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第三十一集
我们的实话说到这儿
是时候回顾一下走过的路程了
我们已经看到这宣赫一时的经典物理大厦如何呼啦啦的轰然倾倒
我们已经看到
以黑体问题为导火索
普朗克的量子假设是如何点燃了新革命的星星之火
在这之后呢
爱因斯坦的光量子理论赋予了新生的量子以充实的力量
让他第一次站起身来
傲视群雄
而波尔的原则理论呢
借助了他的无穷能量
开创出了一片崭新的天地来
我们也已经讲到啊
关于光的本性
量子和波动两种理论是如何从三百年前就开始不断的交锋
其间兴废存亡
犹如白云苍狗
沧海桑田
从德布罗一开始
这种本质的矛盾就成为了物理学的基本问题
而海森堡呢
从不连续性出发
创立了他的矩阵力学
薛定谔沿着另外一条连续性的道路
也发现了他的波动方程
这两种理论虽然被数学证明是同等的
但是其物理意义却引起了广泛的争论
布恩的概率解释呢
更是把数百年来的决定论推上了怀疑的舞台
成为了浪尖上的焦点
而另外一方面
波动和威力的战争
现在也到了最关键的时候
接下去
物理学中呢
将会发生一些真正奇怪的事儿
它将把人们的哲学观改造成为一种似是而非的疯狂理念
并把物理学本身变成一个大漩涡
二十世纪最著名的争论即将展开
其影响一直延绵到今日
我们已经走了这么长的路
现在都筋疲力尽
萎顿不堪
可是我们已经无法掉头
回首处
白云遮断归途
回到经典理论那温暖的安乐窝中
已经是不可能的了
摆在我们眼前的
只有一条漫长而崎岖的道路
一直通向遥远而未知的远方
现在
就让我们鼓起勇气
跟着物理学家们继续前进
去看看隐藏在这道路尽头的
究竟是怎样的一幅景象
我们这就回到一九二七年的二月
那个神奇的冬天
过去的几个月呢
对于海森堡来说
简直就像一场噩梦
越来越多的人转头向薛定谔和他那该死的波动理论一方
把他的矩阵忘的是一干二净
海森堡当初的那些出色的论文
现在给人们改写成波动方程的另类形式
这样他尤其不能容忍
他后来给炮利写信说
对于每一份矩阵的论文
人们都把它改写成共恶的波动形式
这让我非常讨厌
我想他们最好两种方法都学学
但是最让他伤心的
无疑是波尔也转向了他的对立面
波尔
那个他视为严师
慈父
良友的波尔
那个他们背后称作量子论教皇的波尔
那个哥本哈根军团的总司令和精神领袖
现在居然反对他
这让海森堡感到无比的委屈和悲伤
后来当波尔又一次批评他的理论时
海森堡甚至当真哭出了眼泪
对海森堡来说
波尔在他心目中的地位是独一无二的
失去了他的支持
海森堡感觉就像在河中游水的小孩子失去了大人的臂膀
有种孤立无援的感觉
不过现在波尔已经去挪威度假了
他大概在滑雪吧
海森堡记得波尔的滑雪水平拙劣的很
不禁微笑一下
波尔已经不能提供什么帮助了
他现在和克莱恩抱成一团
专心致志的研究什么相对论化的波动
波动
海森堡哼了一声
打死他
他也不承认电子应该解释成为波动
不过事情还不至于糟糕到顶
他至少还有几个战友
老朋友 炮利
哥挺根的约尔当
还有迪拉克
他现在也到哥本哈根来访问了
不久前
迪拉克和约尔当分别发展了一种转换理论
这使得海森堡可以方便的用矩阵来处理一些一直用薛定谔方程来处理的概率问题
让海森堡高兴的是
在迪拉克的理论里
不连续性被当成了一个基础
这更让他相信薛定谔的解释是靠不住的
但是如果以不连续性为前提
在这个体系里
有些变量就很难解释
比如一个电子的轨迹总是连续的吧
海森堡紧力的回想矩阵力学的创建史
想看看问题出在哪里
我们还记得海森堡当时的假设是
整个物理理论只能以可被观测到的量为前提
只有这些变量才是确定的
才能构成任何体系的基础
不过海森堡也记得
爱因斯坦不太同意这一点
他受古典哲学的熏陶太浓
是一个无可救药的先验主义者
你不会真的相信只有可观察的量才能有资格进入物理学吧
爱因斯坦曾经这样问他
为什么不呢
海森堡吃惊的说
你创立相对论时
不就是因为绝对时间不可观察而放弃他的吗
爱因斯坦笑了
好把戏不能玩两次啊
你要知道
在原则上
试图仅仅靠可观察的量来建立理论是不对的
事实恰恰相反
是理论决定了我们能够观察到的东西
是吗
理论决定了我们观察到的东西
那么理论怎么解释一个电子在云市中的轨迹呢
在薛定谔看来
这是一系列本正态的叠加
不过
忘了他吧
海森堡对自己说
还是用我们更加正统的矩阵来解释解释吧
可是矩阵是不连续的
而轨迹是连续的
而且所谓诡计
也早就在举阵创立时
被当做不可观测的量被抛弃了
窗外夜阑人静
海森堡是冥思苦想而不得要领
他惆肠百结
辗转难寐
决定起身到离波尔研究所不远的公园去散散步
深夜的公园空无一人
晚风吹在脸上还是凛冽寒冷
不过却让人清醒
海森堡满脑子都装满了大大小小的矩阵
他又想起矩阵那奇特的乘法规则
p乘q不等于q乘p
理论决定了我们观察到的东西
理论说
p乘q不等于q乘p
它决定了我们观察到的什么东西呢
一乘二什么意思呢
先搭乘一号线
再转乘二号线
那么p乘q什么意思
p是动量
q是位置
这不是说
似乎一道闪电划过夜空
海森堡的神智突然是一片清澈空明
p乘q不等于q乘p
这不是说
先观测动量p
再观测位置q
这和先观测p
再观测q
其结果是不一样的吗
等等
这说明了什么呢
假设我们有一个小球向前运动
那么在每一个时刻
它的动量和位置不都是两个确定的变量吗
为什么仅仅是观测次序的不同
其结果就会产生不同呢
海森堡的手心里是捏了一把汗
他知道这里面藏着一个极为重大的秘密
这怎么可能呢
假如我们要测量一个矩形的长和宽
那么先测量长还是先测量宽
这不是一回事吗
除非
除非测量动量p这个动作本身影响到了q的数值
反过来
测量q的动作也影响p的值
可是
笑话
假如我同时测量p和q呢
海森宝箱突然看见了神奇
它豁然开朗
p乘q不等于q乘p
难道说
我们的方程想告诉我们
同时观测p和q是不可能的吗
理论不但决定我们能够观察到的东西
它还决定哪些是我们观察不到的东西
但是我给搞糊涂了
不能同时观测p和q是什么意思呢
观测p影响q
观测q影响p
我们到底在说些什么呢
如果我说
一个小球在时刻t
它的位置坐标是十米
速度是五米每秒
这有什么问题吗
有问题
大大有问题
海森堡拍手说
你怎么能够知道在时刻t
某个小球的位置是十米
速度是五米每秒呢
你靠什么知道啊
靠什么
这还用说吗
观察呀
测量呀
关键就在这里
测量
海森堡敲着自己的脑壳说
啊
我现在全都明白了
问题就出在测量行为上面
一个矩形的长和宽
那都是定死的
你测量它的长的同时
其宽绝不会因此而改变
反之亦然
再来说经典的小球
你怎么测量它的位置呢
你必须得看到它
或者用某种仪器来测量它
对吧
不管怎么样
你得用某种方法去接触它
不然你怎么知道它的位置
啊
就拿看到来说
你怎么能看到一个小球的位置呢
总得有某个光子从光源出发
撞到这个球身上
然后反弹到你的眼睛里吧
关键是
一个经典小球是一个庞然大物
光子撞到它
那就像蚂蚁撞到大象
绝它的影响小的可以忽略不计
绝不会影响它的速度
正因为如此
我们大可以测量了它的位置之后呢
再从容的测量它的速度及误差
微不足道
但是
我们现在在谈论电子
它是如此的小而轻
以至于光子对它的撞击呢
绝不能忽略不计了
测量一个电子的位置
好
我们派遣一个光子去执行这个任务
他回来怎么报告呢
是的
我接触到了这个电子
但是他给我狠狠撞了一下后
飞到不知什么地方去了
他现在的速度
我可什么都说不上来
看
为了测量它的位置
我们剧烈的改变了它的速度
也就是动量
我们没法同时既准确的知道一个电子的位置
同时又准确的了解它的动量
海森堡飞也式的回到研究所
埋头一阵苦算
最后他得出了一个公式
德耳塔p乘以德耳塔q大于四百分之h
德耳塔p和德耳塔q分别是测量p和测量q的误差
h是普朗克常数
海森堡发现
测量p和q的误差
他们的成积必定要大于某个常数
如果我们把p测量的非常精确
也就是说
德耳塔p非常的小
那么相应的
德耳塔q必定会变得非常大
也就是说
我们关于q的知识就要变得非常模糊和不确定
反过来
假如我们把位置q测的非常精确
p就变得摇摆不定
误差急剧增大
假如我们要把p测量的百分之百准确
也就是说
德耳塔p等于零
那么德耳塔q就要变得无穷大
这就是说
假如我们了解一个电子动量p的全部信息
那么我们同时就失去了它位知q的所有信息
我们一点儿都不知道他究竟身在何方
不管我们怎么安排实验都没法做得更好
鱼与熊掌不能得兼嘛
要么我们精确的追到p而对q放手
要么我们精确的追到q而放弃对p的全部知识
要么我们折中一下
同时获取一个比较模糊的p和比较模糊的QP和q就像一对前世冤家
他们人生不相见
动如身与伤
处在一种有你无我的状态
不管我们亲近哪个
都会同时的急剧疏远另外一个
这种奇特的量被称为共轭量
我们以后会看到啊
这样的量还有很多
海森堡的这一原理呢
于一九二七年三月二十三日在物理学杂志上发表
被称作uncertaintyprinciple
当他最初被翻译成中文的时候
啊
被十分可爱的翻译成为了测不准原理
不过呢
现在大多数都改为了更加具有普遍意义的不确定性原理
您刚才收听到的是由磨铁图书出品的精品有声书上帝治头子嘛量子物理史话
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