艾萨克·牛顿认为光是由微粒组成的；而荷兰人惠更斯却受运河水面上扩展的波纹的启发,提出了光的波动说。

后来,费尔内尔、杨、傅科等物理学家通过实验证实了波动说．但是,如果只把光看成是波的话,就无法解释光电效应(光照射到金属表面时,从金属中逸出自由电子的现象)．必须把光看成是具有一定能量的弹丸(微粒),才能使计算结果与事实相吻合。

本世纪初,原子构造的秘密被揭开了,科学家们发现: 只有将围绕原子核的电子的能量设想为不连续的、跳跃的值,才能解释原子发出的光的波长。

进入20 世纪以后,一件崭新的、用经典物理学无法预料的事情开始出现了．第一次世界大战战事正酣的时候,在中立国丹麦出现了一位名叫玻尔的物理学家,他提出了适应于时代的物理学新理论。

玻尔的理论后来被称为旧量子论,该理论不过是以牛顿力学为基础加上一些附加条件,将连续的物理量(如热和光等)改成量子化的量罢了。

第一次世界大战结束后,欧洲终于恢复了平静,然而既不是在战败国德国,也不是在战胜国英国,而是在它们中间的哥本哈根聚集了一群充满朝气的物理学家．德国的海森堡、瑞士的泡利、英国的狄拉克等人都投师于玻尔的门下,他们共同完成了新的量子力学理论．不确定性原理可谓量子力学的基石。

所谓不确定性原理是海森堡于1926 年至1927 年间提出的微观世界的基本法则．对于原子或比其更小的电子等粒子,如果我们精确地测量了它的位置x,就无法测出它的动量p(粒子的质量与速度的乘积)．如果一方的测量准确度为百分之百的话,那么另一方的测量准确度就是零。

作为妥协,我们允许位置x 存在一定的误差,记为△x(△读做德尔塔,用来表示误差的大小),相应地动量的误差记为△p,两者都有一定的含糊程度．海森堡指出: 两个误差的乘积与普朗克常数h(以第一个提出量子概念的普朗克的名字命名)的数量级相同,写成公式就是△x·△p≈h,不确定性原理揭示了这两个误差的相互关系。

式中使用了约等号≈,原因在于误差范围(△x、△p 的大小)的定义方法的不同会使结果发生一些变化．例如: 可以把粒子存在的概率限定在0.5 以上,也可以把△x 的范围放得更宽,各种定义因人而异．有些书中只给出了两个误差乘积的上限,使用的是小于等于号。

普朗克常数为h=6.6×10-34 焦耳·秒。

□图4－1 海森堡(左)和玻尔(右)

(摘自《海森堡的思想和生涯》)

有的读者会问: 在物理学书上常常看到不确定性原理的公式,它的作用到底是什么呢? 下面我们来举一个例子。

固体由数不清的原子规则排列组成,这些原子都在一个狭小的空间里振动着,这种振动——叫做晶格振动——在温度升高时变得剧烈,反之当温度下降时趋于缓和,振动的强度与绝对温度成正比,如果温度下降到绝对零度(摄氏零下273 度)的话,原本整齐排列的原子就将全部无声无息地静止下来．世界上不存在比绝对零度更低的温度,温度是微观粒子运动的宏观表现——触到原子振动剧烈的物体时,我们就会感到烫手——绝对零度下,所有的东西都将完全静止,世界将是一片死寂。

但是事实并非如此,不确定性原理指出: 即使在绝对零度下,运动也不会完全停止。

固体中的原子都被局限在狭小的(1 埃,即10-10 米)区域之中,可以说原子的位置是比较确定的,△x 较小,因为h 是定量,所以△p 就会较大．因为原子形成了固态的结晶,所以它应具有相当大的动量。

动量的平方除以质量再除以,就是动能(△p)2／2m．也就是说,局限于狭小空间里的原子将不容否认地具有一定的动能．该动能与温度无关,是原子本身所固有的．我们称之为零点能。

通常习惯用表示原子的振动频率,零点能等于hv／2,它与原子的质量、振动时的弹性系数无关(不过,hv／2仅仅是一个方向上的能量,由于结晶中的原子是在3 维空间里运动的,所以实际值应该是它的3 倍)。

因此,原子振动的能量不是hv 的0 倍、1 倍或2 倍……,而只能是hv的1／2倍(好像单位的年终奖金,这个数是每个人都至少能拿到的最低奖金)、3／2倍、5／2倍、……