6、测不准原理

1）、历史背景

由前几章的介绍我们知道，量子力学在发展中其数学表达形式是先于物诠释的。1924年德布罗意提出微观粒子的波动假说。1925年海森伯建立了量子力学数学形式系统──矩阵力学。1926年薛定谔成功地建立了物质波波动力学。同年夏，薛定谔又证明了矩阵力学和波动力学的数学等价性。到此，量子力学数学方案的自洽性已是无可怀疑了。但是，量子力学数学形式的物理诠释并没有解决，人们还不大清楚这些数学形式所表述的物理实在是什么。

当时，德布罗意认为，波和粒子是紧密地而且永恒地联系着的。在波和粒子的关系上，波引导着粒子运动，一个粒子仿佛骑在波上，随波而驰；当粒子（电子）停止运动时，波才消失，粒子仿佛将波收进其自身之中。这就是德布罗导波理论。德布罗意所描绘的画面显然十分生动，但他无法回答为什么粒子会产生波以及怎样收回到粒子之中；更重要的是，它很难处理两个粒子之间的相互作用。在1927年10月的索尔维第五届物理学会会议上，德布罗意的观点遭到了反对。

薛定谔把粒子看成是一个波包。波包由无限多平面波叠加而成。薛定谔的观点是，粒子是由波组成的，但是薛定谔方程却规定了波包扩散现象，波包扩散又没有实验依据。薛氏的波包理论看来也不是一个很好的量子力学诠释理论。

与上述两种解释同时，甚至比薛定谔还早一些（1924年），玻尔等人就在著名的BKS论文中提出了概率波解释。1926年，当量子力学的数学框架确定以后，玻恩采用了这个概率波观念，并在《论碰撞过程的量子力学》的论文中，给被看做概率波形式系统中的数学量以清楚的定义。按照这种诠释，必须承认微观物理学理论只能是一种概率性的理论。薛定谔方程所描述的，是事件概率在时间中的演化过程。波函数只与概率有直接的联系，是一种数学波。波在多维位形空间中传播，不代表什么客观存在的物质运动状态，是完全抽象的数学函数。

玻恩关于波函数的概率解释很快到了玻尔、海森伯等人的积极支持，但同时也遭到薛定谔、德布罗意、爱因斯坦等人的强烈反对。在激烈的辩论中，海森伯自己也对微观世界的不可捉摸性表示绝望。在反复问自己：“难道自然界真能像这些原子实验给我们的印象那么荒诞无稽吗？”量子力学与牛顿力学是那样的不相容，人们必须使用粒子的位置和速度这些概念，但又不能像牛顿力学那样去理解这些概念的物理意义。这到底是怎么回事呢？是否是原子世界有着与宏观世界不同的物理机制和哲学原理呢？如果这种想法是对的，那么就必须对牛顿以来成为经典力学基础的那些概念加以限制，否则，概率解释就是无本之木，无源之水。此外，观察和测量，但人们不能以任意高的准确度同时测量这两个量，那么就可以为自己矩阵力学中不对易关系找到物理依据。这是海森伯寻求测不准原理的第一个原因。

促使海森伯提出测不准原理的第二个原因，是电子在云室中的“径迹”解释问题。按照几率解释，微观粒子的运动是无轨迹可言的，但人们又在云室中看到了电子的“径迹”。这显然是一个尖锐的矛盾。此时，海森伯想到了爱因斯坦的一句名言：“正是理论才能决定我们可以观察到什么。”海森伯想到，如果能够证明理论不承认粒子轨线的观察性，而且把云室中电子的“轨迹”理解成由一系列小水滴显示出来的，确定得并不准确的分立位置，那么就可能在理论表述和观察实验结果之间寻求到某种逻辑上讲得通的联系。

海森伯认真思考了这些问题。当他请教了玻尔之后，得出的结论是：“如果在微观世界中我们不把应用速度和位置等概念的精度看得过于严重，一切问题就都解决了。”1927年3月，海森伯在德国《物理学报》发表了《论量子论的运动学和动力学的直觉内容》的论文，公布了他为量子力学概率诠释所建立的物理学和哲学基础之一──测不准原理。

(摘于 赵国求著 <相互作用实在与量子力学曲率解释> 武汉出版社,2008年.)