无论是否真的接触过量子力学,很多人都会用“遇事不决,量子力学”这句话,对一些难以解决的问题插科打诨一番。其实在真正的量子力学里,也有一些“不决”,比如大家可能听说过的“测不准原理”。
不过,“测不准原理”是个不正确的名字,并且会造成对这个原理本质的误解,它真正的名字叫做“不确定性原理”。
对原理的建议解释
不确定性原理的意思是说:粒子的位置和动量不可能同时确定。它的位置越清楚,就越不确定它跑得到底有多快。反之亦然,它的快慢越确定,位置就越模糊。
并且,这种不确定性是个量化了的具体值,并非一个拍脑袋的哲学概念。
刚才我们说过,“测不准原理”这个名字不对。
但是,从这个错误名字的含义入手,来了解不确定性原理,是许多科普书籍(包括霍金的著作)以及大学物理基础教学的迅速简易的方法,甚至是海森堡本人最初的理解。
我们不妨也从这里开说。想象我们测量一个粒子的状态,测量之前,我们对它一无所知——就像黑屋子里有只黑猫,我们得拿灯照着,才知道它在哪里。
可是,如果这只猫弱不禁风,一开灯它就被灯光撞飞了。那么,我们就无法判断它本来就在飞,还是被灯光撞飞的。所以我们得把灯光的能量调低一些,别干扰我们的观测对象。
灯光的能量不是由亮度决定的,而是它的频率。
在可见光的波段,就表现为光的颜色:紫光比绿光的能量高,绿光比红光的能量高。
这一点可能有点反直觉,不过大家想想X射线胸透:用来胸透的 X 射线其实很微弱,但是 X 射线频率很高,比紫外线还厉害,每个光子的能量都是电离辐射的级别,照得多了足以出健康问题。
回到正题上来,调低能量的意思就是降低光的频率。比如本来用紫光照明的,就改成红光照明,这只弱不禁风的小黑猫就不会被撞得太狠,我们就知道它本来的运动状态了。
可是,改成红光之后又出了个新问题:红光的波长太长,超过了黑猫的尺寸,从它身上绕过去了。
或者,即使发生反射,我们所探知的位置,取值范围也在一个波长以内,误差挺大的。
所以,要么我们看不清黑猫在哪里,要么我们不知道黑猫的运动状态。
一个精度上去了,另一个精度就会下来,“测不准原理”也就出现了。
这个解释虽然比较易懂,给大家的感觉却是:人类的科技能力不够,假如我们找到新方法,或许可以在不打扰观测对象的情况下获取它的状态。
实际上的不确定性原理说的则是:不确定性是粒子的内在属性,不管你测不测量,它的位置和动量都不可能同时确定。