互动科普

不论进行多么精密的观测都无法消除未来的不确定性

我们还可以从另一个角度来讨论微观世界的未来没有预先决定这个问题。在前面，我们曾经多次谈到“在没有进行观测的阶段，微观粒子位于何处是不确定的”。那么，什么是观测？

简单说来，观测也就是看见什么。比如说用光照射物体，从物体表面反射的光进入我们的眼睛，我们于是看见了这个物体。在这个例子中，为了能够看见物体，必须用光照射物体。

不过，光照射到物体就会有一种力作用在该物体上。当然，这种力是非常小的，一只正在飞行中的网球，受到光照射，其运动基本上不会有什么变化。一个人受到太阳光照射是不会感觉到太阳光对身体施加的作用力的。

但是，观测像电子这样的微观粒子，情况就不同了。微观粒子非常小，用光照射进行观测，它们会受到光的干扰。换句话说，进行观测会对微观粒子的运动产生很大的影响。

图1. 观测也会导致不确定

此处图解表现正在对微观粒子进行观测。对于微观粒子，观测本身会产生很大的影响。因此，不可能同时正确决定微观粒子的位置和动量。按照定义，动量是物体的速度和质量的乘积。

1927年，德国的理论物理学家维尔纳·海森堡（1901〜1976）基于这种分析发现了一个非常重要的原理：“不可能同时正确求得微观粒子的位置和运动势头（动量），所得结果必定会有某种程度的不确定性”。这就是“不确定性原理”。海森堡给出了一个表示不确定性原理的公式，其意义是：无论进行多么精密的观测都不可能消除微观世界的“不确定性”。

在微观世界不可能有全知全能的“上帝”存在

在这里，我们对微观世界的性质作一个小结。

首先，倘若我们在头脑中把微观粒子想象为像普通小球那样的粒子的话，那么，在没有进行观测的阶段，微观粒子便应该有一定程度的扩展，即具有波那样的性质。不过，这种扩展不是粒子本身发生膨胀，而是有可能在其中发现粒子的那个区域在扩展。

而且，将会在这个扩展区域内的什么位置发现粒子，在进行观测前是不知道的。事实上，不仅不知道在观测时会在什么位置发现粒子，连粒子在观测前的阶段究竟存在于什么位置也是不能决定的。

图2. 微观世界的未来不可预测

这里图解绘出的是一个正在偷窥微观世界的水晶球。通过水晶球偷窥牛顿力学世界，甚至可以预知这个世界未来的一切。可是对于微观世界，水晶球失去了它的这种魔力。

无论观测多么精密，我们都不可能同时完全确定微观粒子的位置和动量，总会有一定程度的不确定性（不确定性原理）。

结论是，按照牛顿力学的世界观设想存在的那种能够掌握这个世界中的一切，并能够预知未来将要发生的一切的“拉普拉斯妖”，或者说全知全能的“上帝”，在微观世界里根本就不可能存在。我们不得不承认，在微观世界未来没有被决定。

（本文发表于《科学世界》2011年第6期）