互动科普

微观粒子的运动不能确定，因而未来也不确定

在这里，我们将遵循牛顿力学的物体作为一方，将电子等微观粒子作为另一方，分析一下两者运动方式的区别。

先来复习牛顿力学物体的运动。设想有一个物体正在以恒定的速度朝着同一个方向运动。当然，无论它经过1秒后的位置还是经过2秒后的位置都可以通过计算正确地求出。即使我们不看这个物体在这些时刻之间的运动（即没有进行观测），它也肯定是在按照牛顿力学运动，因而它的运动轨迹已经被惟一地决定。

那么，微观粒子又是如何运动的呢？微观粒子具有波的性质，这是我们在双缝实验中已经看到的。具有波的性质，这意味着微观粒子也具有一定程度的扩展性。这里说的扩展性，意思不是微观粒子本身变大了，而是指微观粒子的“有可能被发现的区域”扩展了。

微观粒子在运动，这意味着这个粒子有可能被发现的区域一面在扩展一面在向前运动。在被观测到之前的阶段，这个粒子位于这个正在扩展的区域中的什么位置是绝对不可能知道的。

微观粒子连现在的位置都不可能决定，当然更谈不到决定微观粒子的未来。

电子位于箱子内的何处，打开箱子前是不确定的

为了能够更好地说明微观世界的特点，下面来讨论一个“假想实验”。

箱子内只放有一只苹果。箱子盖关闭着，从外部看不见里面。箱子底面从正中间划界，左右分别涂有两种颜色。在揭开箱盖以前，我们不知道苹果究竟放在箱子内的哪一侧。

我们只有50%的概率来猜测苹果究竟放在箱子内的哪一侧。不过，如果真的存在着一位全知全能的“上帝”（或者拉普拉斯妖）的话，那么不揭开箱盖它就应该能够准确说出苹果位于箱子内的哪一侧。因为这位上帝知道一切问题的答案，它一定能够一说一个准。

图1. 苹果的位置是确定的

现在再来考虑箱子内放的是一个电子的情况。在这种情况下，打开箱盖（进行观测），我们会有50%的概率在箱子内左右任何一侧发现电子。在这一点上同打开箱盖我们有50%的概率在箱子内任何一侧看到苹果没有什么不同。

然而，在是否可以预先决定苹果或电子究竟位于哪一侧这一点上，两种情况却不相同。即使是“上帝”，在打开箱盖以前，它也不可能知道电子究竟位于箱子内的哪一侧。

图2. 只有在打开盖子的瞬间才能够决定电子在箱子内的位置

这并不是由于“上帝”的能力不够。对于电子这样的微观粒子，“上帝”纵然全知全能，在打开箱子盖以前，它也无论如何都不会知道电子究竟位于箱子内的哪一侧。这是由于这个假想实验同双缝实验一样，在观测以前，电子的位置是不确定的。

（本文发表于《科学世界》2011年第6期）