唐欣蕓

摘要：1927年，海森堡提出來(lái)“測(cè)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(cè)不準(zhǔn)原理”為切入點(diǎn)，對(duì)量子力學(xué)進(jìn)行思考并得出啟示，以此糾正人們對(duì)于量子力學(xué)的一些誤解。

關(guān)鍵詞：測(cè)不準(zhǔn)原理 認(rèn)識(shí) 啟示

中圖分類(lèi)號(hào)：O413 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-5349（2018）12-0227-02

在20世紀(jì)的科學(xué)理論中，量子力學(xué)無(wú)疑是最偉大的?！皽y(cè)不準(zhǔn)原理”是量子力學(xué)中的一個(gè)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(lèi)對(duì)于世界的全新思考。

一、“測(cè)不準(zhǔn)原理”的誕生路徑

“測(cè)不準(zhǔn)原理”的誕生，起源于對(duì)光的好奇和討論。17世紀(jì)，關(guān)于光有兩種假說(shuō)，即微粒說(shuō)和波動(dòng)說(shuō)。此后，對(duì)這兩種假說(shuō)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(shuō)在學(xué)術(shù)界成為主流。

1801年，托馬斯·楊雙縫干涉實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，使光的波動(dòng)性得到了證明。此后，菲涅耳通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算，圓滿(mǎn)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(shí)，證實(shí)了“泊松亮斑”的存在。光的波動(dòng)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(dòng)性也得到了相應(yīng)的證明。

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的研究，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光打到金屬板上時(shí)，會(huì)反射出電子。愛(ài)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(shí)，無(wú)論是微粒說(shuō)還是波動(dòng)說(shuō)，都擁有了確鑿的證據(jù)?？茖W(xué)家們便開(kāi)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(dòng)是遵循一定的軌道的，當(dāng)它吸收或釋放了一些能量時(shí)，可以從原本的軌道躍到另一條軌道上。德國(guó)物理學(xué)家海森堡在1925年用一個(gè)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(jí)。但就連海森堡也無(wú)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(dòng)方程，用來(lái)描述微觀粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。波恩在此方程的基礎(chǔ)上，將波動(dòng)方程解釋為一種概率，即點(diǎn)出現(xiàn)在某個(gè)地點(diǎn)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(shí)測(cè)出p和q是不可能的。

二、對(duì)“測(cè)不準(zhǔn)原理”的認(rèn)識(shí)

1927年，海森堡在《關(guān)于量子論的運(yùn)動(dòng)學(xué)和力學(xué)的直覺(jué)內(nèi)容》一文中提出了“測(cè)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(dòng)的最小物質(zhì)。物體的波長(zhǎng)與動(dòng)量息息相關(guān)，粒子的動(dòng)量（p）等于速度（v）和質(zhì)量（m）的乘積，動(dòng)量越大，波長(zhǎng)越長(zhǎng)?！皽y(cè)不準(zhǔn)原理”存在的前提是微?？梢酝瑫r(shí)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(dòng)量可以同時(shí)被測(cè)準(zhǔn)，并且物質(zhì)所在的位置和狀態(tài)是確定的，同一個(gè)時(shí)刻，要么在這，要么在那。然而“測(cè)不準(zhǔn)原理”則表明位置和動(dòng)量不能同時(shí)被測(cè)準(zhǔn)，位置測(cè)量得越精準(zhǔn)，動(dòng)量就越不準(zhǔn)確。粒子在同一時(shí)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(cè)量一個(gè)電子的位置和動(dòng)量，光子在測(cè)量電子的過(guò)程中，會(huì)和所測(cè)量的電子發(fā)生相互作用。電子吸收光子的能量，這樣測(cè)出的量子的動(dòng)量就跟電子本身的動(dòng)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(zhǎng)便增加，光子往返的時(shí)間周期也因此增加。但電子是不斷作高速運(yùn)動(dòng)的粒子，所測(cè)電子所在的位置，在光波把信息傳回來(lái)的時(shí)候已經(jīng)發(fā)生了改變。因此，我們?cè)跍?zhǔn)確測(cè)量電子能量的時(shí)候，電子的位置又不能被測(cè)準(zhǔn)了。

三、“測(cè)不準(zhǔn)原理”的啟示

1.不相容的狀態(tài)可能同時(shí)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(cuò)的。在量子疊加態(tài)中，量子物體可以同時(shí)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(gè)，貓沒(méi)被毒死和貓被毒死。而在量子力學(xué)中，在沒(méi)揭開(kāi)盒子的蓋子的時(shí)候，貓?zhí)幱谏蜡B加的狀態(tài)。貓的生死只有在打開(kāi)盒子后，觀測(cè)者在觀測(cè)時(shí)，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(cè)的時(shí)候，粒子也許不在一個(gè)確定的空間、一個(gè)確定的軌道甚至不具有一個(gè)時(shí)間和空間的概念，因?yàn)樗鼈兲幱趲追N不相容狀態(tài)的疊加。量子力學(xué)對(duì)微觀粒子世界具有超乎人類(lèi)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(cè)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(cè)得的結(jié)果，不能反映粒子客觀的真實(shí)面目。因此很多人認(rèn)為，量子力學(xué)是唯心的理論?！把Χㄖ@的貓”是個(gè)很好的例子，很多人認(rèn)為，貓的死活是人在打開(kāi)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(shuō)過(guò)：“物質(zhì)的唯一‘特性就是：它是客觀實(shí)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(gè)特性分不開(kāi)的。”[1]量子力學(xué)中的微觀粒子和宏觀物質(zhì)確實(shí)不同，對(duì)其測(cè)量時(shí)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(shí)驗(yàn)過(guò)程中，人們也不可避免地會(huì)產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)儀器與粒子之間不可忽視的作用。因此，呈現(xiàn)的觀測(cè)結(jié)果其實(shí)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(jì)算。因此可以說(shuō)，在經(jīng)典力學(xué)中，物體的客觀性在可把握的范圍內(nèi)。

對(duì)于微觀領(lǐng)域，人類(lèi)了解微觀粒子的途徑只有通過(guò)儀器。而儀器對(duì)于粒子的影響又是不可避免的，若要消除儀器對(duì)粒子的影響，則粒子給人類(lèi)呈現(xiàn)的現(xiàn)象便不能被觀測(cè)到。因此，我們所觀測(cè)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(méi)有否認(rèn)世界的可知性

由于微觀粒子所測(cè)得的一些結(jié)果會(huì)與客體真實(shí)的結(jié)果存在一定的偏差，所以有人認(rèn)為對(duì)量子力學(xué)的測(cè)量不是反映物質(zhì)本身，而僅僅是一種實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，他們把量子力學(xué)解釋為對(duì)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(dòng)的，不具有客觀實(shí)在性，我們所認(rèn)識(shí)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(shí)“現(xiàn)象”，對(duì)于“物質(zhì)體”是什么，我們無(wú)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?！盵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?yàn)榱孔恿W(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?yàn)閮x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(duì)微觀粒子的影響，是不太可能的。海森堡也說(shuō)：“對(duì)于物質(zhì)的這些不可再分的構(gòu)造物，也就是對(duì)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(dòng)，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?！盵3]因此，人們的工作就是盡可能地減少儀器對(duì)粒子的影響。

“測(cè)不準(zhǔn)原理”告訴我們，物質(zhì)的位置和動(dòng)量，不能同時(shí)被測(cè)準(zhǔn)。但這也不意味著人類(lèi)對(duì)世界探索就此終結(jié)，對(duì)此，科學(xué)家給出了對(duì)于這個(gè)問(wèn)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(guò)傅立葉變換而唯一地確定微觀體系在動(dòng)量空間分布的波函數(shù)。這兩種波函數(shù)均滿(mǎn)足薛定愕方程，并且是相互等價(jià)的完備描述”。[4]因此，也可得出，對(duì)于粒子狀態(tài)的不確定，并不是人類(lèi)探索微觀世界的障礙。

同時(shí)，對(duì)于不可知論的一個(gè)很好的反駁就是人類(lèi)對(duì)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(shí)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(lái)的變化 [M].上海：上海譯文出版社，1978.

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

責(zé)任編輯：孫瑤