試述不確定性原理與不確定性

盧雨生

摘? 要：不確定性原理是量子力學(xué)的基本原理之一，也是量子理論的重要基礎(chǔ)，由海森堡于1927年提出。其意思是不可能同時(shí)知道一個(gè)粒子的位置和速度，粒子位置的不確定性必然大于或等于普朗克常數(shù)，這表達(dá)了一種在微觀粒子與宏觀物質(zhì)之間的不一致性。文章簡(jiǎn)單介紹不確定性原理的提出，并且對(duì)不確定性原理與不確定性進(jìn)行對(duì)比，此外也從主流的科學(xué)角度試述不確定性原理的不確定性。

關(guān)鍵詞：不確定性原理;不確定性;小澤不等式

中圖分類號(hào)：O413.1? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）16-0053-02

Abstract： Uncertainty principle is not only one of the basic principles of quantum mechanics， but also an important basis of quantum theory， which was put forward by Heisenberg in 1927. It means that it is impossible to know the position and velocity of a particle at the same time， and the uncertainty of the particle position must be greater than or equal to the Planck constant， which expresses a kind of inconsistency between the microscopic particle and the macroscopic matter. This paper briefly introduces the uncertainty principle， and compares it with the uncertain factors. In addition， it also tries to describe the uncertainty of the uncertainty principle from the mainstream scientific point of view.

Keywords： uncertainty principle; uncertainty; Ozawa inequality

1 不確定性原理的提出

不確定性原理充分體現(xiàn)了微觀粒子的波粒二象性。驗(yàn)證它的實(shí)驗(yàn)是通過(guò)對(duì)電子、中性鉀原子等實(shí)物粒子的衍射完成的，光的波動(dòng)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究是先于量子力學(xué)研究的。單縫衍射和雙縫干涉被認(rèn)為是波才具有的現(xiàn)象，所以當(dāng)實(shí)驗(yàn)證明粒子能發(fā)生衍射和干涉時(shí)，粒子的波粒二象性就被確定下來(lái)了。但在量子力學(xué)發(fā)展的早期階段并沒(méi)有過(guò)多依賴于粒子的衍射和干涉的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在現(xiàn)實(shí)中人們也認(rèn)識(shí)到作為波動(dòng)的光的粒子性質(zhì)，也逐漸接觸到實(shí)物粒子的波動(dòng)性質(zhì)。電子單縫衍射的實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠使人更清楚地理解粒子的波粒二象性和不確定性原理，在電子的單縫衍射和光的單縫衍射類似實(shí)驗(yàn)中，電子通過(guò)第一個(gè)狹縫后準(zhǔn)直再通過(guò)第二個(gè)細(xì)小的狹縫，到達(dá)屏?xí)r出現(xiàn)類似于光波的衍射圖案，這證實(shí)了一直被認(rèn)為是粒子的電子的波動(dòng)性。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，第二個(gè)狹縫越窄，衍射的范圍越大，體現(xiàn)了粒子的位置測(cè)量越準(zhǔn)，動(dòng)量的測(cè)量結(jié)果就越不準(zhǔn)。各種實(shí)物粒子單縫衍射實(shí)驗(yàn)證明了粒子具有波動(dòng)性，也就是波粒二象性，這是不確定性原理的重要內(nèi)容，也是量子理論的核心。

根據(jù)不確定性原理我們知道粒子的位置和動(dòng)量不能同時(shí)測(cè)量，這使得經(jīng)典力學(xué)中的一些概念是失效的，例如軌道概念和靜止概念。霍金在時(shí)間簡(jiǎn)史中提到海森堡的不確定性原理是世界上一個(gè)基本的不可避免的性質(zhì)，它對(duì)我們觀察世界的方式有深遠(yuǎn)的意義。不確定性原理標(biāo)志著拉普拉斯科學(xué)理論之夢(mèng)的終結(jié)，如果我們甚至不能測(cè)量宇宙現(xiàn)在的狀態(tài)，肯定不能準(zhǔn)確地預(yù)言未來(lái)的事件。在量子力學(xué)與牛頓經(jīng)典力學(xué)的對(duì)話中我們可以發(fā)現(xiàn)，量子將一種不可預(yù)見(jiàn)性或者隨機(jī)性的不可回避因素引入科學(xué)。但是，盡管存在不確定原理，仍然沒(méi)有必要放棄物理定律制約世界的信念，大多數(shù)科學(xué)家最終心悅誠(chéng)服地接受了它。

2 不確定性原理與不確定性

不確定性與確定性是一組對(duì)立的存在，不確定性是對(duì)確定性的基本否定。確定性從字面上來(lái)看就是指明確與肯定，從語(yǔ)言學(xué)及深層次哲學(xué)角度來(lái)看：確定性是指事物在質(zhì)與量上的唯一、純粹和極端。通常確定一件事情就是要達(dá)成一定的目標(biāo)，但追求目標(biāo)過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)客觀世界更普遍的卻是難以把握的不確定性。對(duì)不確定性原理的進(jìn)一步深入認(rèn)識(shí)，離不開(kāi)對(duì)不確定性概念的分析：

其一，從認(rèn)識(shí)論的角度看，人們沒(méi)有能力對(duì)客觀事物的發(fā)展進(jìn)程做出精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)?？陀^事物及其發(fā)展結(jié)果都已經(jīng)是確定好的，但是由于技術(shù)落后會(huì)給認(rèn)識(shí)的結(jié)果造成偏差，這是一種以主體性為主的不確定性。其二，客觀物質(zhì)世界也存在著事物本身固有的不確定性，這與人的認(rèn)識(shí)能力是不相關(guān)的，我們將其稱之為客體性為主的不確定性。其三，主客體性并重的不確定性，這類不確定性其主體性和客體性分別在不同層面上占據(jù)主導(dǎo)的地位。比如說(shuō)哲學(xué)的一個(gè)重要的范疇“自由”，也意味著不確定性，并且這種不確定性是未分出主體性和客體性的。其四，潛無(wú)限情況下的不確定性，潛無(wú)限是在數(shù)學(xué)基礎(chǔ)研究中指無(wú)限是一種永無(wú)終止的過(guò)程，潛無(wú)限情況的不確定性是與上述三種不同的方向，潛無(wú)限與實(shí)無(wú)限總是相差一個(gè)無(wú)限小量，因而總是有這樣一個(gè)無(wú)限小的不確定性存在著，潛無(wú)限是指把無(wú)限看成一種過(guò)程，一種永遠(yuǎn)處于生成狀態(tài)之中的過(guò)程。這種很有邏輯味道的不確定性在數(shù)學(xué)等復(fù)雜科學(xué)中有很大的應(yīng)用。前三種不確定性的都是由主客體的不對(duì)稱性造成的，而在潛無(wú)限意義下的不確定性可能是邏輯在先，因此也更加復(fù)雜具有科學(xué)意義程度更深，也將是未來(lái)不確定性研究的主流。

3 不確定性原理并不確定

奧地利維也納科技大學(xué)的長(zhǎng)谷川釣司教授及其合作者在2012年1月15日在發(fā)表的《自然·物理》雜志上報(bào)到了精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不符合量子力學(xué)基本原理——不確定性原理，而是與日本名古屋大學(xué)小澤正直教授在2003年發(fā)表的修正版不確定性原理——“小澤不等式”符合的很好。如果如此的話，修正版的小澤不等式很有可能在未來(lái)的量子信息技術(shù)等新興技術(shù)方面發(fā)揮作用①。

在物理學(xué)中，引力波是指時(shí)空彎曲中的漣漪，通過(guò)波的形式從輻射源向外傳播，這種波以引力輻射的形式傳輸能量。在1916年，愛(ài)因斯坦基于廣義相對(duì)論預(yù)言了引力波的存在。實(shí)用的引力波探測(cè)裝置是在“激光干涉儀”上進(jìn)行的，使用激光來(lái)檢測(cè)鏡子之間的距離是否會(huì)發(fā)生改變。①

4 結(jié)論

對(duì)于現(xiàn)實(shí)生活中的許多事物，我們很難、也不可能了解以及把握他們的全部，這源自事物普遍具有的不確定性。不確定性原理使經(jīng)典力學(xué)不那么耀眼，但隨著科技的發(fā)展對(duì)于不確定性原理的不確定性的觀點(diǎn)也隨之提出。但不可否認(rèn)的是：牛頓經(jīng)典力學(xué)也好，量子力學(xué)也好，都將科學(xué)原理應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)生活中，并且具有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。與其說(shuō)是一種先進(jìn)的學(xué)說(shuō)取代了另一種不太流行的學(xué)說(shuō)，倒不如說(shuō)新老學(xué)說(shuō)的更替是人類進(jìn)步接力賽中的交接過(guò)程。雖然現(xiàn)代科學(xué)通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)、數(shù)學(xué)推演已經(jīng)初步形成了對(duì)傳統(tǒng)的挑戰(zhàn)，但這只是開(kāi)始，我們也要學(xué)習(xí)科學(xué)家這種敢于挑戰(zhàn)權(quán)威，堅(jiān)持不懈的精神。但愿人類這個(gè)共同體能夠用自己的智慧成果把未知的不確定性轉(zhuǎn)換成更多的確定。

注釋：

①王喬.修正不確定性原理[J].科學(xué)世界，2012，07.

②關(guān)洪.對(duì)海森伯射線顯微鏡思想實(shí)驗(yàn)的再考查[J].大學(xué)物理，1988.

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