【博科园-科学科普】（前方高能烧脑~文科生慎入）如果你想知道物体在哪里，你只需测量它的精度。可以给你卡尺，显微镜，甚至是更短波波长的单个微粒。然而你越准确地测量一个物体的位置，你对它的动量知识就越不准确。这不仅仅是我们仪表的失败，这种不确定性是宇宙的根本。物理上被称为海森堡测不准原理。
宇宙的量子性质告诉我们，某些物理量存在固有的不确定性，而这些物理量之间存在着相互关联的不确定性。图片：NASA/CXC/M.Weiss
那么量子不确定性从何而来？
解释从量子力学交换关系中得到什么信息，这不仅仅是我们不能同时测量两个属性。然而这是真的：你不能同时测量两个属性。
电子通过双狭缝的波模式，如果你测量“哪个狭缝”电子经过，你就会破坏这里展示的量子干涉图。注意需要不止一个电子来揭示干涉图样。图片：Dr. Tonomura and Belsazar of Wikimedia Commons
当你在学习数学的时候你可能听说过一些性质例如：关联，分配和交换。交换性是例如“3 + 4 = 4 + 3”相同的加法性，或者“3×4 = 4×3”。在经典物理学中，所有变量：你测量位置，动量，动量，位置都不重要，你得到的答案是一样的。但在量子物理中，存在固有的不确定性，测量位置，然后动量从根本上不同于测量动量和位置。
QCD的可视化说明了粒子/反粒子对在量子真空中是如何在很小的时间内跳出来的，这是海森堡不确定性的结果，如果你有一个大的不确定性在能源(ΔE)，粒子的寿命(Δt)(s)创建一定很短。图片：Derek B. Leinweber
如果你想知道一个粒子的位置(比如说x)的方向和它在同一个方向上的动量，你得到的取决于你的操作的不同，量子力学对易关系说的是如果你的“位置和动量”与“动量和位置，”两个答案将由完全不同的数量，是根号(1)，和普朗克常数。它以这种方式来表示位置和动量因为它们是彼此的傅里叶变换。
某些系统中有编码的信息，它们看起来非常不同，取决于你是否在测量一个方面(例如频率)或其傅里叶变换(例如。时间)但在两个表示中都编码了相同的信息。图片：Robert Triggs / Android Authority
当你考虑到这个数量关系时，你会发现存在一个物理不确定性，但这并不是测量两个变量的不确定性，而是在每个变量中。特别是你总是有一个位置的不确定性(Δx)，而你总是有动量的不确定性(Δp)，无论你如何准确衡量任何一个。此外这些不确定性的产品(ΔxΔp)必须大于或等于/ 2。我们不可能知道任何一个量，它服从于任意精度的量子关系。
在量子级的位置和动量之间的内在不确定性之间的图解。图片：E. Siegel / Wikimedia Commons user Maschen
它也不局限于位置和动量，在量子物理学中有大量的物理量，通常是由于深奥的原因，它们之间存在着同样的不确定性关系，这发生在每一对共轭变量上，就像位置和动量一样，它们包括:
1、能量(ΔE)和时间(Δt)
2、电势或电压(Δφ)和自由电荷(Δq)
3、角动量(ΔL)和取向或角位置(Δθ)
通过一个特定类型的磁铁，通过两个可能的自旋结构的粒子将会导致粒子分裂成+和-自旋状态。图片：Theresa Knott / Tatoute of Wikimedia Commons
想象你有一个粒子，你知道粒子本身固有的，它的内在角动量(或旋转)/ 2，这正是一个电子。你决定用一个特定的方向来测量它的旋转，也许是通过一个特殊的磁场。粒子要么向上转移(如果他们的自旋+/ 2)或向下(如果是-/ 2)，没有其他的可能性。因此已经很好地确定了这些方向。
没错，如果你把所有的旋转+/ 2粒子和它们穿过另一个相同的磁铁，他们向上转移。但是如果你旋转磁铁，一个垂直的方向,这个方向的信息被毁于第一次测量,这样他们就可以分左右(+/ 2)或(-/ 2)50/50的概率。更糟糕的是什么？如果你随后的结果进一步拆分的，他们通过另一个磁铁与原来的方向，他们会再次分裂+/ 2 -/ 2,向上和向下的方向。
多个连续的斯特恩－盖拉赫实验将导致与最近测量的垂直方向的进一步分裂，但在同一方向上没有额外的分裂。图片：Francesco Versaci of Wikimedia Commons
换句话说当你将一个变量的不确定性最小化时，你最大化了它的共轭变量的不确定性。不确定性的存在，不确定性的量，以及不确定性之间发生的变量，是量子力学交换关系告诉你的。这并不是没有它的用处！你可以推导出原子的大小和稳定性——为什么电子从来没有在原子的原子核上，从这种关系中得到。你可以从这个得到波粒二象性和量子限制。而且值得注意的是从磁力和角动量的例子中，你可以发展出核磁共振成像(MRI)。
一个现代的高级临床MRI扫描仪。核磁共振成像机是当今最大的氦医学或科学使用，并利用亚原子粒子的量子跃迁。图片：Wikimedia Commons user KasugaHuang
这是真的：当一个适当配置的磁铁会导致一个粒子的分裂依赖于它的角动量，一个以正确的方式随时间而改变的磁场将迫使一个粒子进入一个旋转的结构。这些时变的场使量子系统在这两个状态之间振荡，这就是磁共振成像的“共振”。同样的原理也在原子钟、氢微波激射器（微波频率激光器）和原子跃迁的超精细分裂中发挥作用。对于一个简单的关系来说“AB不等于BA”对于正确的量子设置来说是不错的。事实上有比“我们不能同时测量两个属性”更多的东西，有一个完整的现代量子宇宙发现了这个结果！
作者：Ethan Siegel
来自：forbes
编译：卿君侧
审校：博科园
