關(guān)鍵詞：不確定性原理 ?愛(ài)因斯坦光箱實(shí)驗(yàn) 共軛量 ?紅移效應(yīng)
共計(jì)：2091字，建議閱讀5分鐘
海森堡（Werner Heisenberg，1901年－1976年）是哥本哈根派的代表人物之一，德國(guó)著名物理學(xué)家。他于20世紀(jì)20年代創(chuàng)立的量子力學(xué)，可用于研究電子、質(zhì)子、中子以及原子和分子內(nèi)部的其它粒子的運(yùn)動(dòng)，從而引發(fā)了物理界的巨大變化，開(kāi)辟了20世紀(jì)物理時(shí)代的新紀(jì)元。為此，1932年，他獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)，成為繼愛(ài)因斯坦和波爾之后的世界級(jí)的偉大科學(xué)家。
什么是不確定性原理？（Uncertainty principle）這個(gè)理論是說(shuō)你不可能同時(shí)知道一個(gè)電子的位置和動(dòng)量，位置的不確定性，必然大于或等于普朗克斯常數(shù)除于4π：（ΔpxΔq≥h/4π），
海森堡的矩陣力學(xué)中有個(gè)奇特的乘法規(guī)則：p是電子的動(dòng)量，q是電子的位置。
p*q≠?q*p
這說(shuō)明我們先觀測(cè)動(dòng)量p，在觀測(cè)位置q，和先觀測(cè)位置q，再觀測(cè)動(dòng)量p，其結(jié)果不一樣，這是為何？原因是我們觀測(cè)動(dòng)量p的這個(gè)動(dòng)作，影響了q的數(shù)值，反過(guò)來(lái)也是一樣。這兩者不能同時(shí)觀測(cè)到。
比如說(shuō)我們要測(cè)量一個(gè)電子的位置，這就需要一個(gè)光子撞擊電子，然后再反彈到你的眼睛里。問(wèn)題是，光子撞擊完后，你看到了電子，可是因?yàn)閯×业淖矒簦娮右呀?jīng)不知道飛到什么地方去了，這個(gè)時(shí)候電子的速度你就無(wú)法得知了，為了得到他的位置，我們劇烈的改變了它的速度，也就是動(dòng)量。而在宏觀世界中，光子對(duì)經(jīng)典小球的撞擊是可以忽略不計(jì)的，這樣我們?cè)跍y(cè)量完位置之后，可以從容的測(cè)量小球的動(dòng)量。而在量子世界中，這是不可行的。
海森堡經(jīng)過(guò)埋頭苦算得出了一個(gè)公式：
ΔpxΔq≥h/4π
Δp和Δq分別是測(cè)量p和q的誤差，h是普朗克常量
按照這個(gè)公式，如果位置動(dòng)量的100%的準(zhǔn)確，那么Δp=0，也就是說(shuō)Δq 將趨向于無(wú)窮大，這意味著測(cè)量位置的誤差無(wú)窮大，在動(dòng)量確定的情況下，我們根本無(wú)法準(zhǔn)備測(cè)量位置。
電子的動(dòng)量P和位置q就像一對(duì)冤家，有你沒(méi)我，有我沒(méi)你。不管親近那個(gè)，都會(huì)導(dǎo)致另外一個(gè)急劇疏遠(yuǎn)，無(wú)法同時(shí)精確測(cè)量，這種奇特的量被稱為“共軛量”。這在宏觀世界中是不能理解的，一個(gè)物體的動(dòng)量和位置，不都是可以測(cè)量的嗎，為何作為電子就不行了？這是因?yàn)榱孔邮澜缰校娮邮侨绱说奈⑿。灾挛覀兊慕槿雽?duì)其產(chǎn)生了致命的影響，我們本身的擾動(dòng)使得測(cè)量中充滿了不確定性，從原則上都無(wú)法克服。
根據(jù)不確定性理論，不是實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致的誤差，而是理論限制了我們能觀測(cè)到的東西。同時(shí)測(cè)量準(zhǔn)確的動(dòng)量和位置在原則上是不可能的，不管科技多么達(dá)到都不行。這就像你永遠(yuǎn)無(wú)法造出永動(dòng)機(jī)一樣。
根據(jù)牛頓的經(jīng)典物理理論，任何一個(gè)物體，我們知道了它的初始條件，重量，速度，阻力等等，就可以精確的預(yù)測(cè)它的運(yùn)動(dòng)軌跡。可是，海森堡的不確定性理論告訴我們，你無(wú)法同時(shí)確定的電子的位置和動(dòng)量，這就是說(shuō)不是你無(wú)法預(yù)測(cè)電子的運(yùn)動(dòng)，而是你根本無(wú)法給出準(zhǔn)確完備的初始條件！
為了維護(hù)經(jīng)典物理的榮耀，在第六屆索爾維會(huì)議上， 愛(ài)因斯坦向不確定性理論發(fā)出致命的一擊，這就是愛(ài)因斯坦光箱實(shí)驗(yàn)。
這個(gè)思想實(shí)驗(yàn)是這樣的，假設(shè)有一個(gè)裝滿光子的箱子，有個(gè)小孔，通過(guò)快門控制，每次只放出一個(gè)光子。因?yàn)闀r(shí)間極短，Δt是足夠小的。那么現(xiàn)在箱子里少了一個(gè)光子，它的重量減輕了一點(diǎn)點(diǎn)，我們可以通過(guò)一個(gè)理想的彈簧秤測(cè)量出來(lái)，假設(shè)輕了Δm，這就是說(shuō)飛出去的光子重m，根據(jù)相對(duì)論的質(zhì)能方程E=mc2，可以精確的計(jì)算出箱子內(nèi)部減少的能量ΔE。
那么ΔE和Δt都是確定的，海森堡的公式ΔE*Δt>h也就不成立。所以整個(gè)量子理論是錯(cuò)誤的。
愛(ài)因斯坦這個(gè)大招是凝聚了畢生功力的一擊，包含了他的成名絕技相對(duì)論。據(jù)說(shuō)當(dāng)時(shí)波爾就呆若木雞，面如死灰，搜腸刮肚也沒(méi)有找出這個(gè)實(shí)驗(yàn)的破綻。量子理論真的要完蛋了？
經(jīng)過(guò)一晚上的冥思苦想，第二天早上，波爾終于想通了，物理學(xué)也得救了：）
波爾：“一個(gè)光子跑出去了，我們用一個(gè)彈簧秤測(cè)量它的重量Δm，看看箱子位移了多少，假設(shè)位移為Δ q，這樣箱子在引力場(chǎng)中移動(dòng)了Δ q的距離，根據(jù)廣義相對(duì)論的紅移理論，時(shí)間的快慢也隨之改變?chǔ)?T。可以根據(jù)公式計(jì)算出：Δ T>h/Δ mc2，再代入質(zhì)能公式Δ E=mc2，得到最終結(jié)果：Δ TΔ E>h，這正是海森堡的不確定性原理”。
有人說(shuō)中間的推導(dǎo)沒(méi)有看懂，我也是一樣：（。ok，我們可以不理會(huì)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，關(guān)鍵是愛(ài)因斯坦忽略了廣義相對(duì)論的紅移效應(yīng)：引力場(chǎng)可以使原子頻率變低，也就是紅移，等效于時(shí)間變慢。也就是說(shuō)我們?cè)跍?zhǔn)備測(cè)量Δm時(shí)，在很大程度上改變了箱子里面的時(shí)鐘，造成了一個(gè)很大的不確定的ΔT。這意味著在愛(ài)因斯坦的試驗(yàn)中，如果我們準(zhǔn)確的測(cè)量Δm，或者ΔE時(shí)，我們就根本沒(méi)法控制室光子的逃出時(shí)間T。
波爾這一招以其人之道，還治其人之身，簡(jiǎn)直天衣無(wú)縫。現(xiàn)在輪到愛(ài)因斯坦說(shuō)出出話來(lái)了。因果論必須死，因?yàn)槲锢韺W(xué)需要生！愛(ài)因斯坦后來(lái)又發(fā)起了第三次攻擊，EPR佯謬，后面我們有機(jī)會(huì)再說(shuō)。波爾直至愛(ài)因斯坦去世也沒(méi)有說(shuō)服他，讓他認(rèn)為量子論是正確而且完備的。然而，別的科學(xué)家已經(jīng)甚少關(guān)心這種爭(zhēng)執(zhí)，在量子論的引導(dǎo)下，各個(gè)分支蓬勃發(fā)現(xiàn)，從半導(dǎo)體到核能，從激光到電子顯微鏡，從集成電路到分子生物學(xué)，量子論成為有史以來(lái)在實(shí)用中最成功的物理理論。
