上帝真的会“掷骰子”吗?量子力学的不确定性原理靠谱吗

量子力学有一个基本支柱叫作不确定性原理,我们也称其为不确定性关系,这是物理学家海森堡发现的一条量子定律。大意是,在量子行为中,粒子所具有的两个量是不能被完全确定的,通常我们举例的是动量和位置,或者是能量和时间,两者我们统称为共厄量。共厄量中任意一个无法被确定,例如动量,无论你用何种方式测量一个粒子的动量,它总是会出现几个标准差。假如你使出浑身解数,想要精确地测量它的动量,此时它的位置的不确定,即位置标准差又突然间增加起来。从而,此两者之间的不确定度,或者说标准差的乘积总是大于等于一个叫普朗克的常量,这就是我们之前说的不确定性原理。

爱因斯坦十分排斥这个理论,他认为宇宙是确定的,或者我们称作拉普拉斯的决定论:在给定的科学规律下,任何值都能精确测量出来。爱因斯坦用一句经典名言来描述自己的观点:上帝不掷骰子。在这里,上帝指的是自然,而骰子代表不确定。历史证明,爱因斯坦至死都没有相信不确定。然而,后来量子力学的精确发展却证明了:上帝也掷骰子。例如我们考虑一个电子,如果你想用光去测量它的动量,最少要用到一个光子,然而这光子又会出其不意的改变电子的位置误差,计算下来符合定律。

科学家都以为这个理论是真理了。然而,他们想错了。2003年,日本名古屋大学小泽正直教授提出了一个理论,他认为,在测量以前粒子的两个量动量或者位置都会出现涨落,从而影响观测误差。这样,粒子的不确定就不再局限于两个量,而在于之前的量子涨落,当其中一个量被确定的时候,此时另一个量也不会产生误差,但是其测量之前的涨落就会达到无限大,这说明,粒子的共厄量可以被确定,顺着这个思路,小泽正直修改了海森堡的不确定性原理,提出了震惊学界的小泽不等式:

ΔQ×ΔP+ΔQ×σ(P)+σ(Q)×ΔP≥h/(4π)

在这里,P、Q分别指动量和位置的不确定度, σ(P)、σ(Q) 指两者的量子涨落,等式右边是约化普朗克常量,整个公式的大意指粒子动量、位置的误差乘积再加上其与涨落的乘积大于等于普朗克常量,这比海森堡的多了两个项。2011年,他们的科研团队对中子做了实验,实验产生的两个量的不确定度明显违反了海森堡的定律。这说明,上帝还真有可能不掷骰子。同时对于不确定的研究,他们也还在继续。