什么是海森堡（德国物理学家）不定性原理？--查德 · 奥泽尔

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海森堡不定性原理是指想要同时准确地知道微观粒子的位置和动量是不可能的。查德 · 奥泽尔为您解释了这一复杂量子物理概念。

海森堡不确定性原理
是少数可以从量子物理领域

拓展到普罗大众文化的物理原理之一。

它指出人不能既知道一个物体的具体位置，

又同时知道这个物体的运动速率。
它在各个领域被作为隐喻使用，

无论是从文艺评论，还是到体育评论中都有它的身影。

不确定性常常被认为是测量时产生的，

因为对于一个物体位置的测定会改变该物体的速度，
反过来也是一样。

但是真正的原理要更加深奥，并且更加奇妙有趣

不确定性原理之所以存在
是因为宇宙中的任何东西

都同时表现出「粒子」和「波」的两种性质。

在量子力学中，
一个物体的确切位置和速度

没有任何意义。

要理解这一点，

我们需要知道表现的像「粒子」
或是像「波」究竟是什么意思。

粒子按照其解释，存在于任意瞬间的一个单独的空间里。

我们可以用像一张鞋钉一样的图案表现它，

从中我们可以发现要在特定的空间里找到一个物体的概率。

在某一个特定地点，概率是 100%，
在别处则都是 0%。

而波则是「扰动」在空间中的传播，

就像是湖面上荡起的涟漪。

我们可以很容易的将「波」作为一个整体，
然后确立它的一些特性。

其中最重要的，就是波长。

波长是相邻两个波峰之间，

或者两个相邻波谷之间的距离。

但是我们并不能给他分配一个特定的位置。

波有很大概率处于各种不同的位置。

波长是量子物理的基础。

因为一 个物体的波长
和它的动量是息息相关的：

动量 = 质量乘以速度。

一个快速运动的物体有很大的动量，

所以波长也就很短。

一个很重的物体本身具有很大的动量，
即使它并没有快速运动。

同样的，也代表了它的波长很短，

这也是为什么我们观察不到
日常用品的波的性质的原因。

如果你将一个棒球投掷于空中，

它的波长是一米的亿分之万亿分之万亿分之一。

实在是太小了，基本不可能检测到。

然而，更小的物质
比如说原子或者电子，

则有一个足够大的
能在物理实验中测量出的波长。

所以如果我们有一个纯粹的波，
我们就能测量它的波长，

从而得到它的动量。
但是却得不到它的位置。

我们可以很容易知道一个粒子的位置，

但它却并没有波长，
所以我们也不知道它的动量。

为了同时得到一个粒子的位置和动量，

我们需要融合两个图像。

来创造一个有波的图，
然而尽在很小的区域里。

我们如何来做呢？

通过将不同波长的波进行融合。

这就意味着我们的量子物体
具有不同动量的可能性。

当我们让两个波相加时，
我们发现有些地方

两个波的波峰对齐
并且组成了一个更大的波。

然而在另外一些地方，一个波的波峰
却叠到了另一个的波谷里。

结果就是有些地方我们看得到波，

另一些地方，则什么都没有。

如果我们再加上第三个波，

那些波被消减的区域就变大了。

加上第四个，依旧变大，
但波的区域逐渐变窄。

如果我们持续添加更多的波，
我们能得到一个波包：

在一个很小的区域里
有一个确定的波长。

这就得到了一个同时拥有波的属性
和粒子的属性的量子物体。

但是为了完成这一点，
我们得到的位置和动量

就都不具备确定性了。

而且它们位置并非规定在一个单独的点上。

我们有很高的概率
在波包内的范围里

的任何地方找到它。

我们通过多个波相加的办法
得到了这个波包，

于是我们就有可能找到
其中一个位置的量子物体，

拥有与之相应的动量。

所以位置和动量现在就都是不确定的了。

并且这种不确定性是相关联的。

如果你想降低位置的不确定性，

就得用更多的波相加，
构造一个更小的波包，

从而导致了一个更大的动量不确定性。

如果你想更明确的得到动量值，
就需要一个更大的波包，

这样就导致了更大的位置的不确定性。

这就是海森堡不确定性原理。

最初被德国物理学家
Werner Heisenberg 早在 1927 年提出。

这种不确定性和测量的好与坏无关，

是一种结合波和粒子
两种性质之后的不可避免的结果。

不确定性并不仅仅是
测量上的实际限制，

它是一种对于物体只能有一种性质的限制，

并建立在宇宙本身的基本构成之上。