不確定性這個詞在量子力學(xué)中使用得很多。有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，這意味著世界上存在著我們不確定的東西。但是大多數(shù)物理學(xué)家相信自然本身是不確定的。
內(nèi)在不確定性是德國物理學(xué)家、現(xiàn)代量子力學(xué)創(chuàng)始人之一維爾納海森堡(Werner Heisenberg)提出這一理論的核心。他提出的測不準(zhǔn)原理表明，我們不可能同時知道一個粒子的所有性質(zhì)。
例如，測量粒子的位置可以讓我們知道它的位置。但是這種測量必然會干擾它的速度，其干擾量與位置測量的精度成反比。
海森堡錯了嗎?
海森堡利用不確定性原理解釋了測量將如何破壞量子力學(xué)的經(jīng)典特征--雙縫干涉圖樣(詳見下文)。
但早在上世紀(jì)90年代，一些著名的量子物理學(xué)家就聲稱，他們已經(jīng)證明，在不顯著干擾粒子速度的情況下，確定一個粒子通過的兩條狹縫中的哪一條是可能的。
這是否意味著海森堡的解釋一定是錯的?在剛剛發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上的一篇論文中，我和我的實(shí)驗(yàn)同事們已經(jīng)表明，過早得出這個結(jié)論是不明智的。
從某種意義上說，我們證明了速度擾動總是存在的，其大小與不確定原理所期望的大小相同。但在深入細(xì)節(jié)之前，我們需要簡要解釋一下雙縫實(shí)驗(yàn)。
雙縫實(shí)驗(yàn)在這類實(shí)驗(yàn)中，有一個帶有兩個孔或縫隙的屏障。我們還有一個位置不確定的量子粒子，如果它被發(fā)射到勢壘上，它的位置不確定度大到足以覆蓋兩個狹縫。
因?yàn)槲覀儾恢懒Ｗ油ㄟ^哪條縫，所以它的行為就好像它通過了兩條縫。這種現(xiàn)象的特征就是所謂的“干涉模式”:粒子可能出現(xiàn)在狹縫之外很遠(yuǎn)的地方的屏幕上的波紋分布，意味著距離狹縫很遠(yuǎn)(通常只有幾米)。
粒子同時通過兩個狹縫，在遠(yuǎn)場的屏幕上形成干涉圖樣。有些條帶(暗)更容易出現(xiàn)，而有些條帶(亮)則不太可能出現(xiàn)。
但是如果我們在勢壘附近放置一個測量裝置來找出粒子通過的是哪條縫呢?我們還能看到干涉圖樣嗎?
我們知道答案是否定的，海森堡的解釋是，如果狹縫的位置測量精度足夠告訴粒子穿過，它會給一個隨機(jī)擾動速度就足以影響最終在遠(yuǎn)場，因此洗出干擾的漣漪。
杰出的量子物理學(xué)家們意識到，要找出粒子穿過的狹縫并不需要測量位置。任何根據(jù)粒子穿過的狹縫給出不同結(jié)果的測量都可以。
他們提出了一種裝置，它對粒子的影響不是通過一個隨機(jī)的速度踢。因此，他們認(rèn)為，解釋干擾損失的不是海森堡的不確定性原理，而是其他一些機(jī)制。
海森堡預(yù)測
我們不需要研究他們所聲稱的破壞干擾的機(jī)制，因?yàn)槲覀兊膶?shí)驗(yàn)表明，粒子的速度受到影響，其大小與海森堡預(yù)測的一致。
我們看到其他人忽略了什么，因?yàn)楫?dāng)粒子通過測量裝置時，速度擾動不會發(fā)生。相反，它被推遲，直到粒子穿過狹縫，在通往遠(yuǎn)場的路上。這怎么可能呢?因?yàn)榱孔恿Ｗ硬粌H僅是粒子。它們也是波。
事實(shí)上，我們的實(shí)驗(yàn)背后的理論是一個波和粒子的性質(zhì)都很明顯的理論-波引導(dǎo)粒子的運(yùn)動，根據(jù)理論物理學(xué)家David Bohm介紹的解釋，在海森堡之后的一代人。
我們的實(shí)驗(yàn)在我們最新的實(shí)驗(yàn)中，中國科學(xué)家采用了我在2007年提出的一種技術(shù)，從兩個狹縫的許多不同的可能起點(diǎn)，以及測量的兩個結(jié)果，重建量子粒子的假設(shè)運(yùn)動。他們比較了沒有測量裝置時和有測量裝置時速度隨時間的變化，從而確定了測量結(jié)果引起的速度變化。
實(shí)驗(yàn)表明，測量對粒子速度的影響在粒子清除測量裝置本身后仍持續(xù)很長時間，最遠(yuǎn)可達(dá)5米。到那個時候，在遠(yuǎn)場中，累積的速度變化已經(jīng)足夠大了，平均而言，足以沖掉干涉圖樣中的波紋。因此，最終，海森堡的不確定性原理獲得了勝利。
在你考慮了原則的所有理論公式之前，不要對什么原則能或不能解釋一個現(xiàn)象作出影響深遠(yuǎn)的論斷。這是一個有點(diǎn)抽象的信息，但它的建議可以應(yīng)用在遠(yuǎn)離物理的領(lǐng)域。
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