（二）不確定性原理

不確定性原理的意思是你無(wú)法同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)得一個(gè)粒子的位置和動(dòng)量。這是什么意思呢？

動(dòng)量=質(zhì)量×速度。速度是在單位時(shí)間內(nèi)，粒子從初始位置到末位置行走過(guò)的距離。對(duì)于電子來(lái)說(shuō)，它從電子槍出發(fā)時(shí)的初始位置是給定的，但是末始位置就需要你去測(cè)量了。測(cè)量的方法是將一束光照上去，這樣就會(huì)有光子被電子散射開(kāi)來(lái)，由此確定電子準(zhǔn)確的“末位置”。而不確定性的原因出在用來(lái)測(cè)量電子的“光子”身上。因?yàn)楣庾硬皇且粋€(gè)粒子，而是一道波。而“波”不是一個(gè)東西，只是一種物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)態(tài)勢(shì)。例如，水波是水分子上下振動(dòng)的態(tài)勢(shì)，聲波是空氣分子被前后擠壓的態(tài)勢(shì)。

波的態(tài)勢(shì)有兩個(gè)特性：波長(zhǎng)和振幅。波長(zhǎng)是空間內(nèi)波在一個(gè)長(zhǎng)度方向的區(qū)間跨度。因此，假設(shè)你用一道光“波”去測(cè)量電子位置的話，因?yàn)楣獠ň哂性诳臻g中波的長(zhǎng)度的區(qū)間跨度，這樣電子的準(zhǔn)確位置就有一個(gè)基于光波的波長(zhǎng)空間跨度所帶來(lái)位置的“不確定性”。

圖1-27 米尺的刻度是毫米，而光波也有基于其波長(zhǎng)而存在的刻度值

圖1-28 光波具有的區(qū)間跨度

圖1-29 光波具有的區(qū)間跨度如圖1-27所示，米尺的最小刻度是1毫米，如果你用這個(gè)尺子去測(cè)量書桌，你對(duì)書桌長(zhǎng)度精確度的測(cè)定只能限于1毫米以上。對(duì)于用來(lái)測(cè)量電子位置的光波也是同樣情況，因?yàn)楣馐遣ǎ虼藢?duì)電子位置測(cè)量的精準(zhǔn)度就只能被限制在光波波長(zhǎng)的區(qū)間以內(nèi)（圖1-28、1-29）。

下面，描述一下不確定性原理產(chǎn)生的具體原因。為了便于理解，其中的數(shù)據(jù)為方便說(shuō)明的放大數(shù)據(jù)。

假設(shè)電子的速度是100米／秒，而你在100米外測(cè)量由一臺(tái)電子槍發(fā)射過(guò)來(lái)的一個(gè)電子。這時(shí)，因?yàn)槟阌脕?lái)測(cè)量電子的光波波長(zhǎng)是1米，因此，你測(cè)得的電子的真實(shí)位置就被限制在99~100米之間。從而就產(chǎn)生了一個(gè)基于對(duì)電子真實(shí)位置“99~100米”而帶來(lái)的電子速度的“99~100／秒”的不確定性。因?yàn)閯?dòng)量=質(zhì)量×速度，所以這就帶來(lái)了一個(gè)基于速度不確定性所帶來(lái)的電子動(dòng)量“（99~100）×質(zhì)量”的不確定性。這時(shí)，電子位置的不確定性就限制在1米區(qū)間跨度內(nèi)，即這時(shí)動(dòng)量的不確定性比較小。

那么，如同我們可以用0.01毫米刻度的游標(biāo)卡尺去測(cè)量桌子一樣，我們是否可以用更短波長(zhǎng)的光波去測(cè)量電子，讓電子的位置變得更準(zhǔn)確，進(jìn)而使其動(dòng)量變得更準(zhǔn)確呢？例如，我們用波長(zhǎng)為1毫米的光波去測(cè)量電子，這樣電子的位置就被確定在99.99~100.00米之間了？

圖1-30 更短波長(zhǎng)的光子答案是可以。但是會(huì)帶來(lái)另外一個(gè)問(wèn)題。就是說(shuō)，對(duì)光波來(lái)說(shuō)，波長(zhǎng)越短，它所攜帶的能量就越大（見(jiàn)圖1-30）。因此，假設(shè)你用一個(gè)波長(zhǎng)為1毫米（波長(zhǎng)為放大說(shuō)明）的高能量的光子去測(cè)量電子的位置，你是可以將電子的位置精確到1毫米空間的區(qū)域之內(nèi)的，但是由于電子被高能量的光波撞擊了一下，這就讓電子的真實(shí)位置變得“不確定”了。