《命运骰子——量子力学简史》（第二十二章）

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《命运骰子——量子力学简史》（第二十二章）
第二十二章 海森堡是处男吗？——不确定性原理

（1）

1922年，德国科学家为了庆祝玻尔获得诺贝尔奖，特地举行“玻尔节”，邀请玻尔到哥廷根来演讲。

那时候，慕尼黑的索末菲领着两头初生牛犊——泡利和海森堡日夜兼程，横穿整个德国，赶到哥廷根来朝拜玻尔大师。于是，在玻尔演讲现场的听众里，有一位21岁的大二学生，海森堡。


海森堡那时候虽然是一个无名小卒，但来势很猛，他是有备而来，准备了一些尖锐的问题。比如，玻尔说电子要么在这个状态，要么在那个状态，中间状态是没有的——这就是跃迁理论。

海森堡潮头很大，他在演讲现场就发飙起来。

他站起来,听见自己的嘴巴突然一张一合，一字一句地从那里蹦出来下面这几个单词：“玻尔老师，相对论说速度是有限的，最大的速度是光速，电子从这个状态跳到那个状态，不管距离多么短，一定是需要时间的。那么在这段时间内电子处于什么状态啊？”


玻尔冷不丁被打断了演讲思路，脑子一下子缺氧。嘴巴也就跟不上了，回答不了这个毛头小伙子提的问题，但姜是老得辣,他显得很从容，说：“好问题，it is a good question，我们私下再谈。”

接下来，玻尔继续他的演讲，但方寸有点乱了，内心里很喜欢刚才那个打断自己的小伙子，他心想这孩子显得比较成熟，他是处男吗？——玻尔不能确定。
（2）


会后，玻尔邀请海森堡去散步。

这一次散步，使得海森堡认识到，玻尔虽然在江湖上名气很大，但平易近人，而且对物理的洞察力又很深邃的。于是，海森堡暗暗下决心，以后要追随玻尔。

他心里土壤，埋藏了这个种子。于是，他算是跟玻尔已经认识了——这是参加学术会议的好处之一，可以认识行业内的大牛人。

此后几年，相安无事。

物理学1925年开始的高潮，持续到第三年，到了1927年，海森堡还是一个处男，二月份，春寒料峭。

他来到了哥本哈根，在玻尔的研究所里继续博士后研究。博士后人群到处流浪，那里给钱就去那里，是非常有创造力的。上午可能还在哥廷根的街上吃干面包，下午就出现在哥本哈根研究所的食堂里，大口啃着牛排，喝着啤酒。


1927年，大家都很年轻，泡利比海森堡大一岁，海森堡比狄拉克大一岁，这些年轻人中，年纪人还有约当，维格纳和冯诺伊曼。所以，这时候的物理学，被称为“处男物理学。”
而薛定谔老师已经40岁了，他这个时候因为搞出了波动力学，算是大器晚成，1926年10月也来到哥本哈根访问，他住在玻尔家里，专门给玻尔讲解波动力学。可惜，玻尔根本不相信波动力学是对的，于是，大家闹得很尴尬，薛定谔住了没有几天，就病了。



(3)

二月，乍暖还寒，物理学也一样，暖流已经袭来，但冷空气还没有消退。

薛老师离开哥本哈根以后，玻尔和海森堡继续讨论，他们觉得很费解，电子一会儿表现的象一个粒子，一会儿又表现得象波。电子如果真是波又是粒子，那情何以堪。

他们不服薛老师的那一套。

薛老师回到维也纳，也觉得玻尔智商不行，他写信给朋友说：“那些人其实都是混混，我是这个混乱时代中幸存下来的唯一一个脑子还清爽的人。”



这个二月，大家的精神高度紧张，脑子也快炸了。
玻尔对海森堡说：“森堡，明天我要带着你师母去挪威大峡谷滑雪，我们需要休息一下了，脑子要爆炸了。---你也可以出去玩玩,找个小姑娘什么的……”

海森堡说：“行，希望旅游能让您充满灵感。”

海森堡这个时候突然起了一个怪念头，他感觉道德的苍白，心想，玻尔这次去滑雪，不会摔断了腿再回来吧。
翌日，玻尔出发去了挪威。



（4）

海森堡独自一个人留在哥本哈根,没有玻尔在边上,他的思绪很自由。他心想，如果薛定谔的波包真可以描述粒子，那就是说，电子的位置是不确定的，那么好，请问，这个电子的位置，总有一个概率分布，这个概率分布的不确定度是多少？

海森堡计算了一下，发现，位置不确定度△q和动量不确定度△p必须满足如下关系

△p×△q>h/2π


其实，数学家一看就会明白，这可以从傅里叶变换中直接推出来，但对海森堡来说，这个结果很是惊人，因为这里面有一个不等号。电子的位置分布和动量分布，不能同时确定？


这想法把海森堡雷到了。

这个结果是那么的强，以至于被认为是量子力学中最深刻的东西，因为按照这个原理，1922年海森堡初次见到玻尔时候的那个问题迎刃而解：其实电子从一个状态变到另外一个状态，这中间确实需要时间，这个时间△t与两个状态对应的能量差△E有关系，同样满足



△t > h/（2π △E）


海森堡在玻尔不在场的房间里，回答了5年前自己提出的这个问题。写字台上的台灯忽明白忽暗，似乎正是这一原理在起作用，海森堡觉得万分的孤寂，他激动地趴在窗台上，狼一样地高喊起来：“来人呀，我发现了上帝的秘密。”



这一结果于1927年3月23日在《物理学杂志》上发表，被称作“不确定性原理”（Uncertainty Principle）。
“不确定性原理”正确的断句方式是“不确定性—原理”而不是“不确定—性—原理”，不过自从李宇春教授红遍中国以后，大家对这些已经不再异常关怀。
总之，1925年以后的三年是波澜壮阔的，以前的物理学已经锈迹斑斑，在这个令人沉沉欲睡的氛围之中，23岁的海森堡和22岁的狄拉克开创了量子力学的矩阵形式犹如晴空霹雳，因为他们实在太年轻，“处男物理学”显得并不是那么合情合理符合街上人群的直观逻辑，但是，“不确定性原理”的出现，使得大街上的每一个少女都可以理解而且动心。


街楼市景依然宁静，但在街上的很多少女，对哥本哈根的年轻博士后研究员海森堡充满了好感，她们总是在夜深人静的时候听到静水流深，在床上问自己这样的问题：“海森堡是处男吗？哦，我是处女吗？”
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