時間簡史-第四章 不确定性原理

寶玉

科學理論，特別是牛頓引力論的成功，使得法國科學家拉普拉斯侯爵在19世紀初論
斷，宇宙是完全被決定的。他認爲存在一組科學定律，只要我們完全知道宇宙在某一時
刻的狀態，我們便能依此預言宇宙中將會發生的任一事件。例如，假定我們知道某一個
時刻的太陽和行星的位置和速度，則可用牛頓定律計算出在任何其他時刻的太陽系的狀
態。這種情形下的宿命論是顯而易見的，但拉普拉斯進一步假定存在著某些定律，它們
類似地制約其他每一件東西，包括人類的行爲。
    很多人強烈地抵制這種科學宿命論的教義，他們感到這侵犯了上帝幹涉世界的自由。
但直到本世紀初，這種觀念仍被認爲是科學的標准假定。這種信念必須被抛棄的一個最
初的征兆，是由英國科學家瑞利勳爵和詹姆斯·金斯爵士所做的計算，他們指出一個熱
的物體——例如恒星——必須以無限大的速率輻射出能量。按照當時我們所相信的定律，
一個熱體必須在所有的頻段同等地發出電磁波（諸如無線電波、可見光或X射線）。例如，
一個熱體在1萬億赫茲到2萬億赫茲頻率之間發出和在2萬億赫茲到3萬億赫茲頻率之間同
樣能量的波。而既然波的頻譜是無限的，這意味著輻射出的總能量必須是無限的。
    爲了避免這顯然荒謬的結果，德國科學家馬克斯·普郎克在1900年提出，光波、X射
線和其他波不能以任意的速率輻射，而必須以某種稱爲量子的形式發射。並且，每個量
子具有確定的能量，波的頻率越高，其能量越大。這樣，在足夠高的頻率下，輻射單獨
量子所需要的能量比所能得到的還要多。因此，在高頻下輻射被減少了，物體喪失能量
的速率變成有限的了。
    量子假設可以非常好地解釋所觀測到的熱體的發射率，但直到1926年另一個德國科
學家威納·海森堡提出著名的不確定性原理之後，它對宿命論的含義才被意識到。爲了
預言一個粒子未來的位置和速度，人們必須能准確地測量它現在的位置和速度。顯而易
見的辦法是將光照到這粒子上，一部分光波被此粒子散射開來，由此指明它的位置。然
而，人們不可能將粒子的位置確定到比光的兩個波峰之間距離更小的程度，所以必須用
短波長的光來測量粒子的位置。現在，由普郎克的量子假設，人們不能用任意少的光的
數量，至少要用一個光量子。這量子會擾動這粒子，並以一種不能預見的方式改變粒子
的速度。而且，位置測量得越准確