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第四章 不确定性原理(1 / 5)

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科学理论,特别是牛顿引力论成功,使得法国科学家拉普拉斯侯爵在19世纪初论断,宇宙是完全被决定。他认为存在组科学定律,只要们完全知道宇宙在某时刻状态,们便能依此预言宇宙中将会发生事件。例如,假定们知道某个时刻太阳和行星位置和速度,则可用牛顿定律计算出在任何其他时刻太阳系状态。这种情形下宿命论是显而易见,但拉普拉斯进步假定存在着某些定律,它们类似地制约其他每件东西,包括人类行为。

很多人强烈地抵制这种科学宿命论教义,他们感到这侵犯上帝干涉世界自由。但直到本世纪初,这种观念仍被认为是科学标准假定。这种信念必须被抛弃个最初征兆,是由英国科学家瑞利勋爵和詹姆斯·金斯爵士所做计算,他们指出个热物体——例如恒星——必须以无限大速率辐射出能量。按照当时们所相信定律,个热体必须在所有频段同等地发出电磁波(诸如无线电波、可见光或X射线)。例如,个热体在1万亿赫兹到2万亿赫兹频率之间发出和在2万亿赫兹到3万亿赫兹频率之间同样能量波。而既然波频谱是无限,这意味着辐射出总能量必须是无限

避免这显然荒谬结果,德国科学家马克斯·普郎克在1900年提出,光波、X射线和其他波不能以任意速率辐射,而必须以某种称为量子形式发射。并且,每个量子具有确定能量,波频率越高,其能量越大。这样,在足够高频率下,辐射单独量子所需要能量比所能得到还要多。因此,在高频下辐射被减少,物体丧失能量速率变成有限

量子假设可以非常好地解释所观测到热体发射率,但直到1926年另个德国科学家威纳·海森堡提出著名不确定性原理之后,它对宿命论含义才被意识到。为预言个粒子未来位置和速度,人们必须能准确地测量它现在位置和速度。显而易见办法是将光照到这粒子上,部分光波被此粒子散射开来,由此指明它位置。然而,人们不可能将粒子位置确定到比光两个波峰之间距离更小程度,所以必须用短波长光来测量粒子位置。现在,由普郎克量子假设,人们不能用任意少数量,至少要用个光量子。这量子会扰动这粒子,并以种不能预见方式改变粒子速度。而且,位置测量得越准确,所需波长就越短,单独量子能量就越大,这样粒子速度就被扰动得越厉害。换言之,你对粒子位置测量得越准确,你对速度测量就越不准确,反之亦然。

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