时间简史The Uncertainty Principle－4

The Brief History of Time—Stephen Hawking

 

4-The Uncertainty Principle

 

一系列的科学原理，特别是牛顿的万有引力定律让法国科学家Marquis Laplace相信，宇宙具有绝对的确定性。譬如，如果我们知道太阳和星座在某一点的地点和速度，那么我们可以运用牛顿万有引力定律来计算出太阳系在任何其他时间的地点和速度。这个理论一直流行到20世纪初，才面临挑战。

 

德国科学家Max Planck在1900年提出：光，x射线，和其他波源不可能以一个随意的数值进行传播，而是以若干组的方式，他称这个若干组为quanta(quantum 复数）。而且，每一个quantum含有一定的能量，能量越大，波频越高。反之一个高频波需要更多的能量来发射，所以高频波的辐射减弱预示能量的减弱，显示quantum的能量是有限的。

 

另一位德国科学家，Werner Heisenberg, 提出著名的未确定理论。为了要预示一个粒子未来的地点和速率，必须准确测量这个粒子目前的地点和速率。通常我们把光照在粒子上，通过光的反射测量它的波长来显示它的位置。波长越短，测量越精确。根据Planck的quantum假设，我们不可能使用随意小的光量，必须使用最起码一个quantum以上的光量。这一个quantum作用在粒子上会改变它的速率，但是这个改变的速率不可预测。越要准确地测量粒子的地点，需要越短的光波，意味着这个quantum有更高的能量作用在粒子的速率上。也就是说，粒子的位置测量准确性越高，它的速率准确性越低。Heisenberg把粒子的地点未确定性乘以速率未确定性乘以粒子质量称为Planck’s constant (普朗克氏常数）。

 

在这个未确定理论的基础上，Heisenberg, Erwin Schrodinger and Paul Dirac 在20世纪20年代提出Quantum Mechanics (量子力学）。根据这个理论，粒子之间不再有相互分离的单个位置和速率，相反，它们有一个quantum状态，这个quantum状态总括了内在各粒子的位置和速率。

 

一般来说，量子力学不能预测一个确定的结果，而是预测一组可能性的结果并告知每一单个结果的可能性。量子力学因而不可避免地把不确定性引入科学领域。爱因斯坦因为对量子力学做出巨大贡献而获诺贝尔奖，但是他却激烈反对这个理论。爱因斯坦拒绝接受宇宙被不确定性主宰，他说“God does not play dice (上帝不玩?子）“。但是大多数科学家认可这个理论，认为量子力学完美注解各类实验和现代科学，成为包括电子，化学，生物等科学的基础。唯一不相符的领域在于万有引力和大比例的宇宙星球结构。

 

量子力学不再以单个的粒子和波来描述现实世界，粒子和波在量子力学中具有双重性（duality）。也就是说，在特定情况下，粒子可以看作波，波可以看作粒子。这种概念的一个重要结果在于我们可以观察两组波或粒子之间的相互作用。粒子或波之间的干扰可以加强或取消波形，这一概念帮助我们理解原子的结构，化学和生物之间的相互反应等现象。

 

可惜我们现在还没有一个完全一致的理论来把广义相对论和量子力学结合起来。爱因斯坦的广义相对论适用于大规模的宇宙结构，被称为传统理论。但是在两种情形下，天体的黑洞和宇宙大爆炸，由于那时万有引力非常强大，这就需要用到量子力学来科学解释。