摘要：1927年，海森堡提出来“测不准原理”，这一理论的提出，在物理界和哲学界都引起了激烈的讨论。本文以“测不准原理”为切入点，对量子力学进行思考并得出启示，以此纠正人们对于量子力学的一些误解。

关键词：测不准原理 认识 启示

中图分类号：O413 文献标识码：A 文章编号：1009-5349（2018）12-0227-02

在20世纪的科学理论中，量子力学无疑是最伟大的。“测不准原理”是量子力学中的一个极其重要的原理，它颠覆了以往经典物理学的观念，给了人类对于世界的全新思考。

一、“测不准原理”的诞生路径

“测不准原理”的诞生，起源于对光的好奇和讨论。17世纪，关于光有两种假说，即微粒说和波动说。此后，对这两种假说的讨论持续不断。1666年，牛顿最先用三棱镜观察到了光的色散，之后几百年，微粒说在学术界成为主流。

1801年，托马斯·杨双缝干涉实验的进行，使光的波动性得到了证明。此后，菲涅耳通过数学计算，圆满地解释了光的衍射现象。事后，泊松怀着怀疑批判的态度研究菲涅耳论文时，证实了“泊松亮斑”的存在。光的波动性得到了充分证明。随着赫兹证明电磁波的存在，光是一种波动性也得到了相应的证明。

经过一段时间的研究，科学家们发现，当光打到金属板上时，会反射出电子。爱因斯坦用“光量子”解释了这种光电效应，证明了光不再是一种波。此时，无论是微粒说还是波动说，都拥有了确凿的证据。科学家们便开始研究原子——构成物质的基本微粒。

玻尔以卢瑟福原子模型为基础，提出了电子在原子核外的量子化轨道，即电子绕核作圆周运动是遵循一定的轨道的，当它吸收或释放了一些能量时，可以从原本的轨道跃到另一条轨道上。德国物理学家海森堡在1925年用一个不遵守乘法交换律的矩阵方程p*q≠q*p算出了量子化原子的辐射频率和能级。但就连海森堡也无法解释他所提出的矩阵是什么。1926年，薛定谔提出了量子力学的波动方程，用来描述微观粒子的运动状态。波恩在此方程的基础上，将波动方程解释为一种概率，即点出现在某个地点是由于概率决定的。

海森堡沿着波恩的思路，想明白了他之前所提出的矩阵方程p*q≠q*p，方程的含义是想同时测出p和q是不可能的。

二、对“测不准原理”的认识

1927年，海森堡在《关于量子论的运动学和力学的直觉内容》一文中提出了“测不准原理”。从此，量子理论的概论特征有了规律性，不再是猜想和假设。

粒子是一种自由运动的最小物质。物体的波长与动量息息相关，粒子的动量（p）等于速度（v）和质量（m）的乘积，动量越大，波长越长。“测不准原理”存在的前提是微粒可以同时表现为波和粒子两种形态。传统力学认为，物质的位置和动量可以同时被测准，并且物质所在的位置和状态是确定的，同一个时刻，要么在这，要么在那。然而“测不准原理”则表明位置和动量不能同时被测准，位置测量得越精准，动量就越不准确。粒子在同一时刻既可以在这里也可以在那里，它们可以以一定几率处于同一状态或位置的叠加中。

出现这种现象的原因在于，我们利用光子去测量一个电子的位置和动量，光子在测量电子的过程中，会和所测量的电子发生相互作用。电子吸收光子的能量，这样测出的量子的动量就跟电子本身的动量不一样了。因此，科学家们尽量减少光子所携带的能量，光子的能量减少，光子的波长便增加，光子往返的时间周期也因此增加。但电子是不断作高速运动的粒子，所测电子所在的位置，在光波把信息传回来的时候已经发生了改变。因此，我们在准确测量电子能量的时候，电子的位置又不能被测准了。

三、“测不准原理”的启示

1.不相容的状态可能同时存在

量子力学的因果关系可能存在一定的模糊性，但是这并不代表这是错的。在量子叠加态中，量子物体可以同时处于在经典力学中不相容的状态。这就好比“薛定谔的猫”，盒子里的结果只有两个，猫没被毒死和猫被毒死。而在量子力学中，在没揭开盒子的盖子的时候，猫处于生死叠加的状态。猫的生死只有在打开盒子后，观测者在观测时，物质以粒子形式表现后才能确定。因此，在物理系统中，很可能不存在明确的定义和分界。在未被观测的时候，粒子也许不在一个确定的空間、一个确定的轨道甚至不具有一个时间和空间的概念，因为它们处于几种不相容状态的叠加。量子力学对微观粒子世界具有超乎人类常理的理解。

2.量子力学不是唯心的理论

由于量子力学的测量结果很多都与经典力学相矛盾，人们认为这不是粒子本身具有的客观状态所测得的结果，不能反映粒子客观的真实面目。因此很多人认为，量子力学是唯心的理论。“薛定谔的猫”是个很好的例子，很多人认为，猫的死活是人在打开盒子的瞬间才决定的，因此也可认为是人决定着猫的死活。

然而，列宁说过：“物质的唯一‘特性’就是：它是客观实在的，它存在于我们的仪式之外。哲学唯物主义是同承认这个特性分不开的。”[1]量子力学中的微观粒子和宏观物质确实不同，对其测量时需要用到光子，而光子具有波粒二象性这一客观存在的特征。在实验过程中，人们也不可避免地会产生实验仪器与粒子之间不可忽视的作用。因此，呈现的观测结果其实也不是粒子的客观状态。而在经典力学中，仪器与组织之间的影响很微小，可以不去计算。因此可以说，在经典力学中，物体的客观性在可把握的范围内。

对于微观领域，人类了解微观粒子的途径只有通过仪器。而仪器对于粒子的影响又是不可避免的，若要消除仪器对粒子的影响，则粒子给人类呈现的现象便不能被观测到。因此，我们所观测到的现象与粒子的客观状态便略有不同了。

3.量子力学没有否认世界的可知性

由于微观粒子所测得的一些结果会与客体真实的结果存在一定的偏差，所以有人认为对量子力学的测量不是反映物质本身，而仅仅是一种实验的现象，他们把量子力学解释为对康德“自由意志”的一种演变，认为微观世界的粒子就像上帝或者灵魂一样，是自由运动的，不具有客观实在性，我们所认识的一切都是“物质体”作用于我们主观的一种表象，我们只能认识“现象”，对于“物质体”是什么，我们无法知道。

海森堡反驳道：“量子论并不包含真正的主观特征，它并不引进物理学家的精神作为原子事件的一部分。”[2]海森堡的话表明，微观粒子也是客观的，不以我们的意志为转移。

人们看到的与客体存在一定偏差的结论一是因为量子力学本身由于光电子的波粒二象性这一客观存在的特征，二是因为仪器的干扰。然而，就目前的技术，在微观世界，想要百分之百地排除仪器对微观粒子的影响，是不太可能的。海森堡也说：“对于物质的这些不可再分的构造物，也就是对于我们所知道的那些最轻的物体，任何一种照射，或者是一种观察行动，都表示一种重要的干扰，都足以使被观察物体的行为发生决定性的变化。”[3]因此，人们的工作就是尽可能地减少仪器对粒子的影响。

“测不准原理”告诉我们，物质的位置和动量，不能同时被测准。但这也不意味着人类对世界探索就此终结，对此，科学家给出了对于这个问题的解决方法：“人们一旦精确地知道了微观体系在座标空间分布的波函数，那么就能通过傅立叶变换而唯一地确定微观体系在动量空间分布的波函数。这两种波函数均满足薛定愕方程，并且是相互等价的完备描述”。[4]因此，也可得出，对于粒子状态的不确定，并不是人类探索微观世界的障碍。

同时，对于不可知论的一个很好的反驳就是人类对微观粒子的研究成果和量子力学本身的发展。因此，战胜不可知论的办法就是科技的不断发展以及科学家的不断实践和研究。

参考文献：

[1]列宁选集（第二卷）[M].北京：人民出版社，1960.

[2]海森堡.物理学与哲学[M].北京：科学出版社，1974.

[3]海森堡.严密自然科学基础近年来的变化 [M].上海：上海译文出版社，1978.

[4]何柞麻.评量子力学的“性质观”与“实在观”[J].哲学研究，1990（2）.

责任编辑：孙瑶