宇宙是什么

7. 不确定性原理：位置和速度无法同时测定吗？

  接下来，我将介绍量子力学的相关内容。相对论几乎是由爱因斯坦一个人创立的，而量子力学则是由众多物理学家的灵感与智慧构建出来的。

  前文曾提及，量子力学理论的起源，是普朗克的量子假说和爱因斯坦的光量子假说。在这两个假说的基础上，玻尔提出了电子拥有离散的轨道的观点，德布罗意又进一步提出了物质是“波”的理论。

  说起来，这些话题已经非常奇妙了。不过，试图说明微观世界的量子力学，之后又出现了更加奇妙的理论，即德国理论物理学家海森堡提出的“不确定性原理”。这个理论可以说颠覆了牛顿力学中的常识。

  在牛顿力学中，如果知道物体在某一时刻的位置和速度，那么就能求出之后的位置和速度。这是理所当然的。例如，如果我们知道球滚动的速度，那么可以轻易预测出球在10秒后的位置。如果无法做到这一点，那么职业的台球选手恐怕就要失业了。

  然而，海森堡认为，在微观世界中无法同时测定粒子的准确位置和速度。想要精确地测定粒子的位置，其速度就难以测定；想要精确地测定粒子的速度，其位置就难以测定。

  海森堡用下面的公式来表示这种位置与速度的关系（这里的“动量”是表示物体运动趋势的量，由质量×速度决定）。

  Δx（位置的不确定程度）×Δp（动量的不确定程度）＞h（普朗克常数）

  Δx与Δp的乘积绝不会比普朗克常数小。因此，位置越准确，动量的不确定性就越大；动量越准确，位置的不确定性就越大。

  要准确理解该公式，需要用到专业数学知识，在此就省略不谈了。将物体看作“粒子”的话，理解不确定性原理可能会比较困难，但如果将物体看作“波”的话，海森堡所言之事就比较好懂了。例如，所谓位置越精确动量的不确定性就越大，与海啸倒灌进狭窄的河流入海口，导致河水水位急剧上升，进而淹没周边房屋的原理是一样的。

  波具有“扩散”的性质，所以准确测定它的“位置”和“速度”非常困难。而且，我们不知道应该在何处以及如何对波进行测量。

  波似乎让人无处着手。当然，这都是微观世界中才会考虑的事情。在牛顿力学支配的宏观世界里，忽略“波的扩散”也没有关系。

  不过，如果提升显微镜的分辨率，拉近镜头来观察，那么就会发现其实我们身边的物体也存在非常微弱的“涨落”。要想精准把握基本粒子的世界，就不能忽视这种“涨落”了。