互动科普

奥地利维也纳科技大学的长谷川钓司副教授及合作者在2012年1月15日在线发表的《自然·物理》（Nature Physics）杂志上报道了精心设计的实验，实验结果并不符合量子力学基本原理之一的“不确定性原理”，而是与日本名古屋大学的小泽正直教授在2003年发表的修正版的不确定性原理——“小泽不等式”符合得很好。果真如此的话，修正版的小泽不等式很可能在未来的量子信息技术等新兴技术方面发挥作用。何为不确定性原理？本文将从基础概念开始细说究竟。

不确定性原理描述的是关于微观世界的“不确切性”。在进入具体解说之前，让我们先来了解包含这个原理的物理理论——量子力学。

量子力学是研究诸如原子、质子、中子和基本粒子（无法进一步分割的自然界的最小单位）等所有微观粒子行为的物理理论。由于我们身边的所有物体都可以分为原子（或基本粒子），也可以说它是一个描述自然界根本构造的理论。它与描述时间和空间的“相对论”并列，是物理学的两大基础理论之一。

两者都是在20世纪初建立起来的。比起由阿尔伯特·爱因斯坦以一人之力建立起来的相对论而言，量子力学则是由很多的物理学家共同创立的，代表人物有马克斯·普朗克、尼尔斯·玻尔、埃尔温·薛定谔、爱因斯坦，以及与本文的主题相关的维尔纳·海森堡等。

对于现代社会来说，量子力学是功不可没的。“半导体”理论可以说直接来自量子力学。半导体对于工业来说极其重要，也被称为“产业的食粮”。在个人电脑、手机、太阳能电池、LED（发光二极管）和光通讯使用的激光等都离不开半导体。

颠覆了牛顿力学的“决定论世界观”

无论在物理学中还是在现代科学技术中，量子力学都占有重要的地位，而1927年由海森堡提出的不确定性原理又是其中最为重要的一条原理。

图. 牛顿力学

不确定性原理的思想冲击了当代科学家对这个世界的看法，彻底否定了之前处于支配地位的观点，即认为未来是早已被确定的“决定论”世界观。

决定论的代表是由艾萨克·牛顿在17世纪建立起来的“牛顿力学”。小到地上的球，大到太阳系的行星，世界上一切物体的运动无一不受“牛顿力学”的支配。

皮埃尔·拉普拉斯曾经假想过一种所谓“拉普拉斯妖”的精灵，它能知道世界上所有的物体以及组成这些物体的所有粒子的位置和运动状态。牛顿力学告诉我们，只要知道粒子的位置和运动状态，就能靠计算推断出这些粒子未来的状态。也就是说，对于拉普拉斯妖来说，未来没有任何的不确定性，所有的一切都是决定好了的。

对于人类来说当然没有能力去了解世界上所有粒子的位置和运动状态，也没办法推算出未来的状态。但这只是一个能力上的问题，未来在本质上依然被认为是决定好的。

然而，海森堡认为，“诸如电子这样的微观粒子的位置和运动状态，原则上就无法同时确切地知道。”这就是海森堡的不确定性原理。根据这个原理，拉普拉斯妖这样的精灵原则上也是不可能存在的，至少拉普拉斯所主张的决定论世界观也就被否定了。另外，动量是指运动的强度和方向，在牛顿力学中等于“质量×速度”。

（本文发表于《科学世界》2012年第7期）