科技之徒
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戲說不確定原理
1900年，德國理論物理學家Max Karl Ernest Ludwig Plunck（23 April 1858~04 October1947）提出了著名的量子理論學說，在他那篇論文中，Plunck第一次提出了quanta的概念，就是所謂的量子，量子力學-Quantum Mechanics即來源於此。並因對量子力學開拓性的貢獻，而獲得1918年的諾貝爾物理學獎。這一概念的提出，為人類重新認識超微觀世界開辟了一條通途。其後多年，很多物理大家憑借對量子力學領域的探索性研究而獲諾獎。所以稱其為量子力學鼻祖，那是名副其實的。
Max Karl Ernst Ludwig Planck （1858.04.23~1947.10.04）The Nobel Prize in Physics 1918，Photo from the Nobel Foundation archive
另一個理論物理的晚輩大師Werner Heisenberg（1901.12.05~1976.02.01）【在研究量子理論的基礎上，提出了“不確定原理”：Uncertainty principle, also called Heisenberg uncertainty principle or indeterminacy principle, statement, articulated (1927) by the German physicist Werner Heisenberg, that the position and the velocity of an object cannot both be measured exactly, at the same time, even in theory. The very concepts of exact position and exact velocity together, in fact, have no meaning in nature. 簡而言之，也就是一個物體的位置和速率不能同時準確測定。一時間轟動物理界。這個原理顛覆了十八世紀到十九世紀，法國一位大師Pierre-Simon Laplace（1749.03.23~1827.03.05）提出的確定論思想。Laplace曾經很自信地回答法蘭西皇帝拿破侖的問題，隻要掌握了一套描述整個宇宙運行規律的定律，他可以從理論上預測宇宙未來的任何狀態。提出不確定原理的時候，Heisenberg還是個二十郎當歲的年輕科學家呢，而Laplace卻是一個譽滿全球的科學大家，Heisenberg竟敢太歲頭上動土，而且贏了。不能不說歐洲科學民主思想的偉大，也可見為啥科學的發展能在歐洲開始並且發揚光大起來。【同時間，中國留學歐洲的留學生們正在風花雪月，爭風吃醋，跑到歐洲研究國學呢。】
Werner Heisenberg（1901.12.05~1976.02.01）
什麽叫做不確定原理呢？文縐縐地講：人類測量和感知宇宙的方法，都離不開光-包括可見和不可見的光，根據量子力學，光具有波粒二相性。啥叫波粒二相性呢？就是當你看它象波的時候，它就顯示其粒子特性給你看，當你看它象粒子的時候，它就顯示其波的屬性給你看。用Stephen Hawking（1942.01.08~2018.03.14）話講，波或粒子都是人類為了方便研究而強加給這些研究對象的一種描述而已，這些描述並非這些對象所必須固有。形象地說，就像一個動物的名字那樣，並非人家天生就有的，那是人類為了方便自己強加給它們的。言歸正傳，描述波的參數有波幅，波長，頻率，相角。在量子（quanta）世界，量子也具有波粒二相性，千萬不要認為量子是粒子！這就是中文表達的有限性了，沒法造字。每一種量子，photon, graviton, etc. 都是虛擬的（這是霍金在其《時間簡史》中說的），沒有質量但有能量！其能量由普朗克常數乘以其頻率決定。因此，當我們用光來測量和感知測量對象時，根據力學基本定律和能量守恒定律，這個測量對象已經被用來測量的光擾動過了，或多或少而已。這個“多少”受測量用的光的頻率控製。
廣義相對論已經明確，光速在space-time裏是個常數，所以，一束光的頻率越高，波長越短，其能夠測量到被測對象的位置也就越準確。可是問題來了，由於這個用來的光束的頻率很高，所以其攜帶的能量也就越高，從而它對被測對象的幹擾就越大，所以對所測對象的速率測量就越不準確了。反之，如果測量所用光束的頻率低，它所攜帶的能量就小，對所測對象的幹擾就小，那麽對其速率的測量也就相對準確。問題在於，低頻率光線的波長比較長了，它對被測對象的位置測量精度自然降低了。所以Werner Heisenberg給出了一個最小綜合不確定值
。人類對宇宙的感知和測量的數據，都是大約莫而已，區別在於誰約莫得更準確一點。
說完正題，那麽就該開始咱們的戲說了。其實有個很好玩的比喻可以用來理解Heisenberg的不確定原理：抗日戰爭時期，活躍在敵後的武工隊很讓日本鬼子頭痛，很多抗日神劇集中反映那段歲月。日本鬼子呢，就想搞清楚這些敵後武工隊的位置和活動速度，怎麽搞呢？靠偵察和漢奸告密。如果偵察和告密活動搞得風風火火，在這些被偵察對象沒反應過來之前，就出現在他們麵前，那麽這些敵後武工隊的位置是搞清楚了，可是他們的活動速度就很難搞清楚了。因為偵察太快，打草驚蛇了，引起了他們的警覺，他們的規律很大可能由此而改變。那麽偵察的太慢，可能搞清楚了他們的活動速度，但是他們的具體位置又很難搞清楚。因為等你確定好敵後武工隊活動速度後，由於偵察行動太慢，等你調兵遣將準備好了以後，武工隊的具體位置早就不知道到哪裏去了。
大夥兒別覺得這個原理簡單，愛因斯坦至死不接受，他那句“上帝不擲骰子”的名言就是針對這個理論說的。個人認為，這個不確定原理其實是對目前人類探索世界的能力而言，至於將來會發生什麽，誰也不知道。所以呢，我覺得愛因斯坦不接受這個理論完全可以理解。簡而言之，你不知道和你沒法知道的存在，不代表就不存在！這也就是為什麽理論物理依然還在不斷發展。
而且，如果比較Laplace的確定論說法和這個不確定原理，我們會發現，Laplace用了個很大的假設，即“能夠描述宇宙運行的物理規律完整方程存在的情況下，他可以理論上準確預測宇宙未來發展狀態”。這實際上是個假說罷了。不確定理論根植於量子理論，將來會有什麽理論，沒有人說得清，所以不能對二者下絕對結論。就像交直流電之爭。
我認為愛因斯坦說的很好，雖然量子力學反複被證明是正確的，但是對亞原子尺度的研究目前都是瞎子摸象，隻管窺到其中一部分真理。
任何一件事物也是，有確定的一麵，也有不確定的一麵。例如一個人站在繁華街道的某處，在某時有個車輛從眼前經過。這件事對這個觀察者是隨機的，但對開車的人卻是確定的。同樣的事，既有確定的一麵也有隨機的一麵。