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「測不準原理」:我們如何知道所有人共享著同一個世界?

2024-01-08科學

沃納·海森堡,出生於德國的維爾茨堡,自幼聰慧過人。當年,二十歲剛出頭的海森堡就敢挑戰量子力學泰鬥波耳,後被慧眼識英才的波耳收為學生;24歲創立了矩陣力學;31歲獲得諾貝爾物理學獎,量子力學中著名的「測不準原理」即是由海森堡提出的。所謂測不準原理,是指任何粒子的位置和動量無法同時被確定,知道了位置,動量就不確定;知道了動量,位置就不確定。

量子力學給普通人的感覺是「迷霧重重」。「觀察決定狀態」(波函式塌縮)和「測不準原理」可以算是量子力學中兩團最令人困惑的「迷霧」。對於人類眼中的世界,海森堡曾說:「我們所觀察到的並非自然本身,而是自然因為我們問問題的方法而顯露出的部份。」從本質上來講,海森堡指出了一個人類所面臨的尷尬困局:我們沒法在對一個物體進行觀察的同時,卻對這個物體毫無影響。如果觀察,世界就變了;但如果不觀察,我們如何知道世界是怎樣的呢?

需要提醒大家的是,所謂的「測不準」,其實並非指測量方法不對或是測量技術不夠先進,之所以測不準,是源於構成物質的基本粒子的根本性質。現在我們知道,無論你用多麽完美的技術手段,都不可能消除「測不準」,測不準原理是個放之四海而皆準的規律,它與測量的方法和過程無關。那麽,任何東西的位置和動量都無法同時被確定,可我們在現實生活中為何沒有發現或感覺不到呢?

這是因為,我們日常生活中所接觸到的都是宏觀的物體而非微觀粒子,宏觀物體的品質相對於微觀粒子的品質來說太過巨大,所以「測不準」的程度微乎其微,這種效應根本無法察覺。但是,假如你要想確定一個電子的速度,那麽這個電子的位置的不確定性就會變得無窮大——它會按照一定機率分布在宇宙中所有的可能的地方。所以,測不準原理顛覆了人類對現實的認知。

一百多年前,無論是普通人還是科學家,都和牛頓一樣,認為我們眼中的世界所有東西的狀態都是確定的——在任一瞬間、無論你是否觀察或測量,任何東西都精確地處於某種確定的狀態。太陽高掛或者皓月當空,怎麽可能是因為人類在看它它才確定存在那裏?愛因史坦當初也極力反對量子力學中的那些觀點,但最終愛因史坦輸給了波耳和海森堡。

那麽,作為我們普通人不禁要問,如果當許多人同時測量同一個東西的位置和速度時,根據量子力學,很顯然結果會不盡相同,這樣就導致了一個重要的問題:我們如何知道所有人觀察到的是同一個東西?換言之,我們如何知道所有人共享著同一個世界而不是每個人都有一個不同的世界?