不确定原理：近90年后有新解

诸平

Nearly 90 years after Werner Heisenberg pioneered his uncertainty principle, a group of researchers from three countries has provided substantial new insight into this fundamental tenet of quantum physics with the first rigorous formulation supporting the uncertainty principle as Heisenberg envisioned it. Credit: P.Busch/York

维尔纳·卡尔·海森堡(Wener Karl Heisenberg，1901~1976)是德国著名的理论物理学家、哲学家，量子力学的主要创始人，“哥本哈根学派”的代表人物，1932年诺贝尔物理学奖获得者。量子力学是整个科学史上最重要的成就之一，他的《量子论的物理学基础》是量子力学领域的一部经典著作。介于他的重要影响，在美国学者麦克·哈特所著的《影响人类历史进程的100名人排行榜》，海森堡名列第46位。

“不确定性原理（uncertainty principle）”是海森堡学说所得出的著名成果之一。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。早期被称为“测不准原理”，但是现在被改称“不确定性原理”。“不确定性原理”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！

不确定性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γ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。显而易见，从某种理论观点来看，量子学说改变了我们对物质世界的基本观念，其改变的程度也许甚至比相对论还要大。然而量子学说带来的结果并不仅仅是人生观的变化。尽管如此，不确定关系式ΔxΔP≥ћ/2的严格意义上的支持自1927年以来的近90年期间一直使人困惑的难解之谜。

据物理学家组织网（phys.org）2014年4月29日报道，就在维尔纳·海森堡提出不确定性原理之后近90年之际，一群来自英国、芬兰和德国的研究人员对其量子物理学的基本原则提供了内容充实的新洞察，这也是首次对海森堡不确定性原理的设想给出了严格意义上的支持。他们分别来自英国约克大学（University of York）数学系、芬兰图尔库大学（University of Turku）物理与天文学系、图尔库量子物理研究中心以及德国莱布尼兹大学（Leibniz Universität）理论物理研究所的研究人员，通过合作研究，首次对1927年维尔纳·卡尔·海森堡（Werner Heisenberg，1901~1976）提出的不确定关系式给出了最严格的支持。其研究成果于2014年4月29日在 《数理杂志》（Journalof Mathematical Physics）发表，更多信息请浏览原文(可以免费下载)——Paul Busch, Pekka Lahti and Reinhard F. Werner. Measurement uncertainty relations. Journal of Mathematical Physics, Volume55, Tuesday April 29, 2014. DOI:10.1063/1.4871444 .

相关参考：Proving uncertainty: First rigorous formulation supporting Heisenberg's famous 1927 principle

对于“不确定关系式”的异议：

        日本名古屋大学教授小泽正直（Masanao Ozawa）和奥地利维也纳工科大学（Vienna University of Technology）副教授长谷川祐司（Yuji Hasegawa）的科研团队通过实验发现，大约在80年前提出的用来解释微观世界中量子力学的基本定律“测不准原理”有其缺陷所在。他们用两台仪器分别测量中子的自旋角度并计算后，得到了比海森堡不确定性原理所示误差更小的测量结果，此即证明海森堡不确定性原理所主张的测量极限是错误的。但是，不确定性原理仍旧正确无误，因为这是粒子内秉的量子性质。长谷川佑司（Yuji Hasegawa）和小泽正直（Masanao Ozawa）等学者于2012年1月15日在英国科学杂志《自然物理学》（Nature Physics）上发表发表反驳海森堡不确定性原理的实证结果。（参见：Erhart, Jacqueline; stephan Sponar, Georg Sulyok, Gerald Badurek, Masanao Ozawa, Yuji Hasegawa. Experimental demonstration of a universally valid error-disturbance uncertainty relation in spin-measurements（可以免费下载）. Nature Physics，2012，8: 185–189.doi:10.1038/nphys2194.）