不確定性原理限制了我們對一個量子系統(tǒng)的了解，但結(jié)果的不確定性并不完全是測量行為導(dǎo)致的。（供圖：C·達(dá)金/科技圖片圖書館）

和學(xué)生們所學(xué)的相反，旁觀者并不總能感覺到量子不確定性。一項(xiàng)新實(shí)驗(yàn)證實(shí)，對一個量子系統(tǒng)的測量不一定會導(dǎo)致不確定性。研究推翻了大量關(guān)于量子世界為何如此不可知的解釋，但可探測的最小尺度的基本極限仍然不變。

海森堡測不準(zhǔn)原理是量子力學(xué)的一塊基石。簡單地說，這個原理導(dǎo)致我們對量子世界的探索有一個基本的極限。例如，你越是確定某個粒子的位置，就越不能確定它的動量，反之亦然。這個極限被表述為一個方程，在數(shù)學(xué)上很容易證明。

海森堡有時把測不準(zhǔn)原理稱為進(jìn)行測量的一個難題。他最著名的思想實(shí)驗(yàn)是對一個電子拍照。為了拍攝照片，科學(xué)家可能要向電子的表面發(fā)射一顆光子。這會暴露電子的位置，但光子也會把能量傳遞給電子，使它發(fā)生位移。探測電子的位置會不確定地改變它的速率，而測量行為引發(fā)的不確定性足以讓這個原理成立。

物理系學(xué)生在入門課上仍然在通過學(xué)習(xí)測量干擾來理解測不準(zhǔn)原理，但人們發(fā)現(xiàn)這不一定是對的。加拿大多倫多大學(xué)的艾弗瑞·斯坦恩博格（AephraimSteinberg）和他的團(tuán)隊對光子進(jìn)行了測量，發(fā)現(xiàn)測量行為引發(fā)的不確定性可能小于海森堡測不準(zhǔn)原理的要求。不過，我們對光子性質(zhì)的整體了解中包含的不確定性仍然高于海森堡原理的下限。

巧妙的測量

斯坦恩博格的團(tuán)隊并沒有測量光子的位置和動量，而是兩個不相干的性質(zhì)：光子的偏振狀態(tài)。在這種情況下，在一個面上的偏振本質(zhì)上是和另一個面上的偏振狀態(tài)相互聯(lián)系的，根據(jù)海森堡測不準(zhǔn)原理，我們對這兩種狀態(tài)的確定了解有一個極限。

研究者“稍微”測量了光子在一個面上的偏振狀態(tài)，這種測量既不會干擾光子，又足以大致了解它的偏振方向。然后，他們測量了光子在另一個平面上的偏振狀態(tài)。最后，他們精確測量了光子在第一次測量的平面上的偏振狀態(tài)，看看它是否受到了第二次測量的干擾。

多次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之后，研究者發(fā)現(xiàn)測量一個偏振狀態(tài)對另一個狀態(tài)造成的干擾不一定像測不準(zhǔn)原理預(yù)言那么多。在最有利的情況下，干擾是測不準(zhǔn)原理所預(yù)言的一半。

斯坦恩博格說：別太激動——測不準(zhǔn)原理還是對的。“最后，你還是無法同時準(zhǔn)確得知兩種量子態(tài)。”但實(shí)驗(yàn)顯示，測量行為不一定是導(dǎo)致結(jié)果不確定的原因。他說：“如果系統(tǒng)中本身就包含了很多不確定性，那測量結(jié)果的不確定性不一定全部是測量行為導(dǎo)致的。”

最新實(shí)驗(yàn)第二次進(jìn)行了小于不確定極限的測量。今年早些時候，奧地利的維也納科技大學(xué)的一位物理學(xué)家長谷川宇治（YujiHasegawa）測量了中子的自旋，結(jié)果的不確定性小于假設(shè)系統(tǒng)中所有的不確定性都由測量導(dǎo)致的預(yù)測結(jié)果。

但最新的研究成果最清晰地解釋了海森堡原理解釋的錯誤。澳大利亞布里斯班的格里菲斯大學(xué)的一位理論物理學(xué)家霍華德·維斯曼（HowardWiseman）說：“這是海森堡測量干擾不確定原理的最直接的實(shí)驗(yàn)證明。這很可能對教科書的作者們有用，讓他們知道簡單地把測量和干擾聯(lián)系起來是錯誤的。”

不過，要動搖古老的“測量導(dǎo)致不確定”的解釋也許很難。甚至在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之后，斯坦恩博格仍然在最近留給學(xué)生的一份作業(yè)中提出了一個測量如何導(dǎo)致不確定的問題。他說：“直到批改作業(yè)的時候，我才意識到我的題目是錯的。現(xiàn)在我要小心點(diǎn)了。”