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第3章 贵族炸弹和花粉(第3页)

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罗伯特·奥本海默是海森堡在美国的对手,他曾试图用涂抹有毒化学物质的苹果(真是童话风格)毒害他的博士导师—我们可以称之为谋杀未遂。

[8]

如果不考虑后半生的政治色彩,海森堡对量子论的贡献是无价的。

排除一切干扰

有一年夏天,海森堡患上了严重的花粉热,决定去黑尔戈兰岛度假,那里没有产花粉的植物。

在那个短假里,海森堡偶然想出了一种新方法,可以解决量子论的数学问题,其中包括他最知名的理论“海森堡不确定性原理”

[9]

粒子有一些明确定义的、我们可以测量的性质,比如位置、速度、质量,等等。

如果我们知道初始状态下粒子的所有信息,那么理论上我们就可以预测它在下一刻的所有信息,以及下下一刻和下下下一刻的所有信息。

这种决定论哲学起源于牛顿,它也是使物理学变得如此重要的原因。

古代的神秘主义者宣称,献祭处女和饮鸽子血可以预测未来,而牛顿指出,用几个方程就可以百分之百地做到这一点。

但德布罗意和他的同事发现,粒子也具有波动性。

在牛顿物理学中,“粒子的位置”

和“粒子的速度”

是两个独立的问题。

但根据定义,波是不断运动的,且位置分布在一个区域内,因此,速度和位置这样的概念不再彼此独立。

对于波而言,如果你知道了一些关于位置的信息,那你也就知道了一些关于速度的信息,反之亦然—这两个性质是相互联系的。

海森堡把类似的想法应用到粒子上。

不能把粒子的运动和位置视为相互独立的,因为粒子只有部分是粒子。

如果我们有个粒子,并且还未对它进行测量,那么我们可以用这样的图表示它可能的动量和位置:

我们所知道的是,粒子的物理特性将会落在曲线内的某处。

通常,在经典物理学中,我们测量一个粒子,就是把这个区域压缩成网格中的某一点,这个点会准确地描述两个值,告诉我们粒子的位置和动量。

在上面这个图中,我们沿着横轴读,找到粒子的位置,然后沿着纵轴读,找到粒子的动量。

很简单。

但海森堡知道,波是不同的。

当你试图准确描述波的时候,会得到这样一个尖峰:

我们知道了粒子的确切位置,是因为我们把它的位置固定到横轴的一个值上,但如果纵向读图,我们会发现同时出现了各种各样的动量值。

波的位置和动量并不像经典力学那样泾渭分明,如果你知道了粒子的位置,就不可能准确知道粒子的动量。

或者我们想象沿另一个方向挤压。

我们准确地测量了粒子的动量,结果却发现粒子同时存在于许多地方:

在量子论中,动量和位置是相互联系的,所以我们可以知道粒子在哪里或者粒子的动量是多少,但永远不可能同时知道。

我们确定吗

这是最早的“不确定性关系”

,也是最常被引用的一个:你永远不能同时知道粒子的位置和动量,如果你知道其中一个,就遮蔽了另一个。

随着量子论的发展,我们发现了其他一些相互关联的性质(我们将在以后讨论),但海森堡的原始理论仍然动摇了物理学的根基。

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