LoveNPeace

不確定性原理...不確定？我們又一次遇到了這個討厭的詞。還是那句話，這個詞在物理學中是不受歡迎的。如果物理學什麼都不能確定，那我們還要它來幹什麼呢？本來波恩的概率解釋已經夠讓人煩惱的了--即使給定全部條件，也無法預測結果。現在海森堡幹得更絕，給定全部條件？這個前提本身都是不可能的，給定了其中一部分條件，另一部分條件就要變得模糊不清，無法確定。給定了p，那麼我們就要對q說拜拜了。

這可不太美妙，一定有什麼地方搞錯了。我們測量了p就無法測量q？我倒不死心，非要來試試看到底行不行。好吧，海森堡接招，還記得威爾遜雲室吧？你當初不就是為了這個問題苦惱嗎？透過雲室我們可以看見電子運動的軌跡，那麼通過不斷地測量它的位置，我們當然能夠計算出它的瞬時速度來，這樣不就可以同時知道它的動量了嗎？

「這個問題，」海森堡笑道，「我終於想通了。電子在雲室裡留下的並不是我們理解中的精細的『軌跡』，事實上那只是一連串凝結的水珠。你把它放大了看，那是不連續的，一團一團的『虛線』，根本不可能精確地得出位置的概念，更談不上違反不確定原理。」

「哦？是這樣啊。那麼我們就仔細一點，把電子的精細軌跡找出來不就行了？我們可以用一個大一點的顯微鏡來幹這活，理論上不是不可能的吧？」

「對了，顯微鏡！」海森堡興致勃勃地說，「我正想說顯微鏡這事呢。就讓我們來做一個思維實驗(Gedanken-experiment)，想像我們有一個無比強大的顯微鏡吧。不過，再厲害的顯微鏡也有它基本的原理啊，要知道，不管怎樣，如果我們用一種波去觀察比它的波長還要小的事物的話，那就根本談不上精確了，就像用粗筆劃不出細線一樣。如果我們想要觀察電子這般微小的東西，我們必須要採用波長很短的光。普通光不行，要用紫外線，X射線，甚至γ射線才行。」

「好吧，反正是思維實驗用不著花錢，我們就假設上頭破天荒地撥了鉅款，給我們造了一台最先進的γ射線顯微鏡吧。那麼，現在我們不就可以準確地看到電子的位置了嗎？」

「可是，」海森堡指出，「你難道忘了嗎？任何探測到電子的波必然給電子本身造成擾動。波長越短的波，它的頻率就越高，是吧？大家都應該還記得普朗克的公式E =hν，頻率一高的話能量也相應增強，這樣給電子的擾動就越厲害，同時我們就更加無法瞭解它的動量了。你看，這完美地滿足不確定性原理。」

「你這是狡辯。好吧我們接受現實，每當我們用一個光子去探測電子的位置，就會給它造成強烈的擾動，讓它改變方向速度，向另一個方向飛去。可是，我們還是可以採用一些聰明的，迂迴的方法來實現我們的目的啊。比如我們可以測量這個反彈回來的光子的方向速度，從而推導出它對電子產生了何等的影響，進而匯出電子本身的方向速度。怎樣，這不就破解了你的把戲嗎？」

「還是不行。」海森堡搖頭說，「為了達到那樣高的靈敏度，我們的顯微鏡必須有一塊很大直徑的透鏡才行。你知道，透鏡把所有方向來的光都聚集到一個焦點上，這樣我們根本就無法分辨出反彈回來的光子究竟來自何方。假如我們縮小透鏡的直徑以確保光子不被聚焦，那麼顯微鏡的靈敏度又要變差而無法勝任此項工作。所以你的小聰明還是不奏效。」

「真是邪門。那麼，觀察顯微鏡本身的反彈怎樣？」

「一樣道理，要觀察這樣細微的效應，就要用波長短的光，所以它的能量就大，就給顯微鏡本身造成抹去一切的擾動...」

等等，我們並不死心。好吧，我們承認，我們的觀測器材是十分粗糙的，我們的十指笨拙，我們的文明才幾千年歷史，現代科學更是僅創立了300年不到的時間。我們承認，就我們目前的科技水準來說，我們沒法同時觀測到一個細小電子的位置和動量，因為我們的儀器又傻又笨。可是，這並不表明，電子不同時具有位置和動量啊，也許在將來，哪怕遙遠的將來，我們會發展出一種尖端科技，我們會發明極端精細的儀器，從而準確地測出電子的位置和動量呢？你不能否認這種可能性啊。

「話不是這樣說的。」海森堡若有所思地說，「這裡的問題是理論限制了我們能夠觀測到的東西，而不是實驗導致的誤差。同時測量到準確的動量和位置在原則上都是不可能的，不管科技多發達都一樣。就像你永遠造不出永動機，你也永遠造不出可以同時探測到p和q的顯微鏡來。不管今後我們創立了什麼理論，它們都必須服從不確定性原理，這是一個基本原則，所有的後續理論都要在它的監督下才能取得合法性。」

海森堡的這一論斷是不是太霸道了點？而且，這樣一來物理學家的臉不是都給丟盡了嗎？想像一下公眾的表現吧：什麼，你是一個物理學家？哦，我真為你們惋惜，你們甚至不知道一個電子的動量和位置！我們家湯米至少還知道怎麼擺弄他的皮球。

不過，我們還是要擺事實，講道理，以德服人。一個又一個的思想實驗被提出來，可是我們就是沒法既精確地測量出電子的動量，同時又精確地得到它的位置。兩者的誤差之乘積必定要大於那個常數，也就是h除以2π。幸運的是，我們都記得h非常小，只有6.626×10^-34焦耳秒，那麼假如△p和△q的量級差不多，它們各自便都在10^-17這個數量級上。我們現在可以安慰一下不明真相的群眾：事情並不是那麼糟糕，這種效應只有在電子和光子的尺度上才變得十分明顯。對於湯米玩的皮球，10^-17簡直是微不足道到了極點，根本就沒法感覺出來。湯米可以安心地拍他的皮球，不必擔心因為測不准它的位置而把它弄丟了。

不過對於電子尺度的世界來說，那可就大大不同了。在上一章的最後，我們曾經假想自己縮小到電子大小去一探原子裡的奧秘，那時我們的身高只有10^-23米。現在，媽媽對於我們淘氣的行為感到擔心，想測量一下我們到了哪裡，不過她們註定要失望了：測量的誤差達到10^-17米，是我們本身高度的100萬倍！100萬倍的誤差意味著什麼，假如我們平時身高1米75，這個誤差就達到175萬米，也就是1750公里，母親們得在整條京滬鐵路沿線到處尋找我們才行。「測不准」變得名副其實了。

在任何時候，大自然都固執地堅守著這一底線，絕不讓我們有任何機會可以同時得到位置和動量的精確值。任憑我們機關算盡，花樣百出，它總是比我們高明一籌，每次都狠狠的把我們的小聰明擊敗。不能測量電子的位置和動量？我們來設計一個極小極小的容器，它內部只能容納一個電子，不留下任何多餘的空間，這下如何？電子不能亂動了吧？可是，首先這種容器肯定是造不出來的，因為它本身也必定由電子組成，所以它本身也必然要有位置的起伏，使內部的空間漲漲落落。退一步來說，就算可以，在這種情況下，電子也會神秘地滲過容器壁，出現在容器外面，像傳說中穿牆而過的嶗山道士。不確定性原理賦予它這種神奇的能力，衝破一切束縛。還有一種辦法，降溫。我們都知道原子在不停地振動，溫度是這種振動的宏觀表現，當溫度下降到絕對零度，理論上原子就完全靜止了。那時候動量確定為零，只要測量位置就可以了吧？可惜，絕對零度是無法達到的，無論如何努力，原子還是拼命地保有最後的一點內能不讓我們測准它的動量。不管是誰，也無法讓原子完全靜止下來，傳說中的聖鬥士也不行--他們無法克服不確定性原理。

動量p和位置q，它們真正地是「不共戴天」。只要一個量出現在宇宙中，另一個就神秘地消失。要麼，兩個都以一種模糊不清的面目出現。海森堡很快又發現了另一對類似的仇敵，它們是能量E和時間t。只要能量E測量得越準確，時刻t就愈加模糊；反過來，時間t測量得愈準確，能量E就開始大規模地起伏不定。而且，它們之間的關係遵守相同的不確定性規則：

△E×△t >h/2π

各位看官，我們的宇宙已經變得非常奇妙了。各種物理量都遵循著海森堡的這種不確定性原理，此起彼伏，像神秘的大海中不斷升起和破滅的泡沫。在古人看來，「空」就是空蕩蕩無一物。不過後來人們知道了，看不見的空氣中也有無數分子，「空」應該指抽空了空氣的真空。再後來，人們覺得各種場，從引力場到電磁場，也應該排除在「空」的概念之外，它應該僅僅指空間本身而已。

但現在，這個概念又開始混亂了。首先愛因斯坦的相對論告訴我們空間本身也能扭曲變形，事實上引力只不過是它的彎曲而已。而海森堡的不確定性原理展現了更奇特的場景：我們知道t測量得越準確，E就越不確定。所以在非常非常短的一剎那，也就是t非常確定的一瞬間，即使真空中也會出現巨大的能量起伏。這種能量完全是靠著不確定性而憑空出現的，它的確違反了能量守恆定律！但是這一剎那極短，在人們還沒有來得及發現以前，它又神秘消失，使得能量守恆定律在整體上得以維持。間隔越短，t就越確定，E就越不確定，可以憑空出現的能量也就越大。

所以，我們的真空其實無時無刻不在沸騰著，到處有神秘的能量產生並消失。愛因斯坦告訴我們，能量和物質可以互相轉換，所以在真空中，其實不停地有一些「幽靈」物質在出沒，只不過在我們沒有抓住它們之前，它們就又消失在了另一世界。真空本身，就是提供這種漲落的最好介質。

現在如果我們談論「空」，應該明確地說：沒有物質，沒有能量，沒有時間，也沒有空間。這才是什麼都沒有，它根本不能夠想像(你能想像沒有空間是什麼樣子嗎？)。不過大有人說，這也不算「空」，因為空間和時間本身似乎可以通過某種機制從一無所有中被創造出來，我可真要發瘋了，那究竟怎樣才算「空」呢？

*********

飯後閒話：無中生有

曾幾何時，所有的科學家都認為，無中生有是絕對不可能的。物質不能被憑空製造，能量也不能被憑空製造，遑論時空本身。但是不確定性原理的出現把這一切舊觀念都摧枯拉朽一般地粉碎了。

海森堡告訴我們，在極小的空間和極短的時間裡，什麼都是有可能發生的，因為我們對時間非常確定，所以反過來對能量就非常地不確定。能量物質可以逃脫物理定律的束縛，自由自在地出現和消失。但是，這種自由的代價就是它只能限定在那一段極短的時間內，當時刻一到，灰姑娘就要現出原形，這些神秘的物質能量便要消失，以維護質能守恆定律在大尺度上不被破壞。

不過上世紀60年代末，有人想到了一種可能性：引力的能量是負數(因為引力是吸力，假設無限遠的勢能是0，那麼當物體靠近後因為引力做功使得其勢能為負值)，所以在短時間內憑空生出的物質能量，它們之間又可以形成引力場，其產生的負能量正好和它們本身抵消，使得總能量仍然保持為0，不破壞守恆定律。這樣，物質就真的從一無所有中產生了。

許多人都相信，我們的宇宙本身就是通過這種機制產生的。量子效應使得一小塊時空突然從根本沒有時空中產生，然後因為各種力的作用，它突然指數級地膨脹起來，在瞬間擴大到整個宇宙的尺度。MIT的科學家阿倫‧古斯(Alan Guth)在這種想法上出發，創立了宇宙的「暴漲理論」(Inflation)。在宇宙創生的極早期，各塊空間都以難以想像的驚人速度暴漲，這使得宇宙的總體積增大了許多許多倍。這就可以解釋為什麼今天它的結構在各個方向看來都是均勻同一的。

暴漲理論創立以來也已經出現多個版本，不過很難確定地證實這個理論究竟是否正確，因為宇宙畢竟不像我們的實驗室可以隨心所欲地觀測研究。但大多數物理學家對其還是偏愛的，認為這是一個有希望的理論。1998年，古斯還出版了一本通俗的介紹暴漲的書，他最愛說的一句話是：「宇宙本身就是一頓免費午餐。」意思是宇宙是從一無所有中而來的。

不過，假如再苛刻一點，這還不能算嚴格的「無中生有」。因為就算沒有物質，沒有時間空間，我們還有一個前提：存在著物理定律！相對論和量子論的各種規則，比如不確定原理本身又是如何從無中生出的呢？或者它們不言而喻地存在？我們越說越玄了，這就打住吧。

上帝擲骰子嗎-量子物理史話(曹天元)

線上閱讀：http://www.haodoo.net/?M=m&P=J090721:0

感謝好讀網站，支持好讀的夢想 http://www.haodoo.net/?M=hd&P=donate

友善提醒：多一分的了解就少一分對未知的恐慌，對訊息無須批判分析，知悉即可。閱讀訊息時請保持身心靈的平靜與開放，並善用自己的直覺與內在智慧，感知哪些是對自己有正面幫助的訊息，提取它們，並放下沒有共鳴的部分，無須執著、困擾、恐懼；保持心態的正面與開放，樂觀迎接新的可能，一種接近真善美的可能。

感謝一切~ NAMASTE