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第 4 节 不确定性宇宙为何能从虚无中诞生（第3页）

试想一个装满了光子的盒子，在盒子的一边有一个装有快门的小孔，盒子内部的时钟可以通过控制器将小孔处的快门开启短暂时间间隔，就发射出一颗光子，然后再将快门关闭。

然后测量发射前后盒子的质量差，再用上自己神奇的质能方程式??不就可以算出失去的能量多少。

这样从理论上，盒子在准确时刻的准确能量不就可以确定了么？

那么我们不就同时测准了时间和能量，不确定原理就不成立了吧。

量子方当时的防守大将是玻尔，所以玻尔就直面了爱因斯坦这个刚打造出来的致命武器的威胁。

这个思想实验当时刚提出来也给玻尔造成了强烈的困惑。玻尔一时间也被爱因斯坦这个诡异的设计给震住了，一时间也没看出什么破绽，紧张之下玻尔甚至有点语无伦次，他不断地喃喃自语又跟旁边的人反复解释，这里面肯定是有漏洞的，量子的测不准是拥有数学基础的，如果真的一旦被推翻，那么整个量子理论都要倒塌，甚至整个宇宙都要出问题。

但是一直等到散会，玻尔也还没有想出反击的招式，于是只好跟在得意洋洋的爱因斯坦后面一溜小跑，神色既慌张又无措。而爱因斯坦则充满了惬意，心里有一种世界回归正常后的愉悦，大摇大摆地回家去了。

可惜，爱因斯坦的快乐没有持续多久，玻尔只是一时间没想到明白而已。

等玻尔回家以后，他再细细思考起爱因斯坦的光箱实验，经过了整晚的琢磨后，终于给玻尔找到了光箱实验中的破绽所在。

于是，第二天，胜券在握的玻尔正式发表了他的反驳。

玻尔指出，爱因斯坦这个实验为了保证正确运作，必须用某种弹簧称将盒子和内部时钟都悬吊起来来感知质量变化。但是当光子飞出的时候会形成整个系统质量不确定的变化，并导致重力场变化，从而进一步导致重力场中时钟测量产生不确定性（所谓的引力红移效应），然后根据爱因斯坦自己广义相对论里的质能方程换算这个红移效应，居然就得出了符合量子定理的时间-能量不确定公式。

爱因斯坦的光盒思想实验

玻尔这招反击的姿势实在是太秀了，竟然是用爱因斯坦自己的矛彻底击破了他自己的盾，爱因斯坦对此无话可说，甚至无法反击。爱因斯坦心里刚刚恢复的世界又崩塌了，他为此郁闷不已，根本不想跟玻尔再在这个实验上纠缠，于是干脆回去打磨下一件武器去了（结果下一轮爱因斯坦在EPR佯谬上又输掉了）。

玻尔这次完美的反击也奠定了他所代表的哥本哈根学派作为量子理论正统学派的权威，从此哥本哈根学派就成为了量子物理学中最主流的中坚学派，而哥派创造的不确定性理论也就成为了量子理论里面最基础的核心概念之一，同时不确定理论某种程度也成为了我们理解微观世界的一个重要特性。

但是其实，人们对测不准的理解认知其实还是经历了一些改变的。

之前哥派们沿用的是海森堡的说法，所谓测不准其实是我们测量的时候，用光子或者其他什么物质去碰撞干扰了测量目标造成的。海森堡还专门为这个现象构思了一个海森堡伽马光显微镜的思想实验来说明观测光线是如何干扰对象量子状态的。所以，从海森堡的理解来看，其实并不是量子不存在同时准确的共轭量，而是我们无法用任何有效的观测手段同时精确获取它们。所谓测不准，在海森堡看来本质还是技术问题。

但后来人们逐渐发现，这种说法也是不准确的，人们现在认为测不准并不是技术问题导致的，而完全是任何量子的内禀属性，就是说它天生就是无法同时被精确测量两个不对易物理量的，这和你用什么手段去测量无关。甚至就算我们去想象出一个完全不影响目标状态的绝对理想的测量技术出来，我们也还是无法同时精确测量一个量子的位置和速度（动量），所以量子的测不准并不是我们技术水平不够，而是原理不允许，就像上帝也无法创造它举不起的石头一样，这在逻辑上就无法办到。

这到底要怎样理解呢？量子为什么会有这样难以理解的属性呢？

还是用我们的码农思维来理解看看吧。

其实，当我们只把量子态的粒子看作虚拟世界的一段在屏幕上显示光点的代码的话，你会发现运行这段代码它就会随机按一定的概率分布不断的在屏幕上显示出连续闪烁的光点来。

位置和速度无法同时测准

那么如果我们期望观测到光点比较准确的位置的话，我们运行这段代码的时间就要非常短，这样它才会只闪烁少量几个位置，我们记录和统计的就会比较精确。

如果我们运行的时间太长，那么光点闪烁的位置就会越来越多，最后屏幕上光点留下的痕迹就变的像一团云雾一样不断发散开来，而我们对其位置确定性的了解自然就越来越不精确了。

但是，如果我们运行代码的时间太短的话，光点的另一个速度属性我们就很难判断了。

因为我们了解光点的速度其实是通过观察光点在运动时候在屏幕上残像拖影的长短来判断的。代码运行的时间越短，光点的残影就越不明显，而且过短的不同残影之间的差值的比例也会很大，所以我们观测的光点得到的速度统计就越不精确，只有延长代码的运行时间，我们才能对其速度掌握的越来越精确。

所以最后我们发现同时提高对光点的位置和速度的观测精度是不可能的，我们把其中一者观测得越精确，另一者就观测得越不确定，这不是我们的观测技术达不到，而是这段代码它本身的运行特性所决定的，我们无法让它的一种运行方式能同时满足两种相矛盾的观测要求。

这两种相矛盾的输出要求在物理学上就叫不对易性。

一对不对易的共轭量，在数学上其实是可以用傅里叶变换来互相转换的，有一些数学知识的读者如果研究一下就会发现，所谓位置速度不能同时精确观测，就是当一个波函数在时域上分布比较精确的时候，在频域上的分布就发散了，反之亦然，这就是波函数的数学特性，也就是我们认为的粒子一体两面的内禀属性。

量子这种数学特性是与生俱来的，和观测手段其实毫无关系。

还有其他类似的共轭量，比如能量和时间也是如此。

比如量子的能量数值也是在一个小幅度范围内波动分布的，所以我们测量量子的能量时候，能量的输出值也有一个随机分布的范围。

如果我们想获取量子程序输出的能量数值，让程序运行时间短一些的话，虽然在时间上可以很精确，但对不断跳跃的能量值的统计就不精确了。那我们如果统计足够长的时间，的确可以比较精确地测量出量子能量的均值来，但是这样在时间上肯定就不精确了。这又是一对不可调和的测量矛盾，所以量子的能量和时间也是受到测不准原则约束的。

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