波粒之争——海森堡测不准原理

关于光的本性,粒子和波动两种理论300年来不断交锋,其间兴废存亡犹如白云苍狗,沧海桑田。从德布罗意开始,这种本质的矛盾成为物理学的基本问题,而海森堡从不连续性出发创立了他的矩阵力学,薛定谔沿着另一条连续性的道路也发现了他的波动方程。虽然这两种理论被数学证明是同等的,但是其物理意义却引起了广泛的争论,波恩的概率解释更是把数百年来的决定论推上了怀疑的舞台,成为浪尖上的焦点。而另一方面,波动说和微粒说的战争现在也到了最关键的时候。

1927年2月那个冬天,过去的几个月对于海森堡来说就像一场噩梦,越来越多的人转投向薛定谔和他那该死的波动理论,就连曾经支持他的严师玻尔也转向了他的对立面。海森堡满脑子都装满了大大小小的矩阵,还有他那奇特的乘法规则:pxq\=qxp

这说明了什么呢?难道说先观测动量p,在观测位置q,和先观测q,再观测p,其结果是不一样的吗?除非观测动量p这个动作本身,影响到了q的数值。关键就在这里了!观测!对于一个经典的小球,你要怎么测量它的位置呢?你必须看到它,就拿“看到”来说吧,你怎么“看到”一个小球的位置呢?总得有个光子从光源出发,撞到这个球身上再反弹到你眼睛里吧?关键是小球对于一个光子来说是一个庞然大物,光子撞到它身上就像蚂蚁撞到大象,对它的影响可以小到忽略不计。但是如果是电子呢?!

我们派遣一个光子去执行这个任务,好的,当它接触到这个电子的时候测量了它的位置,但是它给我狠狠地撞了一下之后,飞到不知道什么地方去了,他现在的速度什么的我可说不上来。因为光子剧烈的改变了它的速度,就是动量。我们把q测得特别准的时候,p的动量就变得无穷大,如果我们要了解一个电子动量p的全部信息,那么我们同时就失去了他位置q的所有信息,鱼和熊掌不可兼得,这就是海森堡测不准原理Uncertainty Principle。

有人提出通过降温,降到绝对零度,理论上原子就完全静止了,那时候动量就确定为零了。可惜,一方面,能斯特等人早就证明无法通过有限循环过程来达到绝对零度;另一方面,即使是达到绝对零度,我们的振子也不会完全静止,因为它仍然保有一个极小能量——半个量子的大小,你再也无法把这个内禀的能量消除。就像你银行里永远取不走的那半分钱。

动量p和位置q,这一对不共戴天的数据,一个在宇宙出现另一个就神秘的消失。然而海森堡还发现了另外一对类似的仇敌(宇宙中这样的似乎还有许多),那就是能量E和时间t。

在古人看来,“空”就是空荡荡什么都看不见,后来我们知道了看不见的空气中也有许多分子,“空”应该是指抽了空气的真空。再后来,人们发现原来真空中存在各种场,从引力场到电磁场。再后来,爱因斯坦的相对论告诉我们,就算是空间本身也可以像东西一样被扭曲,事实上引力只不过是它的弯曲而已(天体之间不是因为存在引力,使得小球被大球牵扯着,而是因为大球造成的空间弯曲更大,小球流向大球)。而海森堡的不确定性原理展现了更奇特的场景:当t测得越准,E就越不确定。所以在非常短的一刹那间,真空中会出现巨大的能量起伏,它违反了能量守恒定律!它从一无所有中被创造出来,在我们未能察觉之前又消失在了另一世界,在宏观上坚守着能量守恒定律。

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