飞行的大象与海森堡的“不确定性原理”

To be, or not to be，that is the question.

速度？位置？这又是个问题！

飞行的大象与海森堡的“不确定性原理”

一头大象在空中高速飞行，我们想测量一下它的飞行速度和飞到哪了（位置），这简单，我们派出一只蚊子来完成测量，在蚊子身上安装仪器即可。蚊子迎面撞上大象，由于蚊子体重轻，速度慢，干扰忽略不计，大象依然高速飞，我们精准的测量了大象飞行的速度，可是但可是，可但是，大象的位置在哪呢？位置定不下来呀!

好吧，我们要确定大象的位置，我们派出一只同样高速飞行的老虎，迎面“咣当”撞上，飞行的大象慢下来，好，我们较精准地测量了大象此时的位置，别高兴，大象此时的速度呢？老虎体重大、速度大，对飞行的大象干扰就大，大象的速度改变就大!我的天哪。

如何能准确测量一个微观粒子的速度与位置？

借用一句歌词：我该如何面对？

飞行的大象与海森堡的“不确定性原理”

                  海森堡（1901-1976）

为了解决这个问题，1927年，哥本哈根派急先锋德国物理学家海森堡，通过对电子行为的测量提出量子“不确定性原理”。

海森堡发现，如果我们越是要对电子的位置进行精确测量，那么电子的速度就越无法测量。大家都知道，我们要感知一样物体，必须得让光子照射到物体上，进而通过光子的反射来感知它。在宏观世界，因为宏观物体的质量很大，光子照射到物体上对其造成的偏差只有一个原子核直径亿万分之一的大小，即可忽略不计。但是，在对电子这类极小质量的微观粒子测量时，射到微观粒子上的光子会与其发生碰撞，扰动这个被测量的粒子，以一种不能预见的方式改变粒子的速度。并且位置测量得越准确，所需光子的波长就要越短，用于测量的光子的能量就越大，这样被测量的粒子的速度（动量）就被扰动得越厉害。

飞行的大象与海森堡的“不确定性原理”

即你对粒子的位置测量得越准确，速度的测量就越不准确，反之亦然。难道这种测不准只是测量工具的不足造成的吗?海森堡进一步研究推导发现，微观微粒的位置和动量确实符合公式定律: Δx·Δp≥h（位置不确定Δx乘以动量不确定Δp必然大于或等于普朗克常数）

飞行的大象与海森堡的“不确定性原理”

既然符合公式定律，这就表明量子的“不确定性”应是微观粒子一种根本属性，而不是观测造成的。

电子的不确定性背后到底蕴藏着怎样的宇宙玄机呢？

当时的物理学家都在苦苦探寻，哥本哈根派另一员大将波恩对不确定性给出了更玄妙的解释——概率说。

谈到概率，我们先说一个大名鼎鼎的方程——薛定谔波动方程，它在量子力学中的地位相当于牛顿定律对于经典力学一样，薛定谔波动方程构造一个新函数Ψ（普赛）来描述微观粒子的状态随时间变化的规律。薛定谔自己认为，Ψ是电子在空间中的实际分布。波恩对薛定谔波函数Ψ却提出了一个诡异的解释：骰子——一种随机的概率。用概率来描述电子在原子核外空间某处出现机会的大小，说白了电子就是概率波。

当我们闭上眼睛不去看这个电子时，它像一个幽灵一般按照波函数向四周散发开去，没有实体，游游荡荡，这个时候，与其说它是一个电子，不如说它是一个鬼魂，一团混沌，一幅浸润开来的水彩画，一朵概率云……不管你怎么形容都好，反正它不是一个实体。电子的概率波正如水波、光波一样，可以进行干涉和叠加，所以，在电子双缝干涉实验中，我们才会看见像光波一样的电子干涉条纹。

飞行的大象与海森堡的“不确定性原理”

但是，当你一观测，奇妙的事情就发生了！根据海森堡提出的速度与位置的不确定性关系式，当你想准确测量位置时，速度就会有巨大起伏，就像钱塘江大潮撞击到堤岸的瞬间，位置确定了，波没了，巨大的动能传递转化。

我们一测量，原本电子那散发开去的波函数就会在瞬间“坍缩”，它重新变成了一个实实在在的粒子，随机地出现在某处。飞快转动处于1-6的叠加态的“骰子”，瞬间才“坍缩”成一个具体的数字。

冲虚道长的万朵剑花，被令狐冲挥剑一挡（测量），霎时“坍缩”成一柄实剑；孙悟空一棒下去，化为一缕清风的妖怪重新凝聚成了一堆白骨，除了一个鲜活的粒子，一切的概率波，一切的不确定性都消失了，电子又成了大家所熟悉的经典粒子。惊不惊喜？意不意外？

飞行的大象与海森堡的“不确定性原理”

万古长青，一朝风月。

清风明月本无价，近水远山皆有情。

1932年海森堡因对量子力学的贡献而被授予诺贝尔物理学奖，从此他封神现代物理学史话。波恩因对量子力学中波函数的统计学诠释，获得1954年的诺贝尔物理学奖。

不确定性体现的是粒子的量子态叠加，它是量子的重要性质，在今天的量子通讯、量子计算机中被广泛地应用。后文我们还能再表。

总之在一切貌似喜大普奔之时，1927年，王者爱因斯坦亮出了观点——上帝不掷骰子!

飞行的大象与海森堡的“不确定性原理”