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第3章 贵族炸弹和花粉（第2页）

回想起来，很难判断他是好人还是坏人，因为我们没有太多的资料，而且我们也不要忘了，盟军也不完全是由圣徒组成的。罗伯特·奥本海默是海森堡在美国的对手，他曾试图用涂抹有毒化学物质的苹果（真是童话风格）毒害他的博士导师—我们可以称之为谋杀未遂。[8]

如果不考虑后半生的政治色彩，海森堡对量子论的贡献是无价的。

排除一切干扰

有一年夏天，海森堡患上了严重的花粉热，决定去黑尔戈兰岛度假，那里没有产花粉的植物。在那个短假里，海森堡偶然想出了一种新方法，可以解决量子论的数学问题，其中包括他最知名的理论“海森堡不确定性原理”。[9]

粒子有一些明确定义的、我们可以测量的性质，比如位置、速度、质量，等等。如果我们知道初始状态下粒子的所有信息，那么理论上我们就可以预测它在下一刻的所有信息，以及下下一刻和下下下一刻的所有信息。

这种决定论哲学起源于牛顿，它也是使物理学变得如此重要的原因。古代的神秘主义者宣称，献祭处女和饮鸽子血可以预测未来，而牛顿指出，用几个方程就可以百分之百地做到这一点。

但德布罗意和他的同事发现，粒子也具有波动性。在牛顿物理学中，“粒子的位置”和“粒子的速度”是两个独立的问题。但根据定义，波是不断运动的，且位置分布在一个区域内，因此，速度和位置这样的概念不再彼此独立。

对于波而言，如果你知道了一些关于位置的信息，那你也就知道了一些关于速度的信息，反之亦然—这两个性质是相互联系的。海森堡把类似的想法应用到粒子上。不能把粒子的运动和位置视为相互独立的，因为粒子只有部分是粒子。

如果我们有个粒子，并且还未对它进行测量，那么我们可以用这样的图表示它可能的动量和位置：

我们所知道的是，粒子的物理特性将会落在曲线内的某处。通常，在经典物理学中，我们测量一个粒子，就是把这个区域压缩成网格中的某一点，这个点会准确地描述两个值，告诉我们粒子的位置和动量。

在上面这个图中，我们沿着横轴读，找到粒子的位置，然后沿着纵轴读，找到粒子的动量。很简单。

但海森堡知道，波是不同的。当你试图准确描述波的时候，会得到这样一个尖峰：

我们知道了粒子的确切位置，是因为我们把它的位置固定到横轴的一个值上，但如果纵向读图，我们会发现同时出现了各种各样的动量值。波的位置和动量并不像经典力学那样泾渭分明，如果你知道了粒子的位置，就不可能准确知道粒子的动量。

或者我们想象沿另一个方向挤压。我们准确地测量了粒子的动量，结果却发现粒子同时存在于许多地方：

在量子论中，动量和位置是相互联系的，所以我们可以知道粒子在哪里或者粒子的动量是多少，但永远不可能同时知道。

我们确定吗

这是最早的“不确定性关系”，也是最常被引用的一个：你永远不能同时知道粒子的位置和动量，如果你知道其中一个，就遮蔽了另一个。随着量子论的发展，我们发现了其他一些相互关联的性质（我们将在以后讨论），但海森堡的原始理论仍然动摇了物理学的根基。

直截了当地说，量子论认为我们不可能知道一个物体的一切，因为总会有我们无法测量的东西。如果你足够了解某一种属性，就会自动丢失其他属性的相关信息。

在牛顿的宇宙观中，我们通过了解现在来了解未来，这种宇宙观被一个患花粉热的数学呆子扼杀了。你不可能知道关于现在的一切，所以永远不可能正确预测未来。永远。

有时候人们会曲解海森堡不确定性原理，认为是设备不够好才不足以了解粒子的全部特性，但这种说法低估了该原理。无论我们如何制造探测器，无论我们如何精确测量，都没有用。我们永远不能完全确定粒子的属性，因为它不完全是粒子。它也是波。

探究电子的粒子属性就像是问“哪个字是‘战争与和平’？”或者“彩虹是什么颜色的？”这是在试图简化不可能简化的东西。

正如海森堡本人所说：“原则上讲，我们无法知道当前的所有细节。”[10]牛顿的梦想是准确地预测未来，量子论迫使我们放弃这一梦想。

在日常生活中，我们很容易知道一个物体的位置和速度。事实上，这是所有运动的基础。量子篮球是完全不可行的（尽管非常热闹），因为如果知道扔出篮球的动量，我们就不能确定它的位置。量子篮球会在半空中模糊成球状云，我们可以观察到它移动的速度，但无法确定要站在哪里才能接住它。在日常生活中我们忽略了不确定性原理，唯一的原因是相比于“不确定性云”，我们的体积太大了。不确定性原理在日常生活中不会引起问题，但如果我们想要测量单个的粒子，就会撞上无知之墙。

这也意味着粒子永远不会静止。如果电子在原子核周围停止运动，它就会有明确的位置和动量（0）。它将只表现出粒子性，而波动性将消失。这种情况不会发生，因此粒子必须永远运动。

海森堡本人是这样说的：

差不多凌晨三点我才计算出最终的结果……最开始我很惊慌。我有一种感觉，透过原子现象的表面，我看到了异常美妙的内景。大自然慷慨地把数学奥秘呈现在我眼前，一想到现在必须去探索它，我就感觉眼花缭乱。我兴奋得睡不着觉，所以天刚蒙蒙亮时，我走向岛的最南端，攀上了我一直渴望的伸出海岸的岩石。我不怎么费力就做到了，然后等待太阳升起。[11]

（1）　布莱恩·科兰斯顿（Bryan）是美国演员，在电视剧《绝命毒师》中扮演高中化学老师沃尔特·怀特，他利用自己的化学知识制造冰毒，并化名为“海森堡”。—译注