《物理的故事——在悖论中前行》
第50节

作者: 江湖小片
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  在一次次争吵之后,海森堡伤心至极,才发表一年不到矩阵力学几乎到了无人问津的地步,能想起矩阵的人也是把矩阵改成了波动方程的另类形式。更令他伤心的是,他的同学泡利、他的导师玻尔等等都开始研究起波动方程了,他俨然成了一个光杆司令,而对于这个司令来说,最为攻坚的战役不来自波动方程,而是他内心一直无法挥去的阴影。
  前面说过,玻恩等人发现矩阵有个严重的问题,即A×B≠B×A,乘法交换律到此不再适用了。也就是说:先测量电子的速度后测量电子的位置,与先测量电子的位置再测量电子的速度会得到不一样的结果。对越简单的理论产生质疑就会让人感到害怕,弄不好会把物理学的天空捅个大窟窿。
  可是该捅还是要捅的,物理学家对未知的好奇心绝对不亚于任何一个吃货对美食的好奇心。真要捅破了再来补嘛,补得起来就自己补,补不起来就请个裁缝师傅补,请不到裁缝师傅那就请个“补鞋匠”来嘛!此时海森堡想起当年和“补鞋匠”的一段对话。
  矩阵力学在创立之初,秉承着“先测量、后建立理论”的理念,而那些只存在于猜测的物理量(比如电子轨道)都统统没有纳入计算范畴。那位自称干了七年“补鞋匠”是这样问海森堡的:“你不会真的相信,只有可观察的量才有资格进入物理学的吧?”
  “为什么不呢?你创立相对论的时候,不就是因为‘绝对时间’不可观察而放弃它的么?”海森堡回答。

  爱因斯坦笑道:“好把戏不能玩两次啊!要知道理论决定了我们能够观察的东西。”
  这个命题其实相当大,到底是理论决定了观测的量,还是观测决定了理论,这比先有鸡还是先有蛋复杂多了。海森堡对此提出了一个新的构想:如果同时测量电子的位置和速度会是如何呢?但是他又意识到这是个伪命题,无法成立。比如拿一个温度计测量一杯水的温度,必定要将温度计放入水中一段时间才能测量准确,但是温度计却又改变了水原本的温度;如果温度计放入水中时间很短很短,虽然水温因温度计的变化可以忽略不计,但是温度计测量的肯定又不准确。也就是说,要么不测量,要么测量了也不知道水的真实温度,这和绝对时间道理一样。

  电子也是如此,要知道电子的具体位置必须要用仪器测量,假设人类已经先进到制作出一个无比厉害的显微镜,能够让肉眼观察到电子。而问题是肉眼必须通过光线才能看到物体,当光线照到电子时,电子的运动特征已经被光子改变了,换句话说,我们无法同时得知电子的位置和速度,先测量速度,位置就有误差;先测量了位置,速度就有误差,也就是测不准。海森堡还通过矩阵测算出这两个误差的乘积不小于某个常数:�6�2x×�6�2p≥h/2π。这个公式是经过严格推到得出的,换成经验公式是,�6�2E×�6�2t≥h/2π(E是能量、t是时间、h是普朗克常数、π是圆周率)。

  1927年3月海森堡发表论文,阐述了该原理—测不准原理。现在翻译成具有普适性的名字“不确定原理”。
  当还在度假的玻尔接到了海森堡的来信,匆匆忙忙就赶回了哥本哈根,他意识到问题远比海森堡想的要严重的多。在这么长时间的度假中,玻尔也重新审视了波动方程。当他见到海森堡的时候,海森堡还是坚持完全是电子的微粒型在测量上导致的不确定,且完全否定了波动性。这正是玻尔所要批评海森堡的地方,因为玻尔觉得不确定原理应该建立在波动性与微粒性基础之上,也比海森堡想象的还要更具有广泛性。

  顽固的海森堡和玻尔大吵了一架,吵着吵着,海森堡哭了。不怕对手千军万马,只怕队友突然变卦,更何况“变卦”的还是自己的导师玻尔。波尔也身心俱疲,1926是在争吵中度过,1927也好不到哪儿去。不同的是,以前的争吵纯属学术探讨,如今已经涉及到个人关系了。为此泡利不得不到哥本哈根中间调停调停,俩人关系才恢复如初。
  闲言少叙!请问电子到底是个什么东东?是波还是粒子呢?很可惜,电子怎么看怎么不像波,但是怎么看怎么不像粒子。难道它和光一样即是波又是粒子?难道和前面的光一样,用一句“波粒二相性”就概括了?“波粒二相性”是个很好的字眼,打不赢、输不了时取个折中,谁也不得罪,但是得罪不得罪不是玻尔要考虑的,他给出了最终的答案:电子也好、光子也罢,在某个观测的时候,它不会拥有两种性质,当电子打在屏幕上,呈现的是微粒性,因为屏幕也是个观测仪器;当电子通过双缝时,它会呈现出波动性,在空间上严格按照薛定谔的波动方程往前走、通过双缝。如果我们强行在两个缝上装个“超级摄像头”,看看到底电子是从哪个缝中经过的,对不起!这种观测从开始就默认了电子是个粒子,所以会如愿的观测到电子通过了一个隙缝。

  至于电子到底是什么?无关紧要,那是一种不可观测的状态,既然无法观测,那么就没有意义。只有在观测之后,我们才能知道电子到底是什么东东。试想一下,当我们闭上双眼,感觉电子就像雨雾一样遵照ψ函数的平方在房间里舒展开来,等我们一睁眼,它又Duang的一下子坍缩成一个粒子。
  难道是人为的观测决定了电子的性质?玻尔认为是的,其实不光是电子,整个世界都是如此,如果某个事物不能给定一种观测手段,那么这个事物没有任何意义。决定论不是受到了质疑,而是已经不复存在了。
  这就是玻尔1927年提出的“互补原理”,它和概率波函数ψ、不确定原理组成了量子力学的三大支柱。还是那句话,有多少人支持就有多少人反对,既然有这么大的分歧,那就开个会讨论讨论吧。
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