并非量子力学在施加限制,而是它揭示了微观粒子固有的奇异属性。这或许正体现了宇宙运作的某种深层法则。
任何个体、任何理论均无法界定世界的根本法则,仅能探索、掌握并运用这些法则。
以雷电现象为例,人们经由无数实践得知,雷电是积雨云放电的自然过程,放电过程中发出的亮光和释放的巨大热量使得周边空气迅速膨胀,进而形成剧烈的声波,即我们所听到的雷声。
雷电在极短的时间内同时发生,但因光的传播速度远超声速,我们往往先目睹闪电,后听见雷鸣。
而雷电具有的强大威力有可能对人类生命构成威胁。
这些均是自然界的定律,人们虽然了解了这些法则,但无法改变雷电可能带来的危害,却可以通过掌握的规律来规避风险。
例如,建造避雷针,利用尖端放电的原理安全导引电荷,减少雷击带来的危害;同时,人们在雷雨天气也会尽量避免在旷野或树下活动,以防雷击伤害。
但无法质疑科学为何规定雷雨必然伴随雷电,或雷电必然会对生命构成威胁。
科学本身并无此种权限。
量子力学所揭示的微观世界的特殊现象并不能直接套用以解释宏观现象。
例如,微观粒子的位置与速度的确不能同时精确测量,但这仅限于微观领域,并非适用于所有“物体”。
我们不能简单地将微观领域的规则推广至宏观世界,反之亦然。
爱因斯坦与哥本哈根学派之间的激烈争论,实际上是宏观理论与量子奇异性质之间的较量。爱因斯坦包括薛定谔在内的诸多科学家团队认为,所有事物都应遵循一定的法则,量子世界的不确定性只是未发现潜在变量的结果。
但最终,哥本哈根学派胜出,不确定性原理和量子纠缠等概念成为量子力学的核心理论。
不确定性原理描述了量子领域中粒子运动的基本法则,它指出在粒子尺度上,位置与速度的信息不可能同时被精确掌握。
这是因为粒子位置的不确定性必然不小于普朗克常数除以4π。微观粒子的行为与我们宏观世界中的物质存在显著差异。
1927年,德国物理学家海森堡提出了这一理论,指出不确定性主要源于两个原因,其中最关键的是测量行为本身必然对被测物产生干扰,进而改变其原有状态。
观察事物,我们必然需要利用到具有波粒二象性的光。在观测宏观物体时,光的微弱作用几乎不改变物体状态,因此我们既能精确看到物体位置,也能观察到速度。
然而,在微观世界中,通过光来观测电子时,光子对电子的明显作用会改变其状态。
光波具有特定尺度,利用其散射以确定粒子位置,但我们无法将粒子位置测量得比光两个波峰间距更精确,因此,为了更精确地测量位置,使用的光波波长应尽可能短。
波长越短,光波能量越强,我们对粒子位置的把握也就越精确,但相应地,对粒子动量的影响也越大,由此导致速度测量的不确定性增大。
位置不确定性和动量不确定性满足以下不等式:
其中,h 代表普朗克常数。
量子力学的不确定性原理,是对量子现象本质特性的科学诠释,是目前科学研究对量子领域规律认识的重要理论,且已被广泛证实其正确性。