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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

00:00:10.812 --> 00:00:14.686
拓展到普罗大众文化的物理原理之一。

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，

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，

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。

00:00:26.189 --> 00:00:29.429
不确定性常常被认为是测量时产生的，

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。

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

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

00:00:41.759 --> 00:00:46.148
都同时表现出「粒子」和「波」的两种性质。

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

00:00:50.458 --> 00:00:51.896
没有任何意义。

00:00:51.896 --> 00:00:53.147
要理解这一点，

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。

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。

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，

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。

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%。

00:01:13.637 --> 00:01:17.621
而波则是「扰动」在空间中的传播，

00:01:17.621 --> 00:01:20.288
就像是湖面上荡起的涟漪。

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。

00:01:23.767 --> 00:01:25.933
其中最重要的，就是波长。

00:01:25.933 --> 00:01:28.390
波长是相邻两个波峰之间，

00:01:28.390 --> 00:01:30.319
或者两个相邻波谷之间的距离。

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。

00:01:32.897 --> 00:01:36.282
波有很大概率处于各种不同的位置。

00:01:36.282 --> 00:01:39.099
波长是量子物理的基础。

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：

00:01:42.419 --> 00:01:44.024
动量 = 质量乘以速度。

00:01:44.024 --> 00:01:46.909
一个快速运动的物体有很大的动量，

00:01:46.909 --> 00:01:49.899
所以波长也就很短。

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。

00:01:54.249 --> 00:01:56.916
同样的，也代表了它的波长很短，

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。

00:02:00.767 --> 00:02:02.644
如果你将一个棒球投掷于空中，

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。

00:02:07.029 --> 00:02:09.364
实在是太小了，基本不可能检测到。

00:02:09.364 --> 00:02:12.324
然而，更小的物质
比如说原子或者电子，

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。

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，

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。

00:02:22.921 --> 00:02:25.108
我们可以很容易知道一个粒子的位置，

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。

00:02:28.569 --> 00:02:31.600
为了同时得到一个粒子的位置和动量，

00:02:31.600 --> 00:02:33.540
我们需要融合两个图像。

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。

00:02:37.163 --> 00:02:38.650
我们如何来做呢？

00:02:38.650 --> 00:02:41.554
通过将不同波长的波进行融合。

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。

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

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。

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。

00:02:55.821 --> 00:02:58.279
结果就是有些地方我们看得到波，

00:02:58.279 --> 00:03:01.106
另一些地方，则什么都没有。

00:03:01.106 --> 00:03:02.590
如果我们再加上第三个波，

00:03:02.590 --> 00:03:05.709
那些波被消减的区域就变大了。

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。

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：

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。

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。

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

00:03:23.311 --> 00:03:25.625
就都不具备确定性了。

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。

00:03:28.223 --> 00:03:30.918
我们有很高的概率
在波包内的范围里

00:03:30.918 --> 00:03:32.837
的任何地方找到它。

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，

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，

00:03:38.012 --> 00:03:41.291
拥有与之相应的动量。

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。

00:03:44.530 --> 00:03:46.816
并且这种不确定性是相关联的。

00:03:46.816 --> 00:03:49.209
如果你想降低位置的不确定性，

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，

00:03:52.628 --> 00:03:54.865
从而导致了一个更大的动量不确定性。

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，

00:03:58.047 --> 00:04:01.012
这样就导致了更大的位置的不确定性。

00:04:01.012 --> 00:04:03.221
这就是海森堡不确定性原理。

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。

00:04:08.207 --> 00:04:12.589
这种不确定性和测量的好与坏无关，

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。

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，

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，

00:04:23.733 --> 00:04:28.157
并建立在宇宙本身的基本构成之上。