“測不準(zhǔn)”的真相：海森堡錯(cuò)了嗎？

“你知道你剛剛開多快嗎？”
“我不知道速度，但我確切知道我在哪兒。”

這句物理圈里廣為流傳的冷笑話，說的是海森堡的不確定性原理。很多人第一次聽到它，都會被它“哲學(xué)意味濃厚”的表象迷住，仿佛它揭示了宇宙的終極奧秘：你永遠(yuǎn)無法同時(shí)知道一粒子的位置和動(dòng)量。

但這條物理鐵律的提出過程，其實(shí)既偶然又含糊。更吊詭的是，提出者海森堡本人，當(dāng)年也不知道自己到底提出了什么。

1927年，年僅26歲的海森堡在一篇論文中第一次系統(tǒng)提出了這條原理。他稱之為“不可避免的測量不精確”，用德語寫作“Ungenauigkeit”。從字面看，它強(qiáng)調(diào)的是測量的“粗糙”或“局限”，聽上去更像是實(shí)驗(yàn)誤差，而不是自然的內(nèi)在模糊。

但后來的教科書卻毫不猶豫地將它拔高為“量子世界的根本屬性”。說實(shí)話，這個(gè)拔高的過程，更像是科學(xué)界自我神化的一部分。就像宗教需要教義一樣，量子力學(xué)這門充滿悖論和黑箱的理論，也需要一條“玄而又玄”的核心法則來維系其權(quán)威性。

不確定性原理，于是成了這個(gè)教義中的第一條誡命。

海森堡一開始給出過四個(gè)解釋理由來支持這個(gè)原理，遺憾的是，全都錯(cuò)得很尷尬。比如他說，如果你要測一個(gè)粒子的位置，就必須拍一張“快照”，但這樣你測不到它的速度。反之，你要測速度就得有兩個(gè)時(shí)刻的位置，結(jié)果就無法知道它在哪一刻的確切位置。

這個(gè)聽上去像物理常識的描述，其實(shí)17世紀(jì)的微積分早就解決了這個(gè)問題。牛頓和萊布尼茨的極限理論就是為此而生的，用來處理無限小時(shí)間間隔內(nèi)的速度變化。海森堡在這里犯了一個(gè)基本概念上的回溯錯(cuò)誤。

另一個(gè)著名的解釋是“伽馬射線顯微鏡”：你為了看清一個(gè)電子，必須用波長極短的高能光子照射它。但這種高能光子會把電子撞偏，于是你在觀察它的同時(shí)就干擾了它的狀態(tài)，從而導(dǎo)致無法測得確切的動(dòng)量。

這種“觀測干擾”的說法深受歡迎，因?yàn)樗庇^、帶哲理、像一部科幻片的核心設(shè)定。然而這個(gè)模型在文章發(fā)表前就被玻爾否定了。因?yàn)閮闪Ｗ娱g的碰撞是可以用經(jīng)典力學(xué)處理的。并且，海森堡那條公式里根本沒有出現(xiàn)“顯微鏡”這個(gè)變量，更沒有引入觀測者與被觀測物之間的交互邏輯。

更糟糕的是，海森堡自己并沒有在文章中嚴(yán)密推導(dǎo)出這個(gè)原理，而是以一種近乎散文的方式羅列了幾個(gè)模糊的理由。他最后還提到，或許這跟“我們無法掌握初始條件的全部信息”有關(guān)，因此未來是不可預(yù)測的。

這其實(shí)已經(jīng)進(jìn)入了混沌理論的領(lǐng)域。微小初始差異會引起巨大的結(jié)果偏離，系統(tǒng)呈現(xiàn)出對初始狀態(tài)的高度敏感性。但混沌系統(tǒng)屬于宏觀動(dòng)力學(xué)，而不是原子尺度的量子世界。海森堡在這里是“拿著量子理論，解釋經(jīng)典物理的難題”，方向反了。

真正能解釋“測不準(zhǔn)”的人，是他當(dāng)時(shí)的對手、波動(dòng)力學(xué)派的代言人——薛定諤。后者提出，電子不是點(diǎn)粒子，而是“波包”的疊加，一個(gè)粒子的狀態(tài)可以被看作是多種不同頻率的波動(dòng)組合。

這時(shí)候問題就簡單了：一個(gè)波動(dòng)越純粹，它的頻率越單一，那它在空間中就越發(fā)散，不可能被定位在某一點(diǎn)。反過來，你要是把粒子壓縮在一個(gè)空間點(diǎn)，那就意味著這個(gè)波包包含了幾乎無限多種頻率。于是，動(dòng)量的不確定性就自然出現(xiàn)了。

換句話說，位置和動(dòng)量的測不準(zhǔn)，不是因?yàn)槲覀兪直績x器爛，也不是因?yàn)橛^測干擾，而是因?yàn)椤安▌?dòng)本身的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)”就決定了這倆變量無法同時(shí)精確。

這才是測不準(zhǔn)原理的真正物理基礎(chǔ)。不是海森堡的“靈光乍現(xiàn)”，而是薛定諤的波動(dòng)建模。但諷刺的是，海森堡極度反感薛定諤的波動(dòng)解釋。他認(rèn)為那種“模糊、連續(xù)、不可數(shù)的東西”根本不符合物理的本質(zhì)。

他為此強(qiáng)行設(shè)計(jì)了一個(gè)“粒子派”的解釋框架，把一切問題歸因于觀測障礙，結(jié)果反而誤導(dǎo)了一代又一代人。

今天我們知道，不確定性原理不僅在理論解釋上存在瑕疵，在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證上也屢遭挑戰(zhàn)。從1924年開始，物理學(xué)家Bothe和Geiger就已證明，電子的軌跡可以被清晰觀測。

1998年，德國康斯坦茨大學(xué)的Rempe團(tuán)隊(duì)則證明：雙縫實(shí)驗(yàn)中干涉圖樣的消失，并非出于“測量擾動(dòng)”，而是量子糾纏的直接后果。糾纏狀態(tài)下的粒子，其狀態(tài)是互相關(guān)聯(lián)的，根本不存在模糊性。

2011年，加拿大多倫多大學(xué)的Aephraim Steinberg團(tuán)隊(duì)，用“弱測量”技術(shù)實(shí)現(xiàn)在雙縫實(shí)驗(yàn)中“同時(shí)”測得粒子的位置和動(dòng)量軌跡。他們通過微小擾動(dòng)收集統(tǒng)計(jì)信息，最終繪制出粒子的完整路徑。

這等于用實(shí)驗(yàn)撕碎了海森堡那條經(jīng)典不等式，同時(shí)也為德布羅意與玻姆提出的“引導(dǎo)波解釋”提供了實(shí)證支持。

在引導(dǎo)波理論中，粒子像船，波像導(dǎo)航系統(tǒng)。波確定了軌道，粒子按路徑前行。一切有因有果，毫無玄學(xué)成分。

沒有“模糊的現(xiàn)實(shí)”，也沒有“你看它它就變了”的童話。這套理論與不確定性原理格格不入，卻在過去幾十年里被主流物理界邊緣化，僅僅因?yàn)樗环稀案绫竟忉尅钡恼握_。

我們必須承認(rèn)，量子力學(xué)在被推廣之初就沾染了很多哲學(xué)、甚至宗教化的味道。早期物理學(xué)家為了理解那一套無法直觀感受的概率世界，不得不引入“人類認(rèn)知的限制”來解釋奇怪的現(xiàn)象。

但這些限制，很多只是解釋上的權(quán)宜之計(jì)，并非自然的真相。

諾獎(jiǎng)得主Dirac在1963年就曾預(yù)言：“我認(rèn)為可以確信，當(dāng)前形式的不確定性關(guān)系，在未來的物理體系中將不復(fù)存在。”

而埃及化學(xué)家、諾獎(jiǎng)得主Zewail也曾在《自然》雜志上撰文批評，稱“量子測不準(zhǔn)的幽靈可能封死我們探索自然的新路徑”。

他本人研究飛秒級化學(xué)反應(yīng)時(shí)就被大量同行質(zhì)疑“違反測不準(zhǔn)”，但最后卻因此獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。

所以我們真的需要重新審視：測不準(zhǔn)原理究竟是對自然的洞察，還是物理學(xué)界在混亂時(shí)期的遮羞布？它是否已經(jīng)成了一種學(xué)術(shù)上的教條，阻礙了我們對現(xiàn)實(shí)更深層次的理解？

科學(xué)的本質(zhì)，從來不是頂禮膜拜某一條公式或某一位大人物。而是不斷地質(zhì)疑、反駁、重構(gòu)、突破。

即使那個(gè)對象是海森堡，也不能成為例外。

“你知道你在哪里嗎？”
“我不知道，但我確信，我們已經(jīng)走出那個(gè)‘必須測不準(zhǔn)’的時(shí)代。”