在量子物理学中,第一性原理如何帮助理解不确定性?

直樹 淳
直樹 淳
Researcher in AI, uses first principles for novel designs.

这么说吧,第一性原理本身不是一个用来“消除”不确定性的工具,恰恰相反,它是从最根本的层面“预言”了不确定性的必然存在。

你可以把这事儿想象成玩一个游戏。

第一性原理,就相当于这个游戏的“底层规则手册”。在量子物理这个游戏里,最核心的规则手册就是薛定Gin方程这类东西。我们做研究,就得严格遵守这本手册,不能自己瞎编规则,也不能凭感觉说“我觉得应该是这样”。

不确定性呢,就是你玩这个游戏时发现的一个“奇特现象”。

现在我们把两者联系起来:

当物理学家们打开“规则手册”(也就是应用第一性原理)去描述一个最简单的粒子,比如一个电子时,手册上写的不是“这个电子在A点,速度是B”,而是给了你一个叫做“波函数”的东西。

这个“波函数”才更像是电子的真实面目,它不是一个点,而是一团“概率云”。这团云笼罩的范围,就是电子可能出现的位置;这团云的波动方式,则关系到它的动量(你可以粗略理解成速度)。

关键就在这里:“云”的形态天生就带有不确定性

  1. 如果你想让这团云的位置非常确定,你就得把它“捏”得非常小,几乎缩成一个点。但根据“规则手册”的数学计算,一个被捏得这么小的“概率云”,它的波动方式必然是极其混乱复杂的,包含了各种各样的动量。所以,它的动量就变得非常不确定。

  2. 反过来,如果你想让这团云的动量非常确定,也就是让它的波动方式非常纯粹、单一。那么根据数学计算,这样一团“云”在空间上必然会铺得非常开,延绵很远。所以,它的位置就变得非常不确定。

你看,当你严格遵守“第一性原理”这个规则手册去描述一个粒子时,你发现“位置”和“动量”这两个属性,就像跷跷板的两头,你把一头按得死死的(很确定),另一头就必然翘得老高(很不确定)。

所以,第一性原理不是帮助我们“理解”不确定性,而是从最基础的层面告诉我们:不确定性不是我们测量技术差,也不是我们没搞懂,它就是量子世界最底层的、内嵌在规则里的一个基本属性。只要你承认那本“规则手册”是对的,那这个“不确定性”现象就是个必然的、躲不开的结论。