1
00:00:07,065 --> 00:00:10,812
海森堡不确定性原理
是少数可以从量子物理领域

2
00:00:10,812 --> 00:00:14,686
拓展到普罗大众文化的物理原理之一。

3
00:00:14,686 --> 00:00:18,112
它指出人不能既知道一个物体的具体位置，

4
00:00:18,112 --> 00:00:22,453
又同时知道这个物体的运动速率。
它在各个领域被作为隐喻使用，

5
00:00:22,453 --> 00:00:25,879
无论是从文艺评论，还是到体育评论中都有它的身影。

6
00:00:26,189 --> 00:00:29,429
不确定性常常被认为是测量时产生的，

7
00:00:29,429 --> 00:00:34,561
因为对于一个物体位置的测定会改变该物体的速度，
反过来也是一样。

8
00:00:34,561 --> 00:00:38,278
但是真正的原理要更加深奥，并且更加奇妙有趣

9
00:00:38,278 --> 00:00:41,759
不确定性原理之所以存在
是因为宇宙中的任何东西

10
00:00:41,759 --> 00:00:46,148
都同时表现出「粒子」和「波」的两种性质。

11
00:00:46,148 --> 00:00:50,458
在量子力学中，
一个物体的确切位置和速度

12
00:00:50,458 --> 00:00:51,896
没有任何意义。

13
00:00:51,896 --> 00:00:53,147
要理解这一点，

14
00:00:53,147 --> 00:00:57,053
我们需要知道表现的像「粒子」
或是像「波」究竟是什么意思。

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00:00:57,053 --> 00:01:01,045
粒子按照其解释，存在于任意瞬间的一个单独的空间里。

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00:01:01,045 --> 00:01:05,037
我们可以用像一张鞋钉一样的图案表现它，

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00:01:05,037 --> 00:01:09,030
从中我们可以发现要在特定的空间里找到一个物体的概率。

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00:01:09,030 --> 00:01:13,637
在某一个特定地点，概率是 100%，
在别处则都是 0%。

19
00:01:13,637 --> 00:01:17,621
而波则是「扰动」在空间中的传播，

20
00:01:17,621 --> 00:01:20,288
就像是湖面上荡起的涟漪。

21
00:01:20,288 --> 00:01:23,767
我们可以很容易的将「波」作为一个整体，
然后确立它的一些特性。

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00:01:23,767 --> 00:01:25,933
其中最重要的，就是波长。

23
00:01:25,933 --> 00:01:28,390
波长是相邻两个波峰之间，

24
00:01:28,390 --> 00:01:30,319
或者两个相邻波谷之间的距离。

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00:01:30,319 --> 00:01:32,897
但是我们并不能给他分配一个特定的位置。

26
00:01:32,897 --> 00:01:36,282
波有很大概率处于各种不同的位置。

27
00:01:36,282 --> 00:01:39,099
波长是量子物理的基础。

28
00:01:39,099 --> 00:01:42,419
因为一 个物体的波长
和它的动量是息息相关的：

29
00:01:42,419 --> 00:01:44,024
动量 = 质量乘以速度。

30
00:01:44,024 --> 00:01:46,909
一个快速运动的物体有很大的动量，

31
00:01:46,909 --> 00:01:49,899
所以波长也就很短。

32
00:01:49,899 --> 00:01:54,249
一个很重的物体本身具有很大的动量，
即使它并没有快速运动。

33
00:01:54,249 --> 00:01:56,916
同样的，也代表了它的波长很短，

34
00:01:56,916 --> 00:02:00,767
这也是为什么我们观察不到
日常用品的波的性质的原因。

35
00:02:00,767 --> 00:02:02,644
如果你将一个棒球投掷于空中，

36
00:02:02,644 --> 00:02:07,029
它的波长是一米的亿分之万亿分之万亿分之一。

37
00:02:07,029 --> 00:02:09,364
实在是太小了，基本不可能检测到。

38
00:02:09,364 --> 00:02:12,324
然而，更小的物质
比如说原子或者电子，

39
00:02:12,324 --> 00:02:16,142
则有一个足够大的
能在物理实验中测量出的波长。

40
00:02:16,142 --> 00:02:19,475
所以如果我们有一个纯粹的波，
我们就能测量它的波长，

41
00:02:19,475 --> 00:02:22,921
从而得到它的动量。
但是却得不到它的位置。

42
00:02:22,921 --> 00:02:25,108
我们可以很容易知道一个粒子的位置，

43
00:02:25,108 --> 00:02:28,569
但它却并没有波长，
所以我们也不知道它的动量。

44
00:02:28,569 --> 00:02:31,600
为了同时得到一个粒子的位置和动量，

45
00:02:31,600 --> 00:02:33,540
我们需要融合两个图像。

46
00:02:33,540 --> 00:02:37,163
来创造一个有波的图，
然而尽在很小的区域里。

47
00:02:37,163 --> 00:02:38,650
我们如何来做呢？

48
00:02:38,650 --> 00:02:41,554
通过将不同波长的波进行融合。

49
00:02:41,554 --> 00:02:46,528
这就意味着我们的量子物体
具有不同动量的可能性。

50
00:02:46,528 --> 00:02:49,282
当我们让两个波相加时，
我们发现有些地方

51
00:02:49,282 --> 00:02:51,695
两个波的波峰对齐
并且组成了一个更大的波。

52
00:02:51,695 --> 00:02:55,821
然而在另外一些地方，一个波的波峰
却叠到了另一个的波谷里。

53
00:02:55,821 --> 00:02:58,279
结果就是有些地方我们看得到波，

54
00:02:58,279 --> 00:03:01,106
另一些地方，则什么都没有。

55
00:03:01,106 --> 00:03:02,590
如果我们再加上第三个波，

56
00:03:02,590 --> 00:03:05,709
那些波被消减的区域就变大了。

57
00:03:05,709 --> 00:03:09,891
加上第四个，依旧变大，
但波的区域逐渐变窄。

58
00:03:09,891 --> 00:03:13,089
如果我们持续添加更多的波，
我们能得到一个波包：

59
00:03:13,089 --> 00:03:16,168
在一个很小的区域里
有一个确定的波长。

60
00:03:16,168 --> 00:03:20,224
这就得到了一个同时拥有波的属性
和粒子的属性的量子物体。

61
00:03:20,224 --> 00:03:23,311
但是为了完成这一点，
我们得到的位置和动量

62
00:03:23,311 --> 00:03:25,625
就都不具备确定性了。

63
00:03:25,625 --> 00:03:28,223
而且它们位置并非规定在一个单独的点上。

64
00:03:28,223 --> 00:03:30,918
我们有很高的概率
在波包内的范围里

65
00:03:30,918 --> 00:03:32,837
的任何地方找到它。

66
00:03:32,837 --> 00:03:35,586
我们通过多个波相加的办法
得到了这个波包，

67
00:03:35,586 --> 00:03:38,012
于是我们就有可能找到
其中一个位置的量子物体，

68
00:03:38,012 --> 00:03:41,291
拥有与之相应的动量。

69
00:03:41,291 --> 00:03:44,530
所以位置和动量现在就都是不确定的了。

70
00:03:44,530 --> 00:03:46,816
并且这种不确定性是相关联的。

71
00:03:46,816 --> 00:03:49,209
如果你想降低位置的不确定性，

72
00:03:49,209 --> 00:03:52,628
就得用更多的波相加，
构造一个更小的波包，

73
00:03:52,628 --> 00:03:54,865
从而导致了一个更大的动量不确定性。

74
00:03:54,865 --> 00:03:58,047
如果你想更明确的得到动量值，
就需要一个更大的波包，

75
00:03:58,047 --> 00:04:01,012
这样就导致了更大的位置的不确定性。

76
00:04:01,012 --> 00:04:03,221
这就是海森堡不确定性原理。

77
00:04:03,221 --> 00:04:08,207
最初被德国物理学家
Werner Heisenberg 早在 1927 年提出。

78
00:04:08,207 --> 00:04:12,589
这种不确定性和测量的好与坏无关，

79
00:04:12,589 --> 00:04:17,107
是一种结合波和粒子
两种性质之后的不可避免的结果。

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00:04:17,107 --> 00:04:20,663
不确定性并不仅仅是
测量上的实际限制，

81
00:04:20,663 --> 00:04:23,733
它是一种对于物体只能有一种性质的限制，

82
00:04:23,733 --> 00:04:28,157
并建立在宇宙本身的基本构成之上。