時間簡史The Uncertainty Principle－4

The Brief History of Time—Stephen Hawking

 

4-The Uncertainty Principle

 

一係列的科學原理，特別是牛頓的萬有引力定律讓法國科學家Marquis Laplace相信，宇宙具有絕對的確定性。譬如，如果我們知道太陽和星座在某一點的地點和速度，那麽我們可以運用牛頓萬有引力定律來計算出太陽係在任何其他時間的地點和速度。這個理論一直流行到20世紀初，才麵臨挑戰。

 

德國科學家Max Planck在1900年提出：光，x射線，和其他波源不可能以一個隨意的數值進行傳播，而是以若幹組的方式，他稱這個若幹組為quanta(quantum 複數）。而且，每一個quantum含有一定的能量，能量越大，波頻越高。反之一個高頻波需要更多的能量來發射，所以高頻波的輻射減弱預示能量的減弱，顯示quantum的能量是有限的。

 

另一位德國科學家，Werner Heisenberg, 提出著名的未確定理論。為了要預示一個粒子未來的地點和速率，必須準確測量這個粒子目前的地點和速率。通常我們把光照在粒子上，通過光的反射測量它的波長來顯示它的位置。波長越短，測量越精確。根據Planck的quantum假設，我們不可能使用隨意小的光量，必須使用最起碼一個quantum以上的光量。這一個quantum作用在粒子上會改變它的速率，但是這個改變的速率不可預測。越要準確地測量粒子的地點，需要越短的光波，意味著這個quantum有更高的能量作用在粒子的速率上。也就是說，粒子的位置測量準確性越高，它的速率準確性越低。Heisenberg把粒子的地點未確定性乘以速率未確定性乘以粒子質量稱為Planck’s constant (普朗克氏常數）。

 

在這個未確定理論的基礎上，Heisenberg, Erwin Schrodinger and Paul Dirac 在20世紀20年代提出Quantum Mechanics (量子力學）。根據這個理論，粒子之間不再有相互分離的單個位置和速率，相反，它們有一個quantum狀態，這個quantum狀態總括了內在各粒子的位置和速率。

 

一般來說，量子力學不能預測一個確定的結果，而是預測一組可能性的結果並告知每一單個結果的可能性。量子力學因而不可避免地把不確定性引入科學領域。愛因斯坦因為對量子力學做出巨大貢獻而獲諾貝爾獎，但是他卻激烈反對這個理論。愛因斯坦拒絕接受宇宙被不確定性主宰，他說“God does not play dice (上帝不玩?子）“。但是大多數科學家認可這個理論，認為量子力學完美注解各類實驗和現代科學，成為包括電子，化學，生物等科學的基礎。唯一不相符的領域在於萬有引力和大比例的宇宙星球結構。

 

量子力學不再以單個的粒子和波來描述現實世界，粒子和波在量子力學中具有雙重性（duality）。也就是說，在特定情況下，粒子可以看作波，波可以看作粒子。這種概念的一個重要結果在於我們可以觀察兩組波或粒子之間的相互作用。粒子或波之間的幹擾可以加強或取消波形，這一概念幫助我們理解原子的結構，化學和生物之間的相互反應等現象。

 

可惜我們現在還沒有一個完全一致的理論來把廣義相對論和量子力學結合起來。愛因斯坦的廣義相對論適用於大規模的宇宙結構，被稱為傳統理論。但是在兩種情形下，天體的黑洞和宇宙大爆炸，由於那時萬有引力非常強大，這就需要用到量子力學來科學解釋。