盧雨生

摘? 要：不確定性原理是量子力學的基本原理之一，也是量子理論的重要基礎(chǔ)，由海森堡于1927年提出。其意思是不可能同時知道一個粒子的位置和速度，粒子位置的不確定性必然大于或等于普朗克常數(shù)，這表達了一種在微觀粒子與宏觀物質(zhì)之間的不一致性。文章簡單介紹不確定性原理的提出，并且對不確定性原理與不確定性進行對比，此外也從主流的科學角度試述不確定性原理的不確定性。

關(guān)鍵詞：不確定性原理;不確定性;小澤不等式

中圖分類號：O413.1? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）16-0053-02

Abstract： Uncertainty principle is not only one of the basic principles of quantum mechanics， but also an important basis of quantum theory， which was put forward by Heisenberg in 1927. It means that it is impossible to know the position and velocity of a particle at the same time， and the uncertainty of the particle position must be greater than or equal to the Planck constant， which expresses a kind of inconsistency between the microscopic particle and the macroscopic matter. This paper briefly introduces the uncertainty principle， and compares it with the uncertain factors. In addition， it also tries to describe the uncertainty of the uncertainty principle from the mainstream scientific point of view.

Keywords： uncertainty principle; uncertainty; Ozawa inequality

1 不確定性原理的提出

不確定性原理充分體現(xiàn)了微觀粒子的波粒二象性。驗證它的實驗是通過對電子、中性鉀原子等實物粒子的衍射完成的，光的波動性質(zhì)實驗研究是先于量子力學研究的。單縫衍射和雙縫干涉被認為是波才具有的現(xiàn)象，所以當實驗證明粒子能發(fā)生衍射和干涉時，粒子的波粒二象性就被確定下來了。但在量子力學發(fā)展的早期階段并沒有過多依賴于粒子的衍射和干涉的實驗結(jié)果，在現(xiàn)實中人們也認識到作為波動的光的粒子性質(zhì)，也逐漸接觸到實物粒子的波動性質(zhì)。電子單縫衍射的實驗結(jié)果能夠使人更清楚地理解粒子的波粒二象性和不確定性原理，在電子的單縫衍射和光的單縫衍射類似實驗中，電子通過第一個狹縫后準直再通過第二個細小的狹縫，到達屏時出現(xiàn)類似于光波的衍射圖案，這證實了一直被認為是粒子的電子的波動性。實驗還發(fā)現(xiàn)，第二個狹縫越窄，衍射的范圍越大，體現(xiàn)了粒子的位置測量越準，動量的測量結(jié)果就越不準。各種實物粒子單縫衍射實驗證明了粒子具有波動性，也就是波粒二象性，這是不確定性原理的重要內(nèi)容，也是量子理論的核心。

根據(jù)不確定性原理我們知道粒子的位置和動量不能同時測量，這使得經(jīng)典力學中的一些概念是失效的，例如軌道概念和靜止概念。霍金在時間簡史中提到海森堡的不確定性原理是世界上一個基本的不可避免的性質(zhì)，它對我們觀察世界的方式有深遠的意義。不確定性原理標志著拉普拉斯科學理論之夢的終結(jié)，如果我們甚至不能測量宇宙現(xiàn)在的狀態(tài)，肯定不能準確地預言未來的事件。在量子力學與牛頓經(jīng)典力學的對話中我們可以發(fā)現(xiàn)，量子將一種不可預見性或者隨機性的不可回避因素引入科學。但是，盡管存在不確定原理，仍然沒有必要放棄物理定律制約世界的信念，大多數(shù)科學家最終心悅誠服地接受了它。

2 不確定性原理與不確定性

不確定性與確定性是一組對立的存在，不確定性是對確定性的基本否定。確定性從字面上來看就是指明確與肯定，從語言學及深層次哲學角度來看：確定性是指事物在質(zhì)與量上的唯一、純粹和極端。通常確定一件事情就是要達成一定的目標，但追求目標過程中我們發(fā)現(xiàn)客觀世界更普遍的卻是難以把握的不確定性。對不確定性原理的進一步深入認識，離不開對不確定性概念的分析：

其一，從認識論的角度看，人們沒有能力對客觀事物的發(fā)展進程做出精準的預測?？陀^事物及其發(fā)展結(jié)果都已經(jīng)是確定好的，但是由于技術(shù)落后會給認識的結(jié)果造成偏差，這是一種以主體性為主的不確定性。其二，客觀物質(zhì)世界也存在著事物本身固有的不確定性，這與人的認識能力是不相關(guān)的，我們將其稱之為客體性為主的不確定性。其三，主客體性并重的不確定性，這類不確定性其主體性和客體性分別在不同層面上占據(jù)主導的地位。比如說哲學的一個重要的范疇“自由”，也意味著不確定性，并且這種不確定性是未分出主體性和客體性的。其四，潛無限情況下的不確定性，潛無限是在數(shù)學基礎(chǔ)研究中指無限是一種永無終止的過程，潛無限情況的不確定性是與上述三種不同的方向，潛無限與實無限總是相差一個無限小量，因而總是有這樣一個無限小的不確定性存在著，潛無限是指把無限看成一種過程，一種永遠處于生成狀態(tài)之中的過程。這種很有邏輯味道的不確定性在數(shù)學等復雜科學中有很大的應用。前三種不確定性的都是由主客體的不對稱性造成的，而在潛無限意義下的不確定性可能是邏輯在先，因此也更加復雜具有科學意義程度更深，也將是未來不確定性研究的主流。

3 不確定性原理并不確定

奧地利維也納科技大學的長谷川釣司教授及其合作者在2012年1月15日在發(fā)表的《自然·物理》雜志上報到了精心設計的實驗，實驗結(jié)果并不符合量子力學基本原理——不確定性原理，而是與日本名古屋大學小澤正直教授在2003年發(fā)表的修正版不確定性原理——“小澤不等式”符合的很好。如果如此的話，修正版的小澤不等式很有可能在未來的量子信息技術(shù)等新興技術(shù)方面發(fā)揮作用①。

在物理學中，引力波是指時空彎曲中的漣漪，通過波的形式從輻射源向外傳播，這種波以引力輻射的形式傳輸能量。在1916年，愛因斯坦基于廣義相對論預言了引力波的存在。實用的引力波探測裝置是在“激光干涉儀”上進行的，使用激光來檢測鏡子之間的距離是否會發(fā)生改變。①

4 結(jié)論

對于現(xiàn)實生活中的許多事物，我們很難、也不可能了解以及把握他們的全部，這源自事物普遍具有的不確定性。不確定性原理使經(jīng)典力學不那么耀眼，但隨著科技的發(fā)展對于不確定性原理的不確定性的觀點也隨之提出。但不可否認的是：牛頓經(jīng)典力學也好，量子力學也好，都將科學原理應用于現(xiàn)實生活中，并且具有一定的現(xiàn)實指導意義。與其說是一種先進的學說取代了另一種不太流行的學說，倒不如說新老學說的更替是人類進步接力賽中的交接過程。雖然現(xiàn)代科學通過物理實驗、數(shù)學推演已經(jīng)初步形成了對傳統(tǒng)的挑戰(zhàn)，但這只是開始，我們也要學習科學家這種敢于挑戰(zhàn)權(quán)威，堅持不懈的精神。但愿人類這個共同體能夠用自己的智慧成果把未知的不確定性轉(zhuǎn)換成更多的確定。

注釋：

①王喬.修正不確定性原理[J].科學世界，2012，07.

②關(guān)洪.對海森伯射線顯微鏡思想實驗的再考查[J].大學物理，1988.

參考文獻：

[1]陳鄂生.量子力學基礎(chǔ)教程[M].山東：山東大學出版社，2003，09.

[2]楊桂林，江興方，柯善哲.近代物理[M].北京：科學出版社，2008.

[3]史蒂夫·霍金.時間簡史（普及版）[M].湖南：湖南科學技術(shù)出版社，2006，01.

[4]張本祥.確定性與不確定性[M].北京：中國社會科學出版社，2007，07.

[5]費恩曼，萊頓，桑茲.費恩曼物理學講義（第3卷）[M].上海：上?？茖W技術(shù)出版社，2005.

[6]唐建輝，何維杰.對不確定關(guān)系物理基礎(chǔ)及物理涵義的探討[J].邵陽學院學報（自然科學版），2008.

[7]陶一趣.不確定性并不確定[J].新發(fā)現(xiàn)，2012，11.

[8]王喬.修正不確定性原理[J].科學世界，2012，07.

[9]關(guān)洪.對海森伯射線顯微鏡思想實驗的再考查[J].大學物理，1988.

[10]王捷.淺析不確定性原理的哲學內(nèi)涵[J].中國科技縱橫，2012.