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第28章

量子物理史话-第28章

小说: 量子物理史话 字数: 每页3500字

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    理论决定了我们观察到的东西?理论说,p×q ≠ q×p,它决定了我们观察到的什么东西呢?
    I×II什么意思?先搭乘I号线再转乘II号线。那么,p×q什么意思?p是动量,q是位置,这不是说……
    似乎一道闪电划过夜空,海森堡的神志突然一片清澈空明。
    p×q ≠ q×p,这不是说,先观测动量p,再观测位置q,这和先观测q再观测p,其结果是不一样的吗?
    等等,这说明了什么?假设我们有一个小球向前运动,那么在每一个时刻,它的动量和位置不都是两个确定的变量吗?为什么仅仅是观测次序的不同,其结果就会产生不同呢?海森堡的手心捏了一把汗,他知道这里藏着一个极为重大的秘密。这怎么可能呢?假如我们要测量一个矩形的长和宽,那么先测量长还是先测量宽,这不是一回事吗?
    除非……
    除非测量动量p这个动作本身,影响到了q的数值。反过来,测量q的动作也影响p的值。可是,笑话,假如我同时测量p和q呢?
    海森堡突然间像看见了神启,他豁然开朗。
    p×q ≠ q×p,难道说,我们的方程想告诉我们,同时观测p和q是不可能的吗?理论不但决定我们能够观察到的东西,它还决定哪些是我们观察不到的东西!
    但是,我给搞糊涂了,不能同时观测p和q是什么意思?观测p影响q?观测q影响p?我们到底在说些什么?如果我说,一个小球在时刻t,它的位置坐标是10米,速度是5米/秒,这有什么问题吗?
    “有问题,大大地有问题。”海森堡拍手说。“你怎么能够知道在时刻t,某个小球的位置是10米,速度是5米/秒呢?你靠什么知道呢?”
    “靠什么?这还用说吗?观察呀,测量呀。”
    “关键就在这里!测量!”海森堡敲着自己的脑壳说,“我现在全明白了,问题就出在测量行为上面。一个矩形的长和宽都是定死的,你测量它的长的同时,其宽绝不会因此而改变,反之亦然。再来说经典的小球,你怎么测量它的位置呢?你必须得看到它,或者用某种仪器来探测它,不管怎样,你得用某种方法去接触它,不然你怎么知道它的位置呢?就拿‘看到’来说吧,你怎么能‘看到’一个小球的位置呢?总得有某个光子从光源出发,撞到这个球身上,然后反弹到你的眼睛里吧?关键是,一个经典小球是个庞然大物,光子撞到它就像蚂蚁撞到大象,对它的影响小得可以忽略不计,绝不会影响它的速度。正因为如此,我们大可以测量了它的位置之后,再从容地测量它的速度,其误差微不足道。
    “但是,我们现在在谈论电子!它是如此地小而轻,以致于光子对它的撞击决不能忽略不计了。测量一个电子的位置?好,我们派遣一个光子去执行这个任务,它回来怎么报告呢?是的,我接触到了这个电子,但是它给我狠狠撞了一下后,飞到不知什么地方去了,它现在的速度我可什么都说不上来。看,为了测量它的位置,我们剧烈地改变了它的速度,也就是动量。我们没法同时既准确地知道一个电子的位置,同时又准确地了解它的动量。”
    海森堡飞也似地跑回研究所,埋头一阵苦算,最后他得出了一个公式:
    △p×△q 》 h/2π
    △p和△q分别是测量p和测量q的误差,h是普朗克常数。海森堡发现,测量p和测量q的误差,它们的乘积必定要大于某个常数。如果我们把p测量得非常精确,也就是说△p非常小,那么相应地,△q必定会变得非常大,也就是说我们关于q的知识就要变得非常模糊和不确定。反过来,假如我们把位置q测得非常精确,p就变得摇摆不定,误差急剧增大。
    假如我们把p测量得100%地准确,也就是说△p=0,那么△q就要变得无穷大。这就是说,假如我们了解了一个电子动量p的全部信息,那么我们就同时失去了它位置q的所有信息,我们一点都不知道,它究竟身在何方,不管我们怎么安排实验都没法做得更好。鱼与熊掌不能得兼,要么我们精确地知道p而对q放手,要么我们精确地知道q而放弃对p的全部知识,要么我们折衷一下,同时获取一个比较模糊的p和比较模糊的q。
    p和q就像一对前世冤家,它们人生不相见,动如参与商,处在一种有你无我的状态。不管我们亲近哪个,都会同时急剧地疏远另一个。这种奇特的量被称为“共轭量”,我们以后会看到,这样的量还有许多。
    海森堡的这一原理于1927年3月23日在《物理学杂志》上发表,被称作UncertaintyPrinciple。当它最初被翻译成中文的时候,被十分可爱地译成了“测不准原理”,不过现在大多数都改为更加具有普遍意义的“不确定性原理”。
    *********量子人物素描
    薛定谔://bbs。sh。sina。/shanghai/view。cgi?forumid=173&postid=252338&kindid=0
    海森堡://bbs。sh。sina。/shanghai/view。cgi?forumid=173&postid=252362&kindid=0
    玻尔://bbs。sh。sina。/shanghai/view。cgi?forumid=173&postid=252388&kindid=0
    二
    不确定性原理……不确定?我们又一次遇到了这个讨厌的词。还是那句话,这个词在物理学中是不受欢迎的。如果物理学什么都不能确定,那我们还要它来干什么呢?本来波恩的概率解释已经够让人烦恼的了——即使给定全部条件,也无法预测结果。现在海森堡干得更绝,给定全部条件?这个前提本身都是不可能的,给定了其中一部分条件,另一部分条件就要变得模糊不清,无法确定。给定了p,那么我们就要对q说拜拜了。
    这可不太美妙,一定有什么地方搞错了。我们测量了p就无法测量q?我倒不死心,非要来试试看到底行不行。好吧,海森堡接招,还记得威尔逊云室吧?你当初不就是为了这个问题苦恼吗?透过云室我们可以看见电子运动的轨迹,那么通过不断地测量它的位置,我们当然能够计算出它的瞬时速度来,这样不就可以同时知道它的动量了吗?
    “这个问题,”海森堡笑道,“我终于想通了。电子在云室里留下的并不是我们理解中的精细的‘轨迹’,事实上那只是一连串凝结的水珠。你把它放大了看,那是不连续的,一团一团的‘虚线’,根本不可能精确地得出位置的概念,更谈不上违反不确定原理。”
    “哦?是这样啊。那么我们就仔细一点,把电子的精细轨迹找出来不就行了?我们可以用一个大一点的显微镜来干这活,理论上不是不可能的吧?”
    “对了,显微镜!”海森堡兴致勃勃地说,“我正想说显微镜这事呢。就让我们来做一个思维实验(Gedanken…experiment),想象我们有一个无比强大的显微镜吧。不过,再厉害的显微镜也有它基本的原理啊,要知道,不管怎样,如果我们用一种波去观察比它的波长还要小的事物的话,那就根本谈不上精确了,就像用粗笔画不出细线一样。如果我们想要观察电子这般微小的东西,我们必须要采用波长很短的光。普通光不行,要用紫外线,X射线,甚至γ射线才行。”
    “好吧,反正是思维实验用不着花钱,我们就假设上头破天荒地拨了巨款,给我们造了一台最先进的γ射线显微镜吧。那么,现在我们不就可以准确地看到电子的位置了吗?”
    “可是,”海森堡指出,“你难道忘了吗?任何探测到电子的波必然给电子本身造成扰动。波长越短的波,它的频率就越高,是吧?大家都应该还记得普朗克的公式E = hν,频率一高的话能量也相应增强,这样给电子的扰动就越厉害,同时我们就更加无法了解它的动量了。你看,这完美地满足不确定性原理。”
    “你这是狡辩。好吧我们接受现实,每当我们用一个光子去探测电子的位置,就会给它造成强烈的扰动,让它改变方向速度,向另一个方向飞去。可是,我们还是可以采用一些聪明的,迂回的方法来实现我们的目的啊。比如我们可以测量这个反弹回来的光子的方向速度,从而推导出它对电子产生了何等的影响,进而导出电子本身的方向速度。怎样,这不就破解了你的把戏吗?”
    “还是不行。”海森堡摇头说,“为了达到那样高的灵敏度,我们的显微镜必须有一块很大直径的透镜才行。你知道,透镜把所有方向来的光都聚集到一个焦点上,这样我们根本就无法分辨出反弹回来的光子究竟来自何方。假如我们缩小透镜的直径以确保光子不被聚焦,那么显微镜的灵敏度又要变差而无法胜任此项工作。所以你的小聪明还是不奏效。”
    “真是邪门。那么,观察显微镜本身的反弹怎样?”
    “一样道理,要观察这样细微的效应,就要用波长短的光,所以它的能量就大,就给显微镜本身造成抹去一切的扰动……”
    等等,我们并不死心。好吧,我们承认,我们的观测器材是十分粗糙的,我们的十指笨拙,我们的文明才几千年历史,现代科学更是仅创立了300年不到的时间。我们承认,就我们目前的科技水平来说,我们没法同时观测到一个细小电子的位置和动量,因为我们的仪器又傻又笨。可是,这并不表明,电子不同时具有位置和动量啊,也许在将来,哪怕遥远的将来,我们会发展出一种尖端科技,我们会发明极端精细的仪器,从而准确地测出电子的位置和动量呢?你不能否认这种可能性啊。
    “话不是这样说的。”海森堡若有所思地说,“这里的问题是理论限制了我们能够观测到的东西,而不是实验导致的误差。同时测量到准确的动量和位置在原则上都是不可能的,不管科技多发达都一样。就像你永远造不出永动机,你也永远造不出可以同时探测到p和q的显微镜来。不管今后我们创立了什么理论,它们都必须服从不确定性原理,这是一个基本原则,所有的后续理论都要在它的监督下才能取得合法性。”
    海森堡的这一论断是不是太霸道了点?而且,这样一来物理学家的脸不是都给丢尽了吗?想象一下公众的表现吧:什么,你是一个物理学家?哦,我真为你们惋惜,你们甚至不知道一个电子的动量和位置!我们家汤米至少还知道怎么摆弄他的皮球。
    不过,我们还是要摆事实,讲道理,以德服人。一个又一个的思想实验被提出来,可是我们就是没法既精确地测量出电子的动量,同时又精确地得到它的位置。两者的误差之乘积必定要大于那个常数,也就是h除以2π。幸运的是,我们都记得h非常小,只有6。626×10^…34焦耳秒,那么假如△p和△q的量级差不多,它们各自便都在10^…17这个数量级上。我们现在可以安慰一下不明真相的群众:事情并不是那么糟糕,这种效应只有在电子和光子的尺度上才变得十分明显。对于汤米玩的皮球,10^…17简直是微不足道到了极点,根本就没法感觉出来。汤米可以安心地拍他的皮球,不必担心因为测不准它的位置而把它弄丢了。
    不过对于电子尺度的世界来说,那可就大大不同了。在上一章的最后,我们曾经假想自己缩小到电子大小去一探原子里的奥秘,那时我们的身高只有10^…23米。现在,妈妈对于我们淘气的行为感到

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