量減少，光子的波長便增加，光子往返的時間周期也因此增加。但電子是不斷作高速運(yùn)動的粒子，所測電子所在的位置，在光波把信息傳回來的時候已經(jīng)發(fā)生了改變。因此，我們在準(zhǔn)確測量電子能量的時候，電子的位置又不能被測準(zhǔn)了。

三、“測不準(zhǔn)原理”的啟示

1.不相容的狀態(tài)可能同時存在

量子力學(xué)的因果關(guān)系可能存在一定的模糊性，但是這并不代表這是錯的。在量子疊加態(tài)中，量子物體可以同時處于在經(jīng)典力學(xué)中不相容的狀態(tài)。這就好比“薛定諤的貓”，盒子里的結(jié)果只有兩個，貓沒被毒死和貓被毒死。而在量子力學(xué)中，在沒揭開盒子的蓋子的時候，貓?zhí)幱谏蜡B加的狀態(tài)。貓的生死只有在打開盒子后，觀測者在觀測時，物質(zhì)以粒子形式表現(xiàn)后才能確定。因此，在物理系統(tǒng)中，很可能不存在明確的定義和分界。在未被觀測的時候，粒子也許不在一個確定的空間、一個確定的軌道甚至不具有一個時間和空間的概念，因為它們處于幾種不相容狀態(tài)的疊加。量子力學(xué)對微觀粒子世界具有超乎人類常理的理解。

2.量子力學(xué)不是唯心的理論

由于量子力學(xué)的測量結(jié)果很多都與經(jīng)典力學(xué)相矛盾，人們認(rèn)為這不是粒子本身具有的客觀狀態(tài)所測得的結(jié)果，不能反映粒子客觀的真實面目。因此很多人認(rèn)為，量子力學(xué)是唯心的理論。“薛定諤的貓”是個很好的例子，很多人認(rèn)為，貓的死活是人在打開盒子的瞬間才決定的，因此也可認(rèn)為是人決定著貓的死活。

然而，列寧說過：“物質(zhì)的唯一‘特性就是：它是客觀實在的，它存在于我們的儀式之外。哲學(xué)唯物主義是同承認(rèn)這個特性分不開的。”[1]量子力學(xué)中的微觀粒子和宏觀物質(zhì)確實不同，對其測量時需要用到光子，而光子具有波粒二象性這一客觀存在的特征。在實驗過程中，人們也不可避免地會產(chǎn)生實驗儀器與粒子之間不可忽視的作用。因此，呈現(xiàn)的觀測結(jié)果其實也不是粒子的客觀狀態(tài)。而在經(jīng)典力學(xué)中，儀器與組織之間的影響很微小，可以不去計算。因此可以說，在經(jīng)典力學(xué)中，物體的客觀性在可把握的范圍內(nèi)。

對于微觀領(lǐng)域，人類了解微觀粒子的途徑只有通過儀器。而儀器對于粒子的影響又是不可避免的，若要消除儀器對粒子的影響，則粒子給人類呈現(xiàn)的現(xiàn)象便不能被觀測到。因此，我們所觀測到的現(xiàn)象與粒子的客觀狀態(tài)便略有不同了。

3.量子力學(xué)沒有否認(rèn)世界的可知性

由于微觀粒子所測得的一些結(jié)果會與客體真實的結(jié)果存在一定的偏差，所以有人認(rèn)為對量子力學(xué)的測量不是反映物質(zhì)本身，而僅僅是一種實驗的現(xiàn)象，他們把量子力學(xué)解釋為對康德“自由意志”的一種演變，認(rèn)為微觀世界的粒子就像上帝或者靈魂一樣，是自由運(yùn)動的，不具有客觀實在性，我們所認(rèn)識的一切都是“物質(zhì)體”作用于我們主觀的一種表象，我們只能認(rèn)識“現(xiàn)象”，對于“物質(zhì)體”是什么，我們無法知道。

海森堡反駁道：“量子論并不包含真正的主觀特征，它并不引進(jìn)物理學(xué)家的精神作為原子事件的一部分。”[2]海森堡的話表明，微觀粒子也是客觀的，不以我們的意志為轉(zhuǎn)移。

人們看到的與客體存在一定偏差的結(jié)論一是因為量子力學(xué)本身由于光電子的波粒二象性這一客觀存在的特征，二是因為儀器的干擾。然而，就目前的技術(shù)，在微觀世界，想要百分之百地排除儀器對微觀粒子的影響，是不太可能的。海森堡也說：“對于物質(zhì)的這些不可再分的構(gòu)造物，也就是對于我們所知道的那些最輕的物體，任何一種照射，或者是一種觀察行動，都表示一種重要的干擾，都足以使被觀察物體的行為發(fā)生決定性的變化。”[3]因此，人們的工作就是盡可能地減少儀器對粒子的影響。

“測不準(zhǔn)原理”告訴我們，物質(zhì)的位置和動量，不能同時被測準(zhǔn)。但這也不意味著人類對世界探索就此終結(jié)，對此，科學(xué)家給出了對于這個問題的解決方法：“人們一旦精確地知道了微觀體系在座標(biāo)空間分布的波函數(shù)，那么就能通過傅立葉變換而唯一地確定微觀體系在動量空間分布的波函數(shù)。這兩種波函數(shù)均滿足薛定愕方程，并且是相互等價的完備描述”。[4]因此，也可得出，對于粒子狀態(tài)的不確定，并不是人類探索微觀世界的障礙。

同時，對于不可知論的一個很好的反駁就是人類對微觀粒子的研究成果和量子力學(xué)本身的發(fā)展。因此，戰(zhàn)勝不可知論的辦法就是科技的不斷發(fā)展以及科學(xué)家的不斷實踐和研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]列寧選集（第二卷）[M].北京：人民出版社，1960.

[2]海森堡.物理學(xué)與哲學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，1974.

[3]海森堡.嚴(yán)密自然科學(xué)基礎(chǔ)近年來的變化 [M].上海：上海譯文出版社，1978.

[4]何柞麻.評量子力學(xué)的“性質(zhì)觀”與“實在觀”[J].哲學(xué)研究，1990（2）.

責(zé)任編輯：孫瑤