“大逆不道”的原理：人类永远不可能消除测量的误差？

1924 年，玻尔在丹麦的研究所迎来了一位23岁的小伙，在 3 年多的时间里，玻尔与他结下了深厚的友情。回到德国后，这位小伙提出了一个极为深刻的洞见：人类无论用什么样的方法，永远也不可能消除测量的误差。这位年轻人就是海森堡。

过去的科学家们总认为，只要我们的测量工具足够好，就能把目标对象测量得要多精确有多精确。但海森堡却说：对不起了，我们永远也不可能同时把电子的运动速度和准确位置给测量出来。

为什么呢？因为我们的测量行为本身一定会干扰电子的运动。任何测量行为，从本质上来说，都是观察从物体上反射回来的光。比如我们用眼睛看任何物体，真正看到的实际上是物体反射回来的光而已。所有被测量的物体一定需要被光照到才行。

既然光是由一颗颗的光子组成的，那么这些光子就像一颗颗的子弹，用它们去照射电子，就好像用子弹去打击另一颗子弹，在被光子击中的那一瞬间，电子的运动状态就必然改变了。

我们想要测量一个电子的速度，那必然要测量电子在运动路线上的两个点的位置。现在好了，只要你测量了任何一个点的位置，电子的运动状态就被破坏了，电子到达另一个点的时间也就与原先不同了。所以，想要同时测准位置和速度，从理论上来说是完全没有可能的。

海森堡把他的这个洞见称为“测不准原理”，论文一出，就引起了学术界很大的反响。

远在丹麦的玻尔也看到了海森堡的论文，他细细一琢磨，不得了！一个困扰了他多年的问题突然想通了，而且还提出了一个大胆十倍的想法。

玻尔认为，电子的速度和位置无法同时测准这没有错，但原因不是因为测量行为干扰了电子的运动，而是电子根本就不存在准确的速度和位置的概念！薛定谔是对的，但也只对了一半，电子也像光子一样，既是粒子又是波。当你测量电子的时候，它就表现为一个粒子，而当你不测量它时，它就是波。

玻尔终于想通了为什么电子在轨道上绕着原子核转却不发出电磁波。原因很简单，电子根本就不是绕着轨道转，而是以波的形式弥漫在整个轨道上。

玻尔认为，实际上，在我们不测量电子的时候，电子没有实体的形状，它是一种波，就好像是涂在面包上的黄油，它弥漫在整条路上，有些地方厚一些，有些地方薄一些；厚的地方表示被测量到的概率大一些，薄的地方表示被测量到的概率小一些。但是，黄油的厚和薄又不是固定不变的，而是随着时间的演化呈现出周期性的变化，波的本质不就是一种周期性的变化吗？

如果用打地鼠的游戏来比喻，那就是：我们的测量行为，就像一锤子打下去，有时候什么也打不到，有时候会瞬间让弥漫在整条路上的电子波收缩为一个点，看上去就好像打到了地鼠，实际上地鼠本身就是因为锤子而形成的。决定锤子是否能打到地鼠的是命中概率，哪怕是上帝也无法确保一锤子下去必定能打到地鼠。

总之，核心思想就是，只要我们不去测量电子，它的状态就永远处在不确定中，没有确定的位置，也没有确定的速度。任何测量行为，只能让我们知其一，不可能两个都知道。这就是量子力学的第一原理：不确定性原理。

不确定性原理一提出来啊，立即就遭到了无数的质疑。对于当时的大多数物理学家们来说，这简直是大逆不道。然而，正是这种“大逆不道”的理论，在后来逐渐得到了实证的支持，成为了量子力学的重要基石之一。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品

作者：科学声音

审核：北交大物理实验室高级工程师 周晓亮

出品：中国科协科普部

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