等等,這說明了什麼?假設我們有一個小球向前運動,那麼在每一個時刻,它的動量和位置不都是兩個確定的變量嗎?為什麼僅僅是觀測次序的不同,其結果就會產生不同呢?海森堡的手心捏了一把汗,他知道這裏藏著一個極為重大的秘密。這怎麼可能呢?假如我們要測量一個矩形的長和寬,那麼先測量長還是先測量寬,這不是一回事嗎?
除非……
除非測量動量p這個動作本身,影響到了q的數值。反過來,測量q的動作也影響p的值。可是,笑話,假如我同時測量p和q呢?
海森堡突然間像看見了神啟,他豁然開朗。
p×q ≠ q×p,難道說,我們的方程想告訴我們,同時觀測p和q是不可能的嗎?理論不但決定我們能夠觀察到的東西,它還決定哪些是我們觀察不到的東西!
但是,我給搞糊塗了,不能同時觀測p和q是什麼意思?觀測p影響q?觀測q影響p?我們到底在說些什麼?如果我說,一個小球在時刻t,它的位置坐標是10米,速度是5米br秒,這有什麼問題嗎?
“有問題,大大地有問題。”海森堡拍手說。“你怎麼能夠知道在時刻t,某個小球的位置是10米,速度是5米br秒呢?你靠什麼知道呢?”
“靠什麼?這還用說嗎?觀察呀,測量呀。”
“關鍵就在這裏!測量!”海森堡敲著自己的腦殼說,“我現在全明白了,問題就出在測量行為上麵。一個矩形的長和寬都是定死的,你測量它的長的同時,其寬絕不會因此而改變,反之亦然。再來說經典的小球,你怎麼測量它的位置呢?你必須得看到它,或者用某種儀器來探測它,不管怎樣,你得用某種方法去接觸它,不然你怎麼知道它的位置呢?就拿‘看到’來說吧,你怎麼能‘看到’一個小球的位置呢?總得有某個光子從光源出發,撞到這個球身上,然後反彈到你的眼睛裏吧?關鍵是,一個經典小球是個龐然大物,光子撞到它就像螞蟻撞到大象,對它的影響小得可以忽略不計,絕不會影響它的速度。正因為如此,我們大可以測量了它的位置之後,再從容地測量它的速度,其誤差微不足道。
“但是,我們現在在談論電子!它是如此地小而輕,以致於光子對它的撞擊決不能忽略不計了。測量一個電子的位置?好,我們派遣一個光子去執行這個任務,它回來怎麼報告呢?是的,我接觸到了這個電子,但是它給我狠狠撞了一下後,飛到不知什麼地方去了,它現在的速度我可什麼都說不上來。看,為了測量它的位置,我們劇烈地改變了它的速度,也就是動量。我們沒法同時既準確地知道一個電子的位置,同時又準確地了解它的動量。”
海森堡飛也似地跑回研究所,埋頭一陣苦算,最後他得出了一個公式:
△p×△q > hbr4π
△p和△q分別是測量p和測量q的誤差,h是普朗克常數。海森堡發現,測量p和測量q的誤差,它們的乘積必定要大於某個常數。如果我們把p測量得非常精確,也就是說△p非常小,那麼相應地,△q必定會變得非常大,也就是說我們關於q的知識就要變得非常模糊和不確定。反過來,假如我們把位置q測得非常精確,p就變得搖擺不定,誤差急劇增大。
假如我們把p測量得100%地準確,也就是說△p=0,那麼△q就要變得無窮大。這就是說,假如我們了解了一個電子動量p的全部信息,那麼我們就同時失去了它位置q的所有信息,我們一點都不知道,它究竟身在何方,不管我們怎麼安排實驗都沒法做得更好。魚與熊掌不能得兼,要麼我們精確地知道p而對q放手,要麼我們精確地知道q而放棄對p的全部知識,要麼我們折衷一下,同時獲取一個比較模糊的p和比較模糊的q。
p和q就像一對前世冤家,它們人生不相見,動如參與商,處在一種有你無我的狀態。不管我們親近哪個,都會同時急劇地疏遠另一個。這種奇特的量被稱為“共軛量”,我們以後會看到,這樣的量還有許多。
海森堡的這一原理於1927年3月23日在《物理學雜誌》上發表,被稱作Uainty Principle。當它最初被翻譯成中文的時候,被十分可愛地譯成了“測不準原理”,不過現在大多數都改為更加具有普遍意義的“不確定性原理”。
不確定性原理……不確定?我們又一次遇到了這個討厭的詞。還是那句話,這個詞在物理學中是不受歡迎的。如果物理學什麼都不能確定,那我們還要它來幹什麼呢?本來波恩的概率解釋已經夠讓人煩惱的了——即使給定全部條件,也無法預測結果。現在海森堡幹得更絕,給定全部條件?這個前提本身都是不可能的,給定了其中一部分條件,另一部分條件就要變得模糊不清,無法確定。給定了p,那麼我們就要對q說拜拜了。
這可不太美妙,一定有什麼地方搞錯了。我們測量了p就無法測量q?我倒不死心,非要來試試看到底行不行。好吧,海森堡接招,還記得威爾遜雲室吧?你當初不就是為了這個問題苦惱嗎?透過雲室我們可以看見電子運動的軌跡,那麼通過不斷地測量它的位置,我們當然能夠計算出它的瞬時速度來,這樣不就可以同時知道它的動量了嗎?
“這個問題,”海森堡笑道,“我終於想通了。電子在雲室裏留下的並不是我們理解中的精細的‘軌跡’,事實上那隻是一連串凝結的水珠。你把它放大了看,那是不連續的,一團一團的‘虛線’,根本不可能精確地得出位置的概念,更談不上違反不確定原理。”
“哦?是這樣啊。那麼我們就仔細一點,把電子的精細軌跡找出來不就行了?我們可以用一個大一點的顯微鏡來幹這活,理論上不是不可能的吧?”