互补原理

互补原理由玻尔在1928年提出：原子现象不能用经典力学所要求的完备性来描述。在构成完备的经典描述的某些互相补充的元素，在这里实际上是相互排除的，这些互补的元素对描述原子现象的不同面貌都是需要的。波和粒子在同一时刻是互斥的，但它们在更高层次上统一。光和粒子都有波粒二象性，而波动性与粒子性又不会在同一次测量中出现，那么，二者在描述微观粒子时就是互斥的；另一方面，二者不同时出现就说明二者不会在实验中直接冲突。同时二者在描述微观现象，解释实验时又是缺一不可的。因此二者是“互补的”，或者“并协的”。

一些经典概念的应用不可避免的排除另一些经典概念的应用，而这另一些经典概念在另一条件下又是描述现象不可或缺的；必须而且只需将所有这些既互斥又互补的概念汇集在一起，才能而且定能形成对现象的详尽无遗的描述。

如果说海森伯的不确定关系从数学上表达了物质的波粒二象性。那么互补原理则从哲学高度概括了波粒二象性。互补原理与不确定关系是量子力学哥本哈根解释的两大支柱。

互补原理起因于实验仪器与被观测物体的相互影响。经典物理学中，仪器与物体的相互作用可以通过对实验条件的改进而减少，或者通过更细致的理论分析后被补偿掉，在理论上这种相互作用如此微小因而完全可以被忽略掉。

但是在微观领域里，仪器与物体的相互作用在原则上是不可避免、不可控制、也不可被忽略的。在理论上也无法区分出测量结果中仪器与物体相互作用的部分，在测量物体一个性质时，就会无法避免的对物体产生不可逆转的影响，因此不能用同一个实验去测量物体所有的性质，不同的实验也就可能得出互相矛盾的结果，这些结果无法放到一个统一的物理图景中，只有用互补原理这个更宽广的思维框架将这些互相矛盾的性质结合起来，才能去尽量更完整地描述微观现象。

所有的波都是由粒子传递。电磁波是由场态粒子传递的，而机械波主要由显态粒子传递的。

电磁波和机械波都只传递能量不传递物质，两者没有任何本质区别。

在局域或微观表现为振动的粒子，在整体或宏观表现为传递能量的波。

实际上，所谓的波粒二象性仅仅是整体与局部的概念。

电磁波和机械波都是如此，整体上都是波，而从局域或微观看都是一个个质点在振动；而从整体或宏观看，一个个质点此起彼伏以波动的形式传递能量。在观测局域或微观时只能看到一个个振动的粒子，无法看到此起彼伏的波；而观测整体或宏观，只能看到此起彼伏的波，很难注意到一个个振动的粒子。这就是波粒二象性的互斥。

实际上波粒二象性就是整体和局域、宏观和微观虽然在观测上是互斥的，然而在分析上是互补的。

正是由于无法同时看到局域和整体，也无法同时把控宏观与微观。通过微观或局域观测粒子的性质，而通过整体或宏观考察波的性质，实现整体与局域互补，宏观与微观整合互补，这样才能充分了解微观作用机理，掌握宏观作用机制。

电磁波和机械波都是如此，整体和宏观上都是波，只传递能量不传递物质，而从局域和微观上看都是一个个振动质点。在观测整体的时候，就侧重于波传递能量，在观测局部时，就侧重粒子的相互作用。实际上相互作用就是通过交换光子传递能量，传递能量就是通过相互作用交换光子。

总之，互补原理是宏观只能观测波与微观只能观测粒子互补。

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