量子物理与哲学的第一个碰撞点——不确定性原理

“测不准原理不是关于测量极限的描述，而是关于现实极限的声明。问一个粒子的精确位置和动量甚至没有意义，因为这些量不存在。”

——查德·奥泽尔《如何跟你的狗聊量子物理》

在读《如何跟你的狗聊量子物理》一书以前，我从未相信，物理学也可以极具诗意和哲学的美感。

抛开繁琐的公式和枯燥的理论，量子世界对每一个普通人敞开了大门。

与经典物理不同的是，量子物理描述了一个超越了我们日常所见、颠覆了我们常识的世界。正因如此，很多人都对此望而却步。

量子物理是微观尺度下的科学，也是生活日常琐碎中的真相。

让我们从一个最基础的原理开始，来欣赏这个肉眼无法看见的世界，了解这个宇宙的构建法则。

海森堡测不准原理（不确定性原理）是少数几个可以从量子领域拓展到普罗大众文化领域的物理学原理之一。原理指出，你无法同时确定一个物体的精确位置和它的精确速率。很多领域引用这条原理作为一种比喻，从文学批评到体育评论都有。测不准原理经常被认为是测量行为导致的，测量物体的位置会改变它的速率，反之亦然。但真正的原因更加深澳，也更有趣。

之所以会有测不准原理，是因为宇宙中所有的物体都兼具“粒子”和“波”两种性质。

在量子力学中，一个物体的确切位置和确切速度是没有意义的。要理解这一点，我们需要明白“粒子”和“波”的性质。粒子可在某一时间存在于特定位置，我们可以用图表来表示在粒子出现不同位置的概率，图标的形状像钉子，在一个特定位置，例子出现的概率是百分之百，其他的地方都是零。而“波”是“扰动”在空间中扩散的现象，就像水面上的涟漪，我们可以将“波”的各种性质看作一个整体，其中最重要的是波长，它是两个响铃的波峰活波谷之间的距离，但我们无法确认波的具体位置，它可能出现在各种不同的地方。

“波长”是量子物理中非常重要的一个概念，因为一个物体的波长与它的动量，即质量与速度的乘积有关。一个快速运动的物体的动量很大，而对应的波长很短；一个重物即使速度不快，动量也很大，也就意味着它的波长很短，这就是我们在日常生活中察觉不到物体的波动性的原因。如果你丢出一个棒球，它的波长只有1米的1/1033，根本检测不到。但很小的粒子，如原子或电子，波长可以大到在物理实验室中被检测出来。所以如果我们有一个纯波，就可以测量它的波长，进而得到它的动量，但无法测出它的位置。另一方面，我们很容易得到一个粒子的位置，但它没有波长，所以我们计算不出它的动量。

要同时得到一个粒子的位置和动量，我们需要把两个图象结合起来，做出一个在很小区域内有波的图像。如何实现这一点呢？方法是叠加多个波长不同的波，也就是赋予物体不同的动量。

当我们把两个波叠加，会发现有些地方的波峰对齐，形成了更大的波峰；

另一些位置的波峰与波谷对齐而相互抵消。结果是，有些位置我们看得到波，有些位置什么都没有。

如果加入第三个波，波被抵消的区域会增大，再加一个，抵消区域更大，有波的区域更小。持续叠加波，就可以得到一个波包，在一个很小的区域内有确定的波长，这便是一个兼有“波”和“粒子”的性质的物体。

但要做到这一点，我们不得不失去位置和动量的准确性，这个物体并不局限于某个位置，在波包的范围内都可能发现它。我们通过叠加很多波来得到波包，因此有可能找到与其中某个波相对应的动量，而此时位置和动量都是不确定的，且这些不确定因素之间存在联系。

如果你想通过制造更小的波包来减少位置的不确定性，就需要叠加更多的波，波数增加使动量更不确定。如果你想得到更准确的动量，就需要更大的波包，位置的不确定性就更大。这就是海森堡测不准原理。

这一原理最初在1927年由德国物理学家维尔纳·海森堡提出。

这种不确定性与测量的好坏无关，而是“粒子”和“波”两种性质相结合的必然结果。测不准原理不仅仅使测量中的实际限制，还限制了物体只能表现出一种性质（“粒子”或“波”）。它是构建宇宙基本结构的原理之一。

“我读过很多量子物理的书，没有一本像这本这样通俗易懂。”——读者

今天，谁掌握了量子科技，就掌握了新一轮科技革命和产业革命的关键核心技术。《如何跟你的狗聊量子物理》是一本你真正能读懂的量子物理入门书。

让我们抛开对无知的恐惧，了解科技新动态，构建量子思维，主控未来。