出品：科普中国

作者：栾春阳 王雨桐（清华大学物理系博士）

监制：中国科普博览

20世纪上半叶，物理学正处于一场前所未有的转折点。相对论揭示了空间与时间的新面貌，而量子力学则彻底改变了人类对微观世界的认知。在这场科学革命中，沃纳·海森堡（Werner Heisenberg）是不可忽视的中心人物。他年仅二十几岁就提出了矩阵力学，而在1927年，他又为量子理论写下最具震撼力的一页——不确定性原理。

这一定律指出，在微观层面，位置与动量无法同时被无限精确地确定。这不仅是数学上的约束，更是自然界的根本规律。它挑战了人类几百年来对“精确性”的信仰，迫使科学家们重新思考“我们究竟能知道什么”。

图1 沃纳·海森堡与尼尔斯·波尔的合照

（图片来源：Wikipedia）

01 量子世界的迷雾——海森堡如何揭开不确定性的面纱

20世纪初，物理学的世界正面临着一场前所未有的革命。经典物理虽然成功地解释了宏观世界的规律，但在微观层面，许多现象始终无法用经典理论加以解释。随着量子理论的崛起，物理学家们进入了一个前所未有的、充满挑战的时代。尤其是在描述原子结构和粒子运动时，经典力学的轨道概念显得格外无力。

海森堡作为这一革命中的年轻力量，早期便深入研究量子理论。然而，尽管矩阵力学为量子力学提供了全新的数学框架，海森堡依然没有找到一种能将这些抽象数学公式与物理现实联系起来的方式。量子力学看似完美，但却缺乏直观的物理图像——粒子似乎变得“无形”，不再像经典物理中的小球，可以精确地定位它们的位置和动量。

而最根本的问题在于——如何“观察”粒子？量子力学的新理念逐渐打破了经典物理的框架，而量子世界的规律却没有给出明确的直觉解释。海森堡在反复思考之后，意识到：在量子世界中，粒子的行为与观测过程密切相关。换句话说，粒子的状态本身也受到观测过程的影响，无法像经典物理中那样单纯地存在。对粒子的测量过程，不仅仅是对其位置的记录，它本身就能改变粒子的行为。

就在这种思索中，海森堡得出了一项突破性结论——位置与动量无法同时被精确地测量。在量子世界中，粒子总是带有某种不确定性，无法同时获得精确的位置信息和动量。这一发现超出了经典物理学的范畴，彻底颠覆了我们对世界的理解。

这一思考过程并非一蹴而就。在一次与同事们的聚会中，海森堡突发灵感，提出了著名的“光子显微镜”的比喻——为了准确测量一个粒子的位置，必须使用高能光子，这样光子的碰撞将不可避免地扰动粒子的动量。海森堡通过这一比喻形象地解释了观测行为与粒子状态之间的关系，终于在1927年提出了著名的不确定性原理。

图2 海森堡1927年提出不确定性原理的原始论文

（图片来源：参考文献[1]）

他在论文中指出，粒子的位置误差Δx与动量误差Δp的乘积存在一个下限，相应的数学表示形式为：Δx·Δp≥ħ/2。这一原理揭示了量子世界的根本特性：在微观尺度上，粒子的行为本身带有无法避免的模糊性。这一发现，不仅是对物理学原理的挑战，也是对自然界精确性观念的深刻反思。

02 迷失与发现——不确定性原理如何挑战经典物理

海森堡的“不确定性原理”不仅仅是数学上的突破，它在哲学上也带来了巨大的冲击。经典物理的核心思想是确定性——只要知道一个物体的位置和动量，就能预测它的未来行为。牛顿力学、麦克斯韦电磁学等经典理论无不建立在这种确定性假设之上，而它们的成功也让人们认为自然界的所有现象都可以通过精确的计算来预测。

然而，量子力学的诞生给了这一切一个沉重的打击。海森堡的不确定性原理告诉我们，在微观世界，粒子的位置和动量不能同时被无限精确地测量。这意味着，在量子层面，粒子的行为是无法像经典物理中的物体一样被精确预测的。

这种观点对物理学界的震撼程度难以言表。几百年来，科学家们习惯于在经典物理的框架中思考问题，而海森堡的发现迫使他们重新审视自然界的基本规律。许多物理学家对此感到震惊，因为这意味着我们对于世界的知识，不再是“绝对精确”的，而只能是在一定范围内的概率描述。

为了让这一概念更易理解，海森堡用生动的比喻帮助我们理解这一物理现实：如果你在黑暗的房间里尝试追踪一只飞舞的蝴蝶，手电筒的光越强，蝴蝶就越容易改变飞行轨迹。这一比喻生动地揭示了量子世界的不确定性：我们所“观察”的行为会影响被观察的对象。这种观点不仅推翻了经典物理的核心假设，也让人们对“绝对精确”的认识产生了深刻的怀疑。

海森堡并非要否定物理学的精确性，而是重新定义了精确的含义。量子力学告诉我们，在微观世界，精确不再是传统意义上的“完美预测”，而是一种概率描述。这种新的思维方式让科学家们逐渐认识到，在量子世界里，粒子的状态无法通过经典物理的方式被精确掌控，只有通过数学公式和概率论，我们才能更好地理解它们的行为。

03 量子辩论——海森堡与爱因斯坦的“测不准”对决

海森堡的不确定性原理一经提出，立即在物理学界引起了广泛的讨论。最著名的反对者是爱因斯坦。虽然爱因斯坦承认量子力学在实验中的巨大成功，但他始终无法接受“测不准”的观点。他坚信，物理学必须是决定性的，不能容忍一种充满“测不准”的世界。

1927年，在布鲁塞尔举行的第五届索尔维会议上，爱因斯坦与海森堡展开了激烈的辩论。爱因斯坦反复提出反例，挑战量子力学的核心思想。他设计了多个思想实验，试图证明不确定性原理是错误的。

图3 1927年第五届索尔维会议论文集，记录了当时的思想碰撞

（图片来源：参考文献[2]）

其中最具代表性的反例之一，就是著名的“光箱实验”。爱因斯坦设想一个精巧的盒子，盒子里装有光子，并配备一个极其精密的天平。当光子从盒子中逃逸时，天平的重量会发生细微变化，从而可以推算出光子的能量；同时，通过在特定时刻打开盒子的小窗，人们又能记录光子离开的时间。这样一来，爱因斯坦认为，光子的能量和释放时间就可以同时被测量，从而突破不确定性原理设下的限制。

图4 爱因斯坦提出的“光箱实验”示意图

（图片来源：Wikipedia）

这一实验的提出一度让在场的许多人感到震撼——如果爱因斯坦是对的，那么量子力学的根基将动摇。可是，海森堡与玻尔并没有退缩。玻尔在彻夜思考后，第二天以爱因斯坦自己的广义相对论进行反驳：盒子的重力势能在不同状态下会影响时间的测量精度，从而恰好恢复了不确定性原理的约束。换句话说，即便在光箱实验中，物理规律也不会允许人类同时精确获得这两类信息。

尽管爱因斯坦始终未能完全接受这一原理，但这场思想碰撞无疑深刻推动了量子力学的发展。海森堡在辩论中展现出极大的决心，他知道不确定性原理不仅仅是量子力学的一个数学公式，它实际上触及了物理学的根本问题：我们对世界的认识，究竟能知道多少？

这场科学辩论虽然没有简单的胜负，但它激发了对量子力学更深入的探讨，让量子理论在物理学中的地位得到了进一步巩固。即使爱因斯坦没有完全接受不确定性原理，他的挑战和质疑，也使得量子理论的哲学含义更加丰富。

结语

海森堡的不确定性原理不仅是一条物理学定律，更是一场思想上的革命。它迫使人类承认：在微观世界里，观测与存在密不可分，测量不再是被动的记录，而是会主动改变现实。由此，人类不得不放弃对“绝对确定性”的执念，转而接受一个充满概率与不确定的量子图景。

从哥本哈根研究所的灯火通明，到布鲁塞尔会议上的唇枪舌剑，海森堡用年轻的勇气和惊人的洞察力，捍卫了量子力学的核心思想。他不仅是“矩阵王国”的建造者，更是“不确定性”的揭示者，为20世纪的科学注入了新的灵魂。

1950年代以后，随着量子力学在原子物理、固体物理乃至量子信息科学中的广泛应用，人们愈发认识到海森堡理论的深远影响。然而，这位传奇物理学家并未活到看到量子信息革命的时代。1976年，海森堡在慕尼黑走完了他的一生，安葬于慕尼黑的海森堡家族坟墓。

图5 1976年，海森堡安葬于慕尼黑的海森堡家族坟墓

（图片来源：Wikipedia）

今天，每当我们提到量子力学，“不确定性原理”依然是其中最响亮的名字。它不仅改变了科学的进程，也提醒我们：知识的边界并非终点，而是新的探索起点。正如海森堡自己所说：“我们必须面对自然给予的答案，而不是我们想象中的答案。”这句话，至今仍在激励着科学家们继续追问未知。

参考文献：

[1]Heisenberg W. Über den anschaulichen Inhalt der quantentheoretischen Kinematik und Mechanik[J]. Zeitschrift für Physik, 1927, 43(3): 172-198.

[2]Bacciagaluppi G, Valentini A. Quantum theory at the crossroads: reconsidering the 1927 Solvay conference[M]. Cambridge University Press, 2009.

[3]Bohr N. The quantum postulate and the recent development of atomic theory[M]. Printed in Great Britain by R. & R. Clarke, Limited, 1928.

[4]Einstein A, Podolsky B, Rosen N. Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete?[J]. Physical review, 1935, 47(10): 777.

[5]Nobel Foundation. The Nobel Prize in Physics 1932 – Werner Heisenberg[EB/OL]. NobelPrize.org.

来源: 中国科普博览

内容资源由项目单位提供