海森堡测不准定律

海森堡测不准原理

又名“测不准原理”、“不确定关系”，英文“Uncertainty principle”，是量子力学的一个基本原理，由德国物理学家海森堡于1927年提出。该原理表明：一个微观粒子的某些物理量（如位置和动量，或方位角与动量矩，还有时间和能量等），不可能同时具有确定的数值，其中一个量越确定，另一个量的不确定程度就越大。测量一对共轭量的误差的乘积必然大于常数 h/2π （h是普朗克常数）是海森伯在1927年首先提出的，它反映了微观粒子运动的基本规律，是物理学中又一条重要原理。

海森堡测不准原理 - 简要介绍

海森堡学说所得出的成果之一是著名的“测不准原理”。这条原理由他在1927亲自提出，被一般认为是科学中所有道理最深奥、意义最深远的原理之一。测不准原理所起的作用就在于它说明了我们的科学度量的能力在理论上存在的某些局限性，具有巨大的意义。如果一个科学家用物理学基本定律甚至在最理想的情况下也不能获得有关他正在研究的体系的准确知识，那么就显然表明该体系的将来行为是不能完全预测出来的。根据测不准原理，不管对测量仪器做出何种改进都不可能会使我们克服这个困难！

测不准原理表明：从本质上来讲物理学不能做出超越统计学范围的预测（例如，一位研究放射的科学家可能会预测出在三兆个原子中将会有两百万个在翌日放射Υ射线，但是他却无法预测出任何一个具体的镭原子将会是如此）。在许多实际情况中，这并不构成一种严重的限制。在牵涉到巨大数目的情况下，统计方法经常可以为行动提供十分可靠的依据；但是在牵涉到小数目的情况下，统计预测就确实靠不住了。事实上在微观体系里，测不准原理迫使我们不得不抛弃我们的严格的物质因果观念。这就表明了科学基本观发生了非常深刻的变化；的确是非常深刻的变化以致于象爱因斯坦这样的一位伟大的科学家都不愿意接受。爱因斯坦曾经说过：“我不相信上帝在和宇宙投骰子。”然而这却基本上是大多数现代物理学家感到必须得采纳的观点。

海森堡测不准原理 - 提出过程

海森堡在创立矩阵力学时，对形象化的图象采取否定态度。但他在表述中仍然需要“坐标”、“速度”之类的词汇，当然这些词汇已经不再等同于经典理论中的那些词汇。可是，究竟应该怎样理解这些词汇新的物理意义呢？海森堡抓住云室实验中观察电子径迹的问题进行思考。他试图用矩阵力学为电子径迹作出数学表述，可是没有成功。这使海森堡陷入困境。他反复考虑，意识到关键在于电子轨道的提法本身有问题。人们看到的径迹并不是电子的真正轨道，而是水滴串形成的雾迹，水滴远比电子大，所以人们也许只能观察到一系列电子的不确定的位置，而不是电子的准确轨道。因此，在量子力学中，一个电子只能以一定的不确定性处于某一位置，同时也只能以一定的不确定性具有某一速度。可以把这些不确定性限制在最小的范围内，但不能等于零。这就是海森堡对不确定性最初的思考。

据海森堡晚年回忆，爱因斯坦1926年的一次谈话启发了他。爱因斯坦和海森堡讨论可不可以考虑电子轨道时，曾质问过海森堡：“难道说你是认真相信只有可观察量才应当进入物理理论吗？”对此海森堡答复说：“你处理相对论不正是这样的吗？你曾强调过绝对时间是不许可的，仅仅是因为绝对时间是不能被观察的。”爱因斯坦承认这一点，但是又说：“一个人把实际观察到的东西记在心里，会有启发性帮助的……在原则上试图单靠可观察量来建立理论，那是完全错误的。实际上恰恰相反，是理论决定我们能够观察到的东西……只有理论，即只有关于自然规律的知识，才能使我们从感觉印象推论出基本现象。”

海森堡在1927年的论文一开头就说：“如果谁想要阐明‘一个物体的位置’（例如一个电子的位置）这个短语的意义，那么他就要描述一个能够测量‘电子位置’的实验，否则这个短语就根本没有意义。”海森堡在谈到诸如位置与动量，或能量与时间这样一些正则共轭量的不确定关系时，说：“这种不确定性正是量子力学中出现统计关系的根本原因。”

海森堡测不准原理是通过一些实验来论证的。设想用一个γ射线显微镜来观察一个电子的坐标，因为γ射线显微镜的分辨本领受到波长λ的限制，所用光的波长λ越短，显微镜的分辨率越高，从而测定电子坐标不确定的程度△q就越小，所以△q∝λ。但另一方面，光照射到电子，可以看成是光量子和电子的碰撞，波长λ越短，光量子的动量就越大，所以有△p∝1/λ。经过一番推理计算，海森堡得出：△q△p=h/4π。海森堡写道：“在位置被测定的一瞬，即当光子正被电子偏转时，电子的动量发生一个不连续的变化，因此，在确知电子位置的瞬间，关于它的动量我们就只能知道相应于其不连续变化的大小的程度。于是，位置测定得越准确，动量的测定就越不准确，反之亦然。”

海森堡还通过对确定原子磁矩的斯特恩盖拉赫实验的分析证明，原子穿过偏转所费的时间△T越长，能量测量中的不确定性△E就越小。再加上德布罗意关系λ=h/p，海森堡得到△E△T<h，并且作出结论：“能量的准确测定如何，只有靠相应的对时间的测不准量才能得到。”

海森堡的测不准原理得到了玻尔的支持，但玻尔不同意他的推理方式，认为他建立测不准关系所用的基本概念有问题。双方发生过激烈的争论。玻尔的观点是测不准关系的基础在于波粒二象性，他说：“这才是问题的核心。”而海森堡说：“我们已经有了一个贯彻一致的数学推理方式，它把观察到的一切告诉了人们。在自然界中没有什么东西是这个数学推理方式不能描述的。”玻尔则说：“完备的物理解释应当绝对地高于数学形式体系。”

玻尔更着重于从哲学上考虑问题。1927年玻尔作了《量子公设和原子理论的新进展》的演讲，提出著名的互补原理。他指出，在物理理论中，平常大家总是认为可以不必干涉所研究的对象，就可以观测该对象，但从量子理论看来却不可能，因为对原子体系的任何观测，都将涉及所观测的对象在观测过程中已经有所改变，因此不可能有单一的定义，平常所谓的因果性不复存在。对经典理论来说是互相排斥的不同性质，在量子理论中却成了互相补充的一些侧面。波粒二象性正是互补性的一个重要表现。测不准原理和其它量子力学结论也可从这里得到解释。

海森堡测不准原理 - 意义作用

海森堡测不准原理是建立在经典力学持续后继发展基础上的第三次大进步。基础研究起点的具体内容是物质质量与距离关系形成的万有引力定律、并由质量与力的关系，进一步演义出力与运动速度的关系。第二大进步是爱因斯坦发现的相对论，揭示了运动速度与质量的变化关系。

西方经典科学在物理学上的三次大进步前进，并没有引发西方经典数学的原理革命。线性量值数学的数学思想与思维方法，明显的滞后现代物理学先进的运动理念与变化观念。因为线性数学还无法接受原子量纲体系的具体理论并使它成为数学领域的通用公理；原子量纲体系也无法把线性数学理论作为表达原子量纲体系的理论工具。二者之间的科学基本观出现了与东西方文化一样的壁垒现象。

也就是说，人类文化的壁垒现象不仅仅出现在东西方两个文化体系之间，同样也出现在西方经典文化的学科与学科的发展过程之间，同样存在于人类最基本的科学基本观进步的问题上。如何走出东西方文化的壁垒，如何走出现代经典科学中学科与学科之间的科学基本观壁垒。则是摆在我们面前的现实问题，科学需要进步，人类的科学基本观需要统一，这是一个刻不容缓需要解决的现实问题。

一理概全宇宙，一念奉行天下，限止壁垒产生，放弃或遗弃壁垒文化与壁垒理念，走独尊文化的路，只能把人类的思维引向僵化。中国五千年的易文化史，从远古的形意文化中走来，却遗弃了人类进化里程中最杰出的形意文化的精华。中华民族为了传承远古文明，虽然经诸子蜂起，百家争鸣的文化春秋复兴，却在焚书坑儒的尊文化暴力下在劫难逃。虽然天资聪慧的中国人在五千年间不断的演绎着发现、失传、再发现、再失传的历史悲剧。在近代，东西方文化壁垒的抉择面前，中国人自己放弃了自己的文化传承，走向了西学东渐。在西学东渐的道路上，中国人虽然彻底的接受了西方现代文化的思想，彻底的放弃了中国古老文化。然而，却没有放弃尊文化的五千年历史传统，形成了中国式的新型西学独霸。唯新独尊，破旧立新，不破不立，立在其中。旧的是破了，算术改成了数学，或然率改成了概率。新的东西却未见卓越而立，近百年，经典数学的发展史中，仍然没有一个中国人的名字。

如果没有壁垒形式的文化选择，破的准确定义就是返回原始。就是砸烂旧世界，凡是别人发明创造的全砸烂，从零开始。更悲惨的破立关系是彻底砸烂自己的文化，破了自己的，立了别人的，把自己放在零点的位置上，只能跟在别人的后面走。

海森堡测不准原理，是一个既不砸烂自己，也不砸烂别人的良好进步理念。在新发现面前，即不破旧立新，又能标新立异，既发展了自己，又给别人留下继续发展的空间。把科学发展道路上的壁垒争端，化为壁垒和谐。为人类科学走向更深层次的进步，创立了一个良好的开端。

海森堡测不准原理，是一个创新理念的和谐典范。它把原子物理学与经典线性数学两门具体的科学学科，用两者之间的范畴条件裂痕与内容条件分裂的具体内容来客观的分析了两门具体学科之间的辩证关系。认为经典线性数学在量测定范畴内，是“有准而有不准”的理论体系，而认为原子量纲体系则是一个“无准而无不准”的新理论体系。所以，测不准的产生，来源于经典数学的“有准而有不准”结构，而原子物理学中的“无准而无不准”则是一种新的认知理念。新旧理念之间是一种辩证关系，是一种科学理论和谐发展关系。

显而易见，有准而有不准是孔子儒家“有为而有不为”思想在具体科学上的具体应用；无准而无不准是老子道家“无为而无不为”思想在具体科学上的具体应用。而且这两种思想都产生于形意文化之后的易经文化。从根源来说，它们都产生于中国的形意数学思想，儒、道两家的思想，应该说，都是中国远古形意算术与形意或然率的一个重要组成部分。从这个认知层面上，我们可以说外国人海森堡在测不准原理上，首次应用了中国的远古文明思想，也可以说西方文化的进一步发展，已经更加贴近了中国的远古文明。

有准而有不准、无准而无不准的辩证逻辑认知，敲开了理想自然系统的大门。而海森堡测不准原理揭示的原子物理学与经典线性数学之间的有准有不准、无准无不准的辩证逻辑认知，结束了经典数学线性数学独尊计算公理认知世界的历史，开拓了人类认知自然科学基本观的新里程。

海森堡测不准原理是世界范畴内的又一次春秋文化复兴。它再一次敲开了理想自然体系的大门。再现了中国远古形意文化时代的量量数学思想。