海森堡的测不准原理，本质上就是指用光永远测不准粒子，并非指其他方法都，对吗？你有哪些见解？

　　简单回答，并且因为量子理论仍在发展，我只能保证我的回答在人类现有认识水平下是正确的。同时，我的回答采用“哥本哈根学派”，既所谓正统量子力学的观点。

　　（更新了一下，变得很长，超长预警）

　　微观粒子具有波粒二象性，决定了不能用经典物理中的坐标和动量来描述微观粒子的状态，而只能用波函数来描述。既然如此，也就无法预言微观粒子下一时刻的准确位置（尽管薛定谔方程仍然是一个对时间一阶微分方程，数学上可解），而只能精确到概率。典型表现就是所谓“电子云”，并不是电子组成的云，而是抽象的概率云，即某时刻电子可能出现的位置。电子可能出现在云中任何位置，每个位置概率不同，概率最大的位置（即最可几位置）的集合就是波尔理论中的经典轨道。所以这种不确定性不是数学的，而是物理的（当然仍存在争议，当年波尔和爱因斯坦就各执一词）。动量同理。

　　“不确定度关系”实际上讲的是不能同时准确预言微观粒子的位置和动量（这里的同时不是同一时刻，而是既……又……的意思，翻译问题）。也就是说，虽然大部分时间里，微观粒子的准确位置和动量都不确定，但可以由“不确定度关系”给出一个大致范围。以上所述不涉及“测量”，都是测量之前的事。因为测量在微观世界里十分重要，已经是一门单独的学科了。不确定度关系就是你所说的测不准原理，不同翻译，我更愿意用这个，以免误会是“测不准”。其实与测量无关，是微观系统的本质属性。

　　（补充回答的分割线）

　　有人质疑我没有回答问题，或者想当然。那我就直接、认真、详细回答一下。

　　1、量子力学带来的一大革命性世界观，就是“想要既测得研究对象的某个物理量又不对研究对象造成影响是不可能的”。然而在经典力学中我们并不这么认为，举个例子，我们可以用称来测得猪肉的质量但不会对猪肉造成什么影响，我们可以用摄像头测量汽车的速度也不会对汽车造成什么影响。经典力学这么认为没什么问题，因为实验无数次验证了这么认为没什么问题。“测量”意味着相互作用，比如我看了你一眼，那说明有多个光子与你发生了相互作用之后又与我的眼睛发生了相互作用，然而这一相互作用的能量与宏观物体比起来微不足道，我们认为你我都没有受什么影响是OK的。但是到了微观世界就不同了，微观粒子能量极小，一个光子的相互作用（比如碰撞），必然会影响微观粒子的状态！因此，“测量”对微观系统来讲是一个非常严肃的问题。

　　2、至于测量会对微观系统造成什么影响，正统量子力学（也就是以玻尔和海森堡为代表的哥本哈根学派量子力学）认为是“造成了量子态的塌缩”。所谓塌缩，就是物理量的可能取值按照概率瞬间变成了你观测到的值。比较拗口，举个例子，高中都学过原子核外电子分布是电子云，也就是说，在没有观测之前，电子可能出现在电子云内任何一个地方，每个地方概率不同，电子云实际就是电子出现概率的空间函数。但是，我们每次观察电子，它都是一个点（比如使底片感光，一个光点）；也就是说，我们每次观测电子，它都出现在空间的一个确定位置。但是，如果我们反复观测（这里表述不太准确，其实应该取系综，但是解释起来很麻烦，姑且这么写），会发现电子每次出现的位置不同，把很多很多次电子出现的位置叠加起来，会发现这些位置出现的空间概率与观测前的电子云相同。简言之，观测前，不知道电子到底在哪里，但知道大致位置以及概率分布；观测瞬间，量子态（电子云）塌缩，塌缩成一个点，就是你观测到的电子位置；到底塌缩到哪里，与电子云对应的概率分布有关，概率大的地方出现的机会大。

　　3、这一物理图像与直观完全不合！以至于很难理解，但却是正确的，它的正确性得到了无数实验的验证。电子显微镜正是利用了电子的位置不确定性（波动性）制成。

　　4、塌缩理论无法用数学来描述（尽管和实验事实相符），成了哥本哈根学派的一个心病。近十几年来有新的理论兴起来解释“测量时微观系统发生了什么”，比如退相干理论。

　　5、以上解释只说明了量子系统具有不确定性，海森堡的测不准原理（我说过，我更愿意称其为不确定度关系）则从数学上定量给出了“到底多不确定”。

　　6、提问者提出的光子观测，只是观测手段的一种。提问者说得对，与观测手段无关，不确定性是微观系统的本质属性（尚无定论，爱因斯坦就不同意；但在其他可信理论出现前，量子力学是解释微观世界最好的理论，因为与实验相符）。

　　7、以上描述只适用于微观系统，不可无条件推广至宏观！！！

　　8、量子力学不是玄学、更不是伪科学！我们现在所享受的手机、电脑、游戏主机（所以与集成电路有关的东西）、核磁共振仪、隧道扫描显微镜、电子显微镜等等，都是量子力学发展的成果。

　　9、以上观点，都不是什么新鲜的东西，都写进教科书里了（教科书里的东西，都不会太新）。如有兴趣，可参考曾谨言先生的《量子力学》和喀兴林先生的《高等量子力学》，当然其中数学艰涩难懂；科普方面，可以看看曹天元先生的《上帝掷骰子吗》，就是在讲故事，好理解也好看。

　　海森堡测不准原理，并不是方法的问题，也不是测量仪器的问题，是自然现象内禀性的问题。它表达的是一种自然规则，之所以到今天还是有很多人，在争论是不是仪器的问题导致的，是因为大量的科普者为了大家好理解，往往都只停留在文字上解读这个原理，但人类的语言总是会给人带来歧义，而且量子力学又如此的反常识，所以就更容易造成各种误解。

　　而要把海森堡测不准原理或者说“量子不确定性原理”讲明白，其实围绕两个简单点的数学公式来说更合适。

　　Δx：位置的变化值；Δp：动量的变化值；h：普朗克常数；π：圆周率。

　　“量子的动量与位置无法同时确定，即动量越确定，位置就越不确定；位置越确定，动量就越不确定。”这是我们常听到的关于“量子不确定性原理”的大概文字描述，也是对上面数学公式的语言翻译。

　　这个翻译本来没错，但问题是它只能说出“”与“”此消彼长关系，但无法说出导致这结果的内核原因，即≥h/4π ，这就造成人们仅从字面上理解会形成各种猜想。

　　但只要我们看着这个不等式，再来理解这句话就清晰多了。普朗克常数h和圆周率π都是一个定值，而且普朗克常数h很小很小，只有6.62607015×10^（-34） J·s。

　　在宏观世界中的一切运动，Δx与Δp都比较大，所以这个不等式怎么都成立。然而在微观世界中，Δx与Δp就会变得很小，它们相互之间就会产生限制了。比如只要Δx足够小（），Δp就必须变得足够大，即动量不确定，而Δp足够小（动量确定），Δx就必须变得足够大，即位置不确定。

　　这个数学公式不涉及任何观察仪器和方法等等，它代表着物质运动的一种自然规律。

　　ΔE：能量的变化值；Δt：时间的变化值；h：普朗克常数；π：圆周率。

　　有了上面的解释，这个公式的意义，大家可能一眼就明白了。只是这里的变量从“动量”与“位置”变成了“能量”与“时间”。

　　而这个不等式才是“量子不确定性原理”的最大奥义，我们认为不可思议的“量子隧穿效应”“真空涨落”都可以用它推导出来。 当Δt足够小，ΔE可以变得很大，正因为如此，能量小的微粒子，才有可能在瞬间获得能量击穿高势垒的屏蔽，也就是我们所说的“”。

　　而在宏观世界，你要从一座山的这一头到山的另一头，你必须先爬上山，再从山上走下去，这过程你必须消耗足够的能量来克服爬山产生的势能，山越高需要克服的势能就越大，这就是“势垒”。而在量子的世界里，只要量子在Δt内能到达另一头，就可以先借能量，克服势垒后，再把能量换回去。

　　简单来说在宏观世界，你必须拥有一定能量才可能爬过山去另一头；而在微观世界，量子可以在限定的时间内从真空借能量，穿过山一样的势垒后，再还回去。但这是概率性的，势垒越低概率就越高，反之亦然。

　　隧穿效应：经典力学中由于能量不足无法穿过的势垒墙，在量子力学中有一定概率穿过。

　　进一步来说，在真空中极端时间内，可以凭空提取能量生成正负虚粒子对，再相互湮灭返还能量，而且这一过程在真空中反复进行，哪怕是在原子内（电子与原子核之间是很空的）亦然如此，这就是“真空量子涨落”。只是这种真空中反复进行的量子涨落产生的能量很微弱。似乎对于真空来说，只要“”。

　　基于这一思考，于是1980年就有个叫阿兰·古斯的美国物理学家，提出了“真空量子涨落”的升级版“宇宙无中生有”。其实逻辑也很简单，就是当Δt无限小的时候，ΔE就可能无限大，大到形成“”的能量，只是要出现这种情况的概率很小很小很小，需要等上很长很长很长的时间才可能发生一次，然而宇宙诞生前可以说没有时间概念，所以发生这样的宇宙量子大爆炸，也就是注定的事了。

　　测不准原理绝不是什么观测手段，或人类意识的问题造成的。测不准所代表的不确定，其实给宇宙预留了一个无限可能的未来，而生命就诞生在这样的未来之中。

　　但在宏观世界里，可能只有像宇宙这样近乎永恒的存在，才能感知到这一点。而对于每一个转瞬即逝的生命体来说，理解不了也无可厚非。

　　这一原理揭示的最重要思想是，万物都是不确定的，只是每种物质的不确定对应的时间尺度不一样。宏观物体要表现为不确定，需要的时间是极其漫长的，所以你一辈子都体验不到，但微观粒子对应的时间尺度就大大减小了，所以会表现出明显的不确定。

　　所以，上帝确实要掷骰子。只是在微观世界里，这骰子才会变得足够轻，上帝才掷得动；而在宏观世界里，这骰子只会变得巨重无比，连上帝也掷不动了。

　　请问一句，如果不用光子那还能用什么呢？

　　测不准原理或者叫不确定性原理，可以用一个公式表达：

　　即位置和动量的不确定范围相乘，必须要大于等于一个值，这个值和是约化普朗克常量的1/2。根据这个公式任何一个微观粒子，它的位置和动量都不能被同时确定。

　　海森堡把测不准原理归结为，在微观世界观测本身会影响客体的运动规律。因为观测本身也要发射光子（或者发射任何其他微观粒子也一样），要想精确定位粒子的位置，必须用波长较短的光来探测，但这样一来，高能量的光子会对粒子的动量产生很大的影响，此时动量测得就不准了；如果要精确测量粒子的动量，那就只能用波长较低的光子去测量，但光子波长一长一来位置测得就不准。

　　不过这个看法未触及不确定性原理的本质。因为即便是按照经典力学，观测本身也会对客体产生影响。哥本哈根学派对这个理论的诠释，是世界的本质就是几率化的，一个物体的波函数已经包含了它所有的信息，但波函数本身是概率的描述，所以探讨一个物体在某时刻到底处于什么位置和拥有多大动量是没有意义的。

　　爱因斯坦则反对这个理论，他认为之所以有不确定性，是因为微观世界仍然包含一些我们没有发现的隐变量。也就是说目前的波函数模型是不完备的，如果隐变量被确定，就不需要波函数这个几率化的模型，那么粒子的动量和坐标就可以同时确定；用爱因斯坦自己的话说，叫“上帝不掷筛子”（否定随机性）。

　　其实不确定性原理，完全可以用数学原理解释。坐标和动量是一对互为傅里叶变换和逆变换的量，而根据傅里叶带宽定理，任何的这样的一对变量，都必然存在一个关系，那就是两个量的取值范围无法被压缩至0。这个原理在信息论上也同时成立。比如华人数学家陶哲轩等人就提出了一个信息论层面上的不确定性原理：

　　因此，不确定性原理更像是世界的一种内禀属性，它广泛存在于这个世界上，而不仅仅是微观世界的物理定律上。所以不要纠结于用什么手段去测能消除不确定性，就如同不要浪费时间造永动机一样。任何对它的挑战都如同堂吉诃德挑战风车一样徒劳。

　　完全错误。

　　首先\"测不准原理\"这个翻译就错了，theory of uncertainty，准确的翻译应该是\"不确定原理\"。其本质就是说\"不确定性\"是粒子的本质属性，跟你用什么工具（是不是光子）都毫无关系。

　　粒子的状态，未被测量时是波态（比如其位置是个概率分布），测量时体现出粒子态（具体的空间位置），这种呈现出的\"确定值\"是符合概率的随机值，实际是削足就履的结果。

　　

　　打个简单粗暴的比喻：你是双性恋（波态），有人给你一张问卷让你单选喜欢男或女（观测），于是你只好随机给出一个答案（粒子态）。这个结果完全是由观测行为本身造成的，跟问卷是英文中文，字写得多漂亮毫无关系。

　　不对。是怎么都测不准。

　　首先，更正一下，不是“测不准”，而是“不确定”，这里有本质的区别！由于量子世界是不连续的，时间和空间存在最小单位，在这个单位以下的空间位置确认是无法做到的，也是没有意义的，故只要量子力学是成立的，粒子位置不确定的判断就成立！

　　首先，测不准原理，这种定义很容易让人产生错觉，认为是人类的科技达不到才测不准的。实际上更准确的表述不应该是“测不准原理”，而应该是“不确定性原理”，而不确定性是量子世界最基本的特征，是内在秉性，与我们的测量方法没有关系！

　　

　　也就是说，无论人类的测量方法多么高级，多么准确，都不能改变量子世界的不确定性，这个不确定性是固有属性！

　　不确定性，用公式表述就是：ΔxΔp≥h/4π

　　这个公式很简单，Δx：位置变化值，Δp：动量变化值，h：普朗克常数，π：圆周率。普朗克常数h非常非常小，大约只有6.6×10^（-34） J·s，所以h/4π也会非常非常小。

　　而在宏观世界，Δx和Δp都比较大，我们能够很明显地感受到宏观世界物体的位置和动量变化，所以上面的公式无论如何都成立。

　　但在微观世界就不一样了，Δx和Δp都可以非常小。如果我们想要确定微观粒子的位置，就需要Δx非常非常小，这就意味着Δp必须非常大上面的公式才能成立。反之亦然！

　　还有一个公式更能体现出量子世界的这种不确定性：ΔEΔt≥h/4π

　　ΔE：能量的变化值，Δt：时间的变化值。用这个公式理解量子隧穿就会很容易。只要Δt非常小，ΔE就可以非常非常大，这意味着微观粒子就能在瞬间获得足够能量穿越势能壁垒，这就是所谓的“量子隧穿效应”，就好像我们能直接穿墙一样。

　　测不准原理与波函数理论有关，波函数代表的是一种摡率的波动，测不准原理是波函数坍缩时的状态。因此在理解测不准原理时，需要首先理解波函数的理论。

　　波函数是空间和时间的函数，并且是复烝数，即Z）。波恩假定屮就是粒孑的概率密度，即在时刻T，在〈XYz）附近单位体积内发现的粒孑的概率，波函数屮因此称为摡率幅。

　　如果屮l是体系的一个本征态，对应的本征值为Al，屮2也是体系的一个本征态，对应的本征值为A2，那么屮=CI屮Ⅰ+c2屮Z是体系一个可能的存在状态，如果在这个状态下对力学量A进行测量，测到的A值既有可能是Al，也有可能是A2。相应的摡率之比为A的平均值，或者采用狄拉克符号计为。

　　（以上采自学习笔记）

　　2022-5--26

　　海森堡的测不准原理，本质上就是指用光永远测不准粒子，并非指其他方法都测不准，对吗？你有哪些见解？

　　除了光，这位朋友认为还能够用什么方法测量呢？是不是觉得用一把卡尺去量一下？

　　这个世界上，我们所看到和感知到的一切，无论是宏观的还是微观的，都是由于有了光。

　　不知道这位朋友知不知道什么是光？

　　光就是电磁波，电磁波谱中，包含了可见光和不可见光，而且不可见光占有了电磁波谱的绝大绝大部分，波长从公里级甚至数公里级，到最短的皮米级。

　　可见光，就是我们眼睛可以看到的光，占有的波谱只是一小段，在380nm~760nm之间。

　　而且可见光不是单色光，是由很多不同单色光组成的，大致可以分为红橙黄绿青蓝紫，这些光复合在一起，我们看到的就是无色光（白光）。

　　这些不同颜色的单色光波长都不一样，红光最长，紫光最短，成一个从长到短的过程。人眼看到不同波长的可见光，就感受到不同的颜色。

　　电磁波谱除了可见光，还有无线电波、微波、红外形、紫外线、X射线、γ射线等不可见光。这些不可见光都属于电磁波，通过各种仪器设备可以探测到。

　　不可见光的波长以无线电波最长，从0.1毫米到3000米；γ射线最短，只有10^-10~10^-14米，也就是100亿~百万亿分之一米。

　　电磁波还有个特点，波长越长频率越低，能量越弱；反之频率越高，能量越强。

　　X射线和γ射线当然就是最强的不可见光了，这两种射线都会对人体产生伤害。

　　现在我们来谈谈是怎么观测物体的。

　　

　　人类之所以能够看到物体，就是因为有光，而各式各样的物体都会吸收和反射光，根据物体吸收和反射不同的可见光多少，我们就能够看到不一样的物体。

　　如果一个物体对光源不吸收也不反射，我们就什么也看不到，比如暗物质和暗能量。如果一个物体把光全部吸收了，一点也不反射出来，我们看到就是一个纯黑的物体，如黑洞。

　　开始人类只发明了光学显微镜，是利用可见光让人类肉眼来观察物体的。

　　光学显微镜是利用透镜把物体放大，利用可见光来观察。

　　人类开始有了惊天动地的发现，原来微观世界有这么多的小东西，比如细菌、疟原虫等，知道了是这样一些小东西，导致人类生病。

　　可以说光学显微镜的发明，让人类文明前进了一大步。

　　但后来人们发现，光学显微镜的观测极限就是放大1000~2000倍，因为人的肉眼看东西的极限为0.1毫米左右，放大1000倍本来可以看到0.1微米的物体，放大2000倍，就能够看到0.05微米。

　　也就是50~100n吗。但可见光的光波波长为380纳米~760纳米，物体比可见光波长还要小了，因此基本就不反射可见光了。事实上，光学显微镜最小只能够看到0.2~0.5um的物体，也就是200~500nm的东西。

　　细菌在0.5~5um之间，因此光学显微镜观察细菌是最好的工具。而病毒一般在17~100纳米之间，光学显微镜基本就无能为力了。

　　那么再小的东西怎么观测呢？后来人们发明了电子显微镜。

　　1924年法国物理学家德布罗意提出一个假设：运动的微观粒子与光的性质之间存在着深刻的类似性，同样服从于波粒二象性规律。

　　两年后通过电子衍射实验，这个假设被验证正确，从而得出了著名的德布罗意关系式，表示为：描述波的物理量λ=h/mv

　　或描写粒子物理量γ=E/h

　　式中，γ是频率，λ是波长，h为普朗克常数。

　　电子束的波长与加速电压相关，一般小于0.1纳米，分辨率可达0.1~0.2nm，这样就可以通过电子束来“照亮”更小的物体了。

　　因此电子显微镜观察病毒是没有问题的，但要观察原子就还比较困难，因为原子的尺度只有0.1nm，已经是电子显微镜的分辨极限。

　　电子显微镜观察物体的方式是通过磁透镜，将电子束聚焦，轰击在被测物体上，通过入射电子与样本的原子发生碰撞，产生散射，不同部位对电子有不同的散射度，样本电子像就会以浓淡不同在屏幕上显示出来。

　　电子显微镜按结构和用途分为四类，即透射式、扫描式、反射式、发射式等。

　　透射式电子显微镜是通过电子束直接穿越样品形成图像；扫描式电子显微镜电子束不穿透样品，而是集中聚焦到样本一点，然后逐行扫描，通过入射电子激发出样本上的次级电子，接受放大成像。

　　不管哪种电子显微镜，都是利用电子束扫描冲击样本，通过样本对电子束的反射，或者激发出样本本身的次级电子来观测样本的，因此观测必然会对样本产生冲击。

　　这与可见光照射到物体上，不同部位反射不一样成像的原理差不多，不过电子显微镜不是人眼直接观察到的，而是通过仪器把电子信号转换到荧屏上才能够成为可见图像。

　　在普通光学显微镜观察物体时，可见光打在物体上当然也有冲击，但相对细菌等样本，这种冲击是非常弱的，因为细菌类物质已经属于宏观物质了，微弱的可见光根本不会改变其形态。

　　而在更小的粒子层面，这种观测对它们的动量就大了。

　　比如要观测一个电子，不但用可见光无法观测，就是电子束也没法子观测，需要用更小波段的射线，如X射线和γ射线来观测。

　　光波波长越短能量越大。

　　前面说了没有光就不可能观测世界上的任何物质。

　　在微观世界观测粒子，也需要将光照到一个粒子上，一部分光波被粒子散射开来，从而来测定其位置和速度。

　　当然这个光再也不可能是可见光，因为可见光波长太长了。

　　人们不可能将粒子位置确定到比光的两个波峰之间更小的距离，因此测定粒子必须用更短波长的光。

　　电子的直径约10^-15m，如果测量一个电子，就需要比电子波长还要小的光。而波长越小的光，能量就越大。

　　海森堡设想，用一个γ射线显微镜来观察一个电子坐标，这种显微镜的分辨率也受到波长λ的限制，而所用光波长λ越短，显微镜分辨率越高，电子坐标的不确定性程度△q就越小。

　　因此：△q∝λ；

　　另一方面，任何小的光照射到电子，至少要一个光量子，波长越短，伽马射线加在电子上的动量越大，则会改变电子运动速度和方向，因此无法测准其动量。

　　由此得出：△q∝1/λ。

　　这就是量子观测的矛盾处，这个矛盾导致了测不准定律的成立。

　　这个世界除了光，没有任何其他的东西能够测量微观粒子，当然这个光已经不是我们通常认为的可见光了，而是人眼不可见的射线。

　　就是这样，欢迎讨论，感谢阅读。

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　　理解的很对，用光子自然测不准微观粒子，就好比用声波测不准一个分子一样。原因是人类的思想被禁锢在光子这个微观物质层级之上不能前进，就像当年认为原子不能再分一样。物理要想有重大的发展，一定是物质层级的突破。