未来无法计算——只有无限可能

爱因斯坦：“上帝不掷骰子！”波尔：“不要指挥上帝怎么做！”

   观察一个量子系统，第一次的观察结果，不能确定与第二次的观察结果是否相同。想要根据第一次观察的结果，来预测第二次观察结果，是不可能的事情。不确定性是量子系统的内在禀性，与观察技术无关。

   量子系统的不确定性，不能等同于抛硬币的随机性。在抛硬币之前，我们就已经确切地知道结果——要么就是正面，要么就是反面。一个电子的自旋，在观察之前，处于叠加态，我们无法确定它是上旋还是下旋，只有观察之后才能确定。抛硬币通常都是用手，手抛硬币的每一次动作都会有差异，从而导致抛硬币的随机性产生。在现有的技术条件下，我们完全可以制造出一台硬币抛投机器，保证你想投出正面就是正面，想投出反面就是反面。量子系统则不一样，无论你怎么改进观察技术，不确定性依然存在。

   譬如观察电子的自旋，你用到的光子，无论该光子的动量是大是小，对电子产生的扰动是大是小，都不能决定电子的自旋方向。不能说观察的扰动越小，它的自旋方向就越确定。也不存在用一个具有特定动量值的光子去观察，电子的自旋就表现为上旋，用另外一个具有特定动量值的光子去观察，电子就表现为下旋。实验告诉你，没有这回事。换句话说，微观粒子是有脾气的，它的状态它做主。

   很多朋友之所以会对量子系统的不确定性产生误解，是因为教科书在举例说明不确定性原理的时候，通常用的例子，都是观察微观粒子的位置和动量。

   1927年，海森堡提出不确定性原理的时候，就是这样说的——你不可能同时确切地知道一个粒子的位置和它的速度，粒子位置的不确定性，必然大于或等于普朗克常数除于4π，即ΔxΔp≥h/4π 。例如，用一个光子去观察一个电子，如果这个光子的动量越大，得到电子的动量信息就越精准，而电子的位置信息就越不精准；反之，如果这个光子的动量越小，得到电子的位置信息就越精准，而电子的动量信息就越不精准。

   于是就有人假设，能不能用一个动量恰好合适的光子去观察电子呢？

   2003年，日本名古屋大学教授小泽正直提出“小泽不等式”，认为“测不准原理”可能存在缺陷。小泽正直的科研团队对中子“自转”倾向相关的两个值进行了精密测量，并成功测出超过所谓“极限”的两个值的精度，使得小泽不等式获得成立，证明了“测不准原理”确实存在缺陷。该成果于2012年1月15日在英国科学杂志《自然物理学》上发表。

   多伦多大学量子光学研究小组的李·罗泽马（Lee Rozema）设计了一种弱测量技术，让所测对象受到的干扰微乎其微，每个光子进入仪器前，研究人员对其进行弱测量，然后再用仪器测量，之后对比两个结果。他们发现造成的干扰不像海森堡原理中推断的那么大。该成果于2012年9月7日在《物理评论通讯》周刊上发表。

   小泽正直和罗泽马都试图通过改进测量技术，来解决量子系统的不确定性问题。可是不管测量技术如何改进，他们都无法对量子系统的单次结果做出确切的预测。小泽正直的测量无论如何精确，都不能确切地预测中子在某一时刻的自旋方向。罗泽马的弱测量技术，对中子测量产生的干扰，无论多么弱小，即便弱小到可以忽略不计，都无法预测中子在某一时刻的确切自旋方向。

   用观察一个微观粒子的位置和动量来说明量子系统的不确定性，容易产生争论，导致误解。有很长一段时期，“不确定性原理”被误称为“测不准原理”，人们误认为不确定性是因为测量不准的因素导致。现在的中国教科书，已经做了订正。最好还是用观察自旋的例子来说明量子系统的不确定性原理，争论小，不易产生误解。

   不确定性表现为随机性，但不确定性不等于随机性。不确定性是量子系统的内在禀性，与观察技术无关。宏观事物的随机性，与运作技术和观察技术密切相关，随着运作技术和观察技术的改进，随机性会越来越小。就像抛硬币，一个非常精密的硬币抛投机器，可以让硬币落地的正反面随机结果为零，你想要正面就是正面，分毫不差。爱因斯坦用“掷骰子”来比喻量子系统的不确定性，也并不十分恰切，终有一天人类会制造出一台掷骰子的机器，你想要什么点子数，就来什么点子数。

   世界的未来是不确定的，人生的未来也是不确定的。弱者在不确定面前感到畏惧，强者在挑战不确定的过程中得到无限的乐趣。

原创作者：量子君
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