因果论的终结者-量子力学不确定性原理

关键词：不确定性原理  爱因斯坦光箱实验 共轭量  红移效应

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海森堡（Werner Heisenberg，1901年－1976年）是哥本哈根派的代表人物之一，德国著名物理学家。他于20世纪20年代创立的量子力学，可用于研究电子、质子、中子以及原子和分子内部的其它粒子的运动，从而引发了物理界的巨大变化，开辟了20世纪物理时代的新纪元。为此，1932年，他获得诺贝尔物理奖，成为继爱因斯坦和波尔之后的世界级的伟大科学家。

海森堡

什么是不确定性原理？（Uncertainty principle）这个理论是说你不可能同时知道一个电子的位置和动量，位置的不确定性，必然大于或等于普朗克斯常数除于4π：（ΔpxΔq≥h/4π），

海森堡的矩阵力学中有个奇特的乘法规则：p是电子的动量，q是电子的位置。

p*q≠ q*p

这说明我们先观测动量p，在观测位置q，和先观测位置q，再观测动量p，其结果不一样，这是为何？原因是我们观测动量p的这个动作，影响了q的数值，反过来也是一样。这两者不能同时观测到。

比如说我们要测量一个电子的位置，这就需要一个光子撞击电子，然后再反弹到你的眼睛里。问题是，光子撞击完后，你看到了电子，可是因为剧烈的撞击，电子已经不知道飞到什么地方去了，这个时候电子的速度你就无法得知了，为了得到他的位置，我们剧烈的改变了它的速度，也就是动量。而在宏观世界中，光子对经典小球的撞击是可以忽略不计的，这样我们在测量完位置之后，可以从容的测量小球的动量。而在量子世界中，这是不可行的。

海森堡经过埋头苦算得出了一个公式：

ΔpxΔq≥h/4π

Δp和Δq分别是测量p和q的误差，h是普朗克常量

按照这个公式，如果位置动量的100%的准确，那么Δp=0，也就是说Δq 将趋向于无穷大，这意味着测量位置的误差无穷大，在动量确定的情况下，我们根本无法准备测量位置。

电子的动量P和位置q就像一对冤家，有你没我，有我没你。不管亲近那个，都会导致另外一个急剧疏远，无法同时精确测量，这种奇特的量被称为“共轭量”。这在宏观世界中是不能理解的，一个物体的动量和位置，不都是可以测量的吗，为何作为电子就不行了？这是因为量子世界中，电子是如此的微小，以致我们的介入对其产生了致命的影响，我们本身的扰动使得测量中充满了不确定性，从原则上都无法克服。

根据不确定性理论，不是实验导致的误差，而是理论限制了我们能观测到的东西。同时测量准确的动量和位置在原则上是不可能的，不管科技多么达到都不行。这就像你永远无法造出永动机一样。

根据牛顿的经典物理理论，任何一个物体，我们知道了它的初始条件，重量，速度，阻力等等，就可以精确的预测它的运动轨迹。可是，海森堡的不确定性理论告诉我们，你无法同时确定的电子的位置和动量，这就是说不是你无法预测电子的运动，而是你根本无法给出准确完备的初始条件！

为了维护经典物理的荣耀，在第六届索尔维会议上， 爱因斯坦向不确定性理论发出致命的一击，这就是爱因斯坦光箱实验。

光箱实验

这个思想实验是这样的，假设有一个装满光子的箱子，有个小孔，通过快门控制，每次只放出一个光子。因为时间极短，Δt是足够小的。那么现在箱子里少了一个光子，它的重量减轻了一点点，我们可以通过一个理想的弹簧秤测量出来，假设轻了Δm，这就是说飞出去的光子重m，根据相对论的质能方程E=mc2，可以精确的计算出箱子内部减少的能量ΔE。

那么ΔE和Δt都是确定的，海森堡的公式ΔE*Δt>h也就不成立。所以整个量子理论是错误的。

爱因斯坦这个大招是凝聚了毕生功力的一击，包含了他的成名绝技相对论。据说当时波尔就呆若木鸡，面如死灰，搜肠刮肚也没有找出这个实验的破绽。量子理论真的要完蛋了？

经过一晚上的冥思苦想，第二天早上，波尔终于想通了，物理学也得救了：）

波尔：“一个光子跑出去了，我们用一个弹簧秤测量它的重量Δm，看看箱子位移了多少，假设位移为Δ q，这样箱子在引力场中移动了Δ q的距离，根据广义相对论的红移理论，时间的快慢也随之改变Δ T。可以根据公式计算出：Δ T>h/Δ mc2，再代入质能公式Δ E=mc2，得到最终结果：Δ TΔ E>h，这正是海森堡的不确定性原理”。

有人说中间的推导没有看懂，我也是一样：（。ok，我们可以不理会数学推导，关键是爱因斯坦忽略了广义相对论的红移效应：引力场可以使原子频率变低，也就是红移，等效于时间变慢。也就是说我们在准备测量Δm时，在很大程度上改变了箱子里面的时钟，造成了一个很大的不确定的ΔT。这意味着在爱因斯坦的试验中，如果我们准确的测量Δm，或者ΔE时，我们就根本没法控制室光子的逃出时间T。

波尔这一招以其人之道，还治其人之身，简直天衣无缝。现在轮到爱因斯坦说出出话来了。因果论必须死，因为物理学需要生！爱因斯坦后来又发起了第三次攻击，EPR佯谬，后面我们有机会再说。波尔直至爱因斯坦去世也没有说服他，让他认为量子论是正确而且完备的。然而，别的科学家已经甚少关心这种争执，在量子论的引导下，各个分支蓬勃发现，从半导体到核能，从激光到电子显微镜，从集成电路到分子生物学，量子论成为有史以来在实用中最成功的物理理论。