定律定義

不確定性原理

德國(guó)物理學(xué)家海森堡1927年提出的不確定性原理是量子力學(xué)的產(chǎn)物。這項(xiàng)原則陳述了精確確定一個(gè)粒子，例如原子周?chē)碾娮拥奈恢煤蛣?dòng)量是有限制。這個(gè)不確定性來(lái)自?xún)蓚€(gè)因素，首先測(cè)量某東西的行為將會(huì)不可避免地?cái)_亂那個(gè)事物，從而改變它的狀態(tài)；其次，因?yàn)榱孔邮澜绮皇蔷唧w的，但基于概率，精確確定一個(gè)粒子狀態(tài)存在更深刻更根本的限制。

海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理是通過(guò)一些實(shí)驗(yàn)來(lái)論證的。設(shè)想用一個(gè)γ射線(xiàn)顯微鏡來(lái)觀(guān)察一個(gè)電子的坐標(biāo)，因?yàn)棣蒙渚€(xiàn)顯微鏡的分辨本領(lǐng)受到波長(zhǎng)λ的限制，所用光的波長(zhǎng)λ越短，顯微鏡的分辨率越高，從而測(cè)定電子坐標(biāo)不確定的程度就越小，所以。但另一方面，光照射到電子，可以看成是光量子和電子的碰撞，波長(zhǎng)λ越短，光量子的動(dòng)量就越大，所以有。

再比如，用將光照到一個(gè)粒子上的方式來(lái)測(cè)量一個(gè)粒子的位置和速度，一部分光波被此粒子散射開(kāi)來(lái)，由此指明其位置。但人們不可能將粒子的位置確定到比光的兩個(gè)波峰之間的距離更小的程度，所以為了精確測(cè)定粒子的位置，必須用短波長(zhǎng)的光。

但普朗克的量子假設(shè)，人們不能用任意小量的光：人們至少要用一個(gè)光量子。這量子會(huì)擾動(dòng)粒子，并以一種不能預(yù)見(jiàn)的方式改變粒子的速度。

所以，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是如果要想測(cè)定一個(gè)量子的精確位置的話(huà)，那么就需要用波長(zhǎng)盡量短的波，這樣的話(huà)，對(duì)這個(gè)量子的擾動(dòng)也會(huì)越大，對(duì)它的速度測(cè)量也會(huì)越不精確；如果想要精確測(cè)量一個(gè)量子的速度，那就要用波長(zhǎng)較長(zhǎng)的波，那就不能精確測(cè)定它的位置。

于是，經(jīng)過(guò)一番推理計(jì)算，海森堡得出：△q△p≥?/2（?=h/2π）。海森堡寫(xiě)道：“在位置被測(cè)定的一瞬，即當(dāng)光子正被電子偏轉(zhuǎn)時(shí)，電子的動(dòng)量發(fā)生一個(gè)不連續(xù)的變化，因此，在確知電子位置的瞬間，關(guān)于它的動(dòng)量我們就只能知道相應(yīng)于其不連續(xù)變化的大小的程度。于是，位置測(cè)定得越準(zhǔn)確，動(dòng)量的測(cè)定就越不準(zhǔn)確，反之亦然?！?/p>

海森堡還通過(guò)對(duì)確定原子磁矩的斯特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)的分析證明，原子穿過(guò)偏轉(zhuǎn)所費(fèi)的時(shí)間△T越長(zhǎng)，能量測(cè)量中的不確定性△E就越小。再加上德布羅意關(guān)系λ=h/p，海森堡得到△E△T≥h/4π，并且作出結(jié)論：“能量的準(zhǔn)確測(cè)定如何，只有靠相應(yīng)的對(duì)時(shí)間的測(cè)不準(zhǔn)量才能得到?！?/p>

簡(jiǎn)介

在量子力學(xué)里，不確定性原理（Uncertainty principle）表明，粒子的位置與動(dòng)量不可同時(shí)被確定，位置的不確定性與動(dòng)量的不確定性遵守不等式

其中，h是普朗克常數(shù)。

維爾納·海森堡于1927年發(fā)表論文給出這原理的原本啟發(fā)式論述，因此這原理又稱(chēng)為“海森堡不確定性原理”。根據(jù)海森堡的表述，測(cè)量這動(dòng)作不可避免的攪擾了被測(cè)量粒子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因此產(chǎn)生不確定性。同年稍后，厄爾·肯納德（Earl Kennard）給出另一種表述。隔年，赫爾曼·外爾也獨(dú)立獲得這結(jié)果。按照肯納德的表述，位置的不確定性與動(dòng)量的不確定性是粒子的秉性，無(wú)法同時(shí)壓抑至低于某極限關(guān)系式，與測(cè)量的動(dòng)作無(wú)關(guān)。這樣，對(duì)于不確定性原理，有兩種完全不同的表述。追根究柢，這兩種表述等價(jià)，可以從其中任意一種表述推導(dǎo)出另一種表述。

長(zhǎng)久以來(lái)，不確定性原理與另一種類(lèi)似的物理效應(yīng)（稱(chēng)為觀(guān)察者效應(yīng)）時(shí)常會(huì)被混淆在一起。觀(guān)察者效應(yīng)指出，對(duì)于系統(tǒng)的測(cè)量不可避免地會(huì)影響到這系統(tǒng)。為了解釋量子不確定性，海森堡的表述所援用的是量子層級(jí)的觀(guān)察者效應(yīng)。之后，物理學(xué)者漸漸發(fā)覺(jué)，肯納德的表述所涉及的不確定性原理是所有類(lèi)波系統(tǒng)的內(nèi)秉性質(zhì)，它之所以會(huì)出現(xiàn)于量子力學(xué)完全是因?yàn)榱孔游矬w的波粒二象性，它實(shí)際表現(xiàn)出量子系統(tǒng)的基礎(chǔ)性質(zhì)，而不是對(duì)于當(dāng)今科技實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)能力的定量評(píng)估。在這里特別強(qiáng)調(diào)，測(cè)量不是只有實(shí)驗(yàn)觀(guān)察者參與的過(guò)程，而是經(jīng)典物體與量子物體之間的相互作用，不論是否有任何觀(guān)察者參與這過(guò)程。

類(lèi)似的不確定性關(guān)系式也存在于能量和時(shí)間、角動(dòng)量和角度等物理量之間。由于不確定性原理是量子力學(xué)的重要結(jié)果，很多一般實(shí)驗(yàn)都時(shí)常會(huì)涉及到關(guān)于它的一些問(wèn)題。有些實(shí)驗(yàn)會(huì)特別檢驗(yàn)這原理或類(lèi)似的原理。例如，檢驗(yàn)發(fā)生于超導(dǎo)系統(tǒng)或量子光學(xué)系統(tǒng)的“數(shù)字－相位不確定性原理”。對(duì)于不確定性原理的相關(guān)研究可以用來(lái)發(fā)展引力波干涉儀所需要的低噪聲科技。

定律影響

該原理表明：一個(gè)微觀(guān)粒子的某些物理量（如位置和動(dòng)量，或方位角與動(dòng)量矩，還有時(shí)間和能量等），不可能同時(shí)具有確定的數(shù)值，其中一個(gè)量越確定，另一個(gè)量的不確定程度就越大。測(cè)量一對(duì)共軛量的誤差（標(biāo)準(zhǔn)差）的乘積必然大于常數(shù)h/4π（h是普朗克常數(shù)）是海森堡在1927年首先提出的，它反映了微觀(guān)粒子運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律——以共軛量為自變量的概率幅函數(shù)（波函數(shù)）構(gòu)成傅立葉變換對(duì)；以及量子力學(xué)的基本關(guān)系，是物理學(xué)中又一條重要原理。

發(fā)展簡(jiǎn)史

舊量子論

緊跟在漢斯·克拉默斯（Hans Kramers）的開(kāi)拓工作之后，1925年6月，維爾納·海森堡發(fā)表論文《運(yùn)動(dòng)與機(jī)械關(guān)系的量子理論重新詮釋》（Quantum-Theoretical Re-interpretation of Kinematic and Mechanical Relations），創(chuàng)立了矩陣力學(xué)。舊量子論漸漸式微，現(xiàn)代量子力學(xué)正式開(kāi)啟。矩陣力學(xué)大膽地假設(shè)，關(guān)于運(yùn)動(dòng)的經(jīng)典概念不適用于量子層級(jí)。在原子里的電子并不是運(yùn)動(dòng)于明確的軌道，而是模糊不清，無(wú)法觀(guān)察到的軌域；其對(duì)于時(shí)間的傅里葉變換只涉及從量子躍遷中觀(guān)察到的離散頻率。

海森堡在論文里提出，只有在實(shí)驗(yàn)里能夠觀(guān)察到的物理量才具有物理意義，才可以用理論描述其物理行為，其它都是無(wú)稽之談。因此，他避開(kāi)任何涉及粒子運(yùn)動(dòng)軌道的詳細(xì)計(jì)算，例如，粒子隨著時(shí)間而改變的確切運(yùn)動(dòng)位置。因?yàn)?，這運(yùn)動(dòng)軌道是無(wú)法直接觀(guān)察到的。替代地，他專(zhuān)注于研究電子躍遷時(shí)，所發(fā)射的光的離散頻率和強(qiáng)度。他計(jì)算出代表位置與動(dòng)量的無(wú)限矩陣。這些矩陣能夠正確地預(yù)測(cè)電子躍遷所發(fā)射出光波的強(qiáng)度。

同年6月，海森堡的上司馬克斯·玻恩，在閱讀了海森堡交給他發(fā)表的論文后，發(fā)覺(jué)了位置與動(dòng)量無(wú)限矩陣有一個(gè)很顯著的關(guān)系──它們不互相對(duì)易。這關(guān)系稱(chēng)為正則對(duì)易關(guān)系，以方程表示為：

在那時(shí)，物理學(xué)者還沒(méi)能清楚地了解這重要的結(jié)果，他們無(wú)法給予合理的詮釋。

質(zhì)疑

小澤不等式及其驗(yàn)證

隨著科技進(jìn)步，20世紀(jì)80年代以來(lái)，有聲音開(kāi)始指出該定律并不是萬(wàn)能的。日本名古屋大學(xué)教授小澤正直在2003年提出“小澤不等式”，認(rèn)為“測(cè)不準(zhǔn)原理”可能有其缺陷所在。為此，其科研團(tuán)隊(duì)對(duì)與構(gòu)成原子的中子“自轉(zhuǎn)”傾向相關(guān)的兩個(gè)值進(jìn)行了精密測(cè)量，并成功測(cè)出超過(guò)所謂“極限”的兩個(gè)值的精度，使得小澤不等式獲得成立，同時(shí)也證明了與“測(cè)不準(zhǔn)原理”之間存在矛盾。

日本名古屋大學(xué)教授小澤正直和奧地利維也納工科大學(xué)副教授長(zhǎng)谷川祐司的科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，大約在80年前提出的用來(lái)解釋微觀(guān)世界中量子力學(xué)的基本定律“測(cè)不準(zhǔn)原理”有其缺陷所在。該發(fā)現(xiàn)在全世界尚屬首次。這個(gè)發(fā)現(xiàn)成果被稱(chēng)作是應(yīng)面向高速密碼通信技術(shù)應(yīng)用和教科書(shū)改換的形勢(shì)所迫，于2012年1月15日在英國(guó)科學(xué)雜志《自然物理學(xué)》（電子版）上發(fā)表。

弱測(cè)量技術(shù)

多倫多大學(xué)（the University of Toronto）量子光學(xué)研究小組的李·羅澤馬（Lee Rozema）設(shè)計(jì)了一種測(cè)量物理性質(zhì)的儀器，其研究成果發(fā)表在2012年9月7日當(dāng)周的《物理評(píng)論通訊》（Physical Review Letters）周刊上。

為了達(dá)到這個(gè)目標(biāo)，需要在光子進(jìn)入儀器前進(jìn)行測(cè)量，但是這個(gè)過(guò)程也會(huì)造成干擾。為了解決這個(gè)問(wèn)題，羅澤馬及其同事使用一種弱測(cè)量技術(shù)（weak measurement），讓所測(cè)對(duì)象受到的干擾微乎其微，每個(gè)光子進(jìn)入儀器前，研究人員對(duì)其弱測(cè)量，然后再用儀器測(cè)量，之后對(duì)比兩個(gè)結(jié)果。發(fā)現(xiàn)造成的干擾不像海森貝格原理中推斷的那么大。

這一發(fā)現(xiàn)是對(duì)海森貝格理論的挑戰(zhàn)。2010年，澳大利亞格里菲斯大學(xué)（Griffith University）科學(xué)家倫德（A.P. Lund）和懷斯曼（Howard Wiseman）發(fā)現(xiàn)弱測(cè)量可以應(yīng)用于測(cè)量量子體系，然而還需要一個(gè)微型量子計(jì)算機(jī)，但這種計(jì)算機(jī)很難生產(chǎn)出來(lái)。羅澤馬的實(shí)驗(yàn)包括應(yīng)用弱測(cè)量和通過(guò)“簇態(tài)量子計(jì)算”技術(shù)簡(jiǎn)化量子計(jì)算過(guò)程，把這兩者結(jié)合，找到了在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試倫德和懷斯曼觀(guān)點(diǎn)的方法。

現(xiàn)代不等式

海森堡與玻爾共同討論問(wèn)題

1926年，海森堡任聘為哥本哈根大學(xué)尼爾斯·玻爾研究所的講師，幫尼爾斯·玻爾做研究。在那里，海森堡表述出不確定性原理，從而為后來(lái)知名為哥本哈根詮釋奠定了的堅(jiān)固的基礎(chǔ)。海森堡證明，對(duì)易關(guān)系可以推導(dǎo)出不確定性，或者，使用玻爾的術(shù)語(yǔ)，互補(bǔ)性：不能同時(shí)觀(guān)測(cè)任意兩個(gè)不對(duì)易的變量；更準(zhǔn)確地知道其中一個(gè)變量，則必定更不準(zhǔn)確地知道另外一個(gè)變量。

在他著名的1927年論文里，海森堡寫(xiě)出以下公式

這公式給出了任何位置測(cè)量所造成的最小無(wú)法避免的動(dòng)量不確定值。雖然他提到，這公式可以從對(duì)易關(guān)系導(dǎo)引出來(lái)，他并沒(méi)有寫(xiě)出相關(guān)數(shù)學(xué)理論，也沒(méi)有給予和確切的定義。他只給出了幾個(gè)案例（高斯波包）的合理估算。在海森堡的芝加哥講義里，他又進(jìn)一步改善了這關(guān)系式：

1927年厄爾·肯納德（Earl Kennard）首先證明了現(xiàn)代不等式：

其中，是位置標(biāo)準(zhǔn)差，是動(dòng)量標(biāo)準(zhǔn)差，是約化普朗克常數(shù)。

1929年，霍華德·羅伯森（Howard Robertson）給出怎樣從對(duì)易關(guān)系求出不確定關(guān)系式。

名稱(chēng)

有很久一段時(shí)間，不確定性原理被稱(chēng)為“測(cè)不準(zhǔn)原理”，但實(shí)際而言，對(duì)于類(lèi)波系統(tǒng)內(nèi)秉的性質(zhì)，不確定性原理與測(cè)量準(zhǔn)確不準(zhǔn)確并沒(méi)有直接關(guān)系（請(qǐng)查閱本條目稍前關(guān)于觀(guān)察者效應(yīng)的內(nèi)容），因此，該譯名并未正確表達(dá)出這原理的內(nèi)涵。另外，英語(yǔ)稱(chēng)此原理為“Uncertainty Principle”，直譯為“不確定性原理”，并沒(méi)有“測(cè)不準(zhǔn)原理”這種說(shuō)法，其他語(yǔ)言與英語(yǔ)的情況類(lèi)似，除中文外，并無(wú)“測(cè)不準(zhǔn)原理”一詞?，F(xiàn)今，在中國(guó)大陸的教科書(shū)中，該原理的正式譯名也已改為“不確定性關(guān)系”（Uncertainty Relation）。

理論背景

海森堡

海森堡在創(chuàng)立矩陣力學(xué)時(shí)，對(duì)形象化的圖象采取否定態(tài)度。但他在表述中仍然需要使用“坐標(biāo)”、“速度”之類(lèi)的詞匯，當(dāng)然這些詞匯已經(jīng)不再等同于經(jīng)典理論中的那些詞匯?？墒?，究竟應(yīng)該怎樣理解這些詞匯新的物理意義呢？海森堡抓住云室實(shí)驗(yàn)中觀(guān)察電子徑跡的問(wèn)題進(jìn)行思考。他試圖用矩陣力學(xué)為電子徑跡作出數(shù)學(xué)表述，可是沒(méi)有成功。這使海森堡陷入困境。他反復(fù)考慮，意識(shí)到關(guān)鍵在于電子軌道的提法本身有問(wèn)題。人們看到的徑跡并不是電子的真正軌道，而是水滴串形成的霧跡，水滴遠(yuǎn)比電子大，所以人們也許只能觀(guān)察到一系列電子的不確定的位置，而不是電子的準(zhǔn)確軌道。因此，在量子力學(xué)中，一個(gè)電子只能以一定的不確定性處于某一位置，同時(shí)也只能以一定的不確定性具有某一速度?？梢园堰@些不確定性限制在最小的范圍內(nèi)，但不能等于零。這就是海森堡對(duì)不確定性最初的思考。據(jù)海森伯晚年回憶，愛(ài)因斯坦1926年的一次談話(huà)啟發(fā)了他。愛(ài)因斯坦和海森堡討論可不可以考慮電子軌道時(shí)，曾質(zhì)問(wèn)過(guò)海森堡：“難道說(shuō)你是認(rèn)真相信只有可觀(guān)察量才應(yīng)當(dāng)進(jìn)入物理理論嗎？”對(duì)此海森堡答復(fù)說(shuō)：“你處理相對(duì)論不正是這樣的嗎？你曾強(qiáng)調(diào)過(guò)絕對(duì)時(shí)間是不許可的，僅僅是因?yàn)榻^對(duì)時(shí)間是不能被觀(guān)察的。”愛(ài)因斯坦承認(rèn)這一點(diǎn)，但是又說(shuō)：“一個(gè)人把實(shí)際觀(guān)察到的東西記在心里，會(huì)有啟發(fā)性幫助的……在原則上試圖單靠可觀(guān)察量來(lái)建立理論，那是完全錯(cuò)誤的。實(shí)際上恰恰相反，是理論決定我們能夠觀(guān)察到的東西……只有理論，即只有關(guān)于自然規(guī)律的知識(shí)，才能使我們從感覺(jué)印象推論出基本現(xiàn)象?！?/p>

海森堡在1927年的論文一開(kāi)頭就說(shuō)：“如果誰(shuí)想要闡明‘一個(gè)物體的位置’（例如一個(gè)電子的位置）這個(gè)短語(yǔ)的意義，那么他就要描述一個(gè)能夠測(cè)量‘電子位置’的實(shí)驗(yàn)，否則這個(gè)短語(yǔ)就根本沒(méi)有意義?！焙Ｉぴ谡劦街T如位置與動(dòng)量，或能量與時(shí)間這樣一些正則共軛量的不確定關(guān)系時(shí)，說(shuō)：“這種不確定性正是量子力學(xué)中出現(xiàn)統(tǒng)計(jì)關(guān)系的根本原因?！?/p>

與玻爾的辯論

海森堡的測(cè)不準(zhǔn)原理得到了玻爾的支持，但玻爾不同意他的推理方式，認(rèn)為他建立測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系所用的基本概念有問(wèn)題。雙方發(fā)生過(guò)激烈的爭(zhēng)論。玻爾的觀(guān)點(diǎn)是測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系的基礎(chǔ)在于波粒二象性，他說(shuō)：“這才是問(wèn)題的核心?！倍Ｉふf(shuō)：“我們已經(jīng)有了一個(gè)貫徹一致的數(shù)學(xué)推理方式，它把觀(guān)察到的一切告訴了人們。在自然界中沒(méi)有什么東西是這個(gè)數(shù)學(xué)推理方式不能描述的?！辈杽t說(shuō)：“完備的物理解釋?xiě)?yīng)當(dāng)絕對(duì)地高于數(shù)學(xué)形式體系?！?/p>

玻爾理論

玻爾更著重于從哲學(xué)上考慮問(wèn)題。1927年玻爾作了《量子公設(shè)和原子理論的新進(jìn)展》的演講，提出著名的互補(bǔ)原理。他指出，在物理理論中，平常大家總是認(rèn)為可以不必干涉所研究的對(duì)象，就可以觀(guān)測(cè)該對(duì)象，但從量子理論看來(lái)卻不可能，因?yàn)閷?duì)原子體系的任何觀(guān)測(cè)，都將涉及所觀(guān)測(cè)的對(duì)象在觀(guān)測(cè)過(guò)程中已經(jīng)有所改變，因此不可能有單一的定義，平常所謂的因果性不復(fù)存在。對(duì)經(jīng)典理論來(lái)說(shuō)是互相排斥的不同性質(zhì)，在量子理論中卻成了互相補(bǔ)充的一些側(cè)面。波粒二象性正是互補(bǔ)性的一個(gè)重要表現(xiàn)。測(cè)不準(zhǔn)原理和其它量子力學(xué)結(jié)論也可從這里得到解釋。

觀(guān)點(diǎn)

決定論

科學(xué)理論，特別是牛頓引力論的成功，使得法國(guó)科學(xué)家拉普拉斯侯爵在19世紀(jì)初論斷，宇宙是完全被決定的。他認(rèn)為存在一組科學(xué)定律，只要我們完全知道宇宙在某一時(shí)刻的狀態(tài)，我們便能依此預(yù)言宇宙中將會(huì)發(fā)生的任一事件。例如，假定我們知道某一個(gè)時(shí)刻的太陽(yáng)和行星的位置和速度，則可用牛頓定律計(jì)算出在任何其他時(shí)刻的太陽(yáng)系的狀態(tài)。這種情形下的宿命論是顯而易見(jiàn)的，拉普拉斯進(jìn)一步假定存在著某些定律，它們類(lèi)似地制約其他每一件東西，包括人類(lèi)的行為。<續(xù)編：不確定原理實(shí)質(zhì)是對(duì)因果論的一種更加肯定，可想而知，任何一種在微小的觀(guān)測(cè)都可以使對(duì)象的狀態(tài)發(fā)生改變，從而使原對(duì)象的體系進(jìn)入一個(gè)新的狀態(tài)量，而在未對(duì)其干擾前他的狀態(tài)量卻會(huì)沿著一個(gè)自身作用的方向發(fā)展，（當(dāng)然它的方向?qū)ξ覀儊?lái)說(shuō)是不確定的，這個(gè)不確定實(shí)質(zhì)是對(duì)于我們的觀(guān)測(cè)而言的。），干擾（觀(guān)測(cè)）卻使他開(kāi)始了一個(gè)“新的紀(jì)元”，而這個(gè)干擾結(jié)果對(duì)于對(duì)象而言卻是確定的，它會(huì)使對(duì)象開(kāi)始一個(gè)新?tīng)顟B(tài)，當(dāng)然，這個(gè)新的結(jié)果又會(huì)作用于其他體系，從而影響整個(gè)宇宙。簡(jiǎn)言之可以這么說(shuō)：由于你的一個(gè)噴嚏，使氣流發(fā)生強(qiáng)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)氣流之間力的作用，最終使美國(guó)的一朵云達(dá)到了降水的條件，由于你的一個(gè)噴嚏，使美國(guó)降了一場(chǎng)雨！而沒(méi)有你的噴嚏，那個(gè)云的運(yùn)動(dòng)也是一定的，降水就不可能了。所謂蝴蝶效應(yīng)，其實(shí)也是這個(gè)道理，蝴蝶在太平洋那邊扇了下翅膀，另一邊可能因此刮起臺(tái)風(fēng)。

妄想通過(guò)物理定律推算未來(lái)事件的努力是可笑的，從計(jì)算機(jī)學(xué)來(lái)看，這種推算是一種無(wú)限遞歸，終止遞歸的條件是得到未來(lái)某一時(shí)刻的狀態(tài)，但算法需要知道自己得出結(jié)果后計(jì)算者對(duì)環(huán)境的影響（必須考慮）因而陷入遞歸，因?yàn)榻K止條件是無(wú)法達(dá)成的，故算法無(wú)法完成。從可行性來(lái)看，我們生活的世界好比一臺(tái)400mips的電腦環(huán)境，它是不可能模擬出一臺(tái)500mips的虛擬機(jī)的。故未來(lái)不可知。

宿命論

很多人強(qiáng)烈地抵制這種科學(xué)決定論，他們感到這侵犯了“上帝”或神秘力量干涉世界的自由，直到20世紀(jì)初，這種觀(guān)念仍被認(rèn)為是科學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)假定。這種信念必須被拋棄的一個(gè)最初的征兆，它是由英國(guó)科學(xué)家瑞利勛爵和詹姆斯·金斯爵士所做的計(jì)算，他們指出一個(gè)熱的物體——例如恒星——必須以無(wú)限大的速率輻射出能量。按照當(dāng)時(shí)我們所相信的定律，一個(gè)熱體必須在所有的頻段同等地發(fā)出電磁波（諸如無(wú)線(xiàn)電波、可見(jiàn)光或X射線(xiàn)）。例如，一個(gè)熱體在1萬(wàn)億赫茲到2萬(wàn)億赫茲頻率之間發(fā)出和在2萬(wàn)億赫茲到3萬(wàn)億赫茲頻率之間同樣能量的波。而既然波的頻譜是無(wú)限的，這意味著輻射出的總能量必須是無(wú)限的。

量子假設(shè)

為了避免這顯然荒謬的結(jié)果，德國(guó)科學(xué)家馬克斯·普朗克在1900年提出，光波、X射線(xiàn)和其他波不能以任意的速率輻射，而必須以某種稱(chēng)為量子的形式發(fā)射。并且，每個(gè)量子具有確定的能量，波的頻率越高，其能量越大。這樣，在足夠高的頻率下，輻射單獨(dú)量子所需要的能量比所能得到的還要多。因此，在高頻下輻射被減少了，物體喪失能量的速率變成有限的了。

量子假設(shè)意義

量子假設(shè)可以非常好地解釋所觀(guān)測(cè)到的熱體的發(fā)射率，直到1926年另一個(gè)德國(guó)科學(xué)家威納·海森堡提出著名的不確定性原理之后，它對(duì)宿命論的含義才被意識(shí)到。為了預(yù)言一個(gè)粒子未來(lái)的位置和速度，人們必須能準(zhǔn)確地測(cè)量它現(xiàn)時(shí)的位置和速度。顯而易見(jiàn)的辦法是將光照到這粒子上，一部分光波被此粒子散射開(kāi)來(lái)，由此指明它的位置。然而，人們不可能將粒子的位置確定到比光的兩個(gè)波峰之間距離更小的程度，所以必須用短波長(zhǎng)的光來(lái)測(cè)量粒子的位置。測(cè)量粒子位置，可以通過(guò)“六方鏡”得到?！傲界R”，上下各一個(gè)觀(guān)測(cè)鏡，左右各一個(gè)觀(guān)測(cè)鏡，前后各一個(gè)觀(guān)測(cè)鏡。由普朗克的量子假設(shè)，人們不能用任意少的光的數(shù)量，至少要用一個(gè)光量子。這量子會(huì)擾動(dòng)這粒子，并以一種不能預(yù)見(jiàn)的方式改變粒子的速度。而且，位置測(cè)量得越準(zhǔn)確，所需的波長(zhǎng)就越短，單獨(dú)量子的能量就越大，這樣粒子的速度就被擾動(dòng)得越厲害。換言之，你對(duì)粒子的位置測(cè)量得越準(zhǔn)確，你對(duì)速度的測(cè)量就越不準(zhǔn)確，反之亦然。海森堡指出，粒子位置的不確定性乘上粒子質(zhì)量再乘以速度的不確定性不能小于一個(gè)確定量——普朗克常數(shù)。并且，這個(gè)極限既不依賴(lài)于測(cè)量粒子位置和速度的方法，也不依賴(lài)于粒子的種類(lèi)。海森堡不確定性原理是世界的一個(gè)基本的不可回避的性質(zhì)。

影響

不確定性原理對(duì)我們世界觀(guān)有非常深遠(yuǎn)的影響。甚至到了50多年之后，它還不為許多哲學(xué)家所鑒賞，仍然是許多爭(zhēng)議的主題。不確定性原理使拉普拉斯科學(xué)理論，即一個(gè)完全確定性的宇宙模型的夢(mèng)想壽終正寢：如果人們甚至不能準(zhǔn)確地測(cè)量宇宙當(dāng)前的狀態(tài)，那么就肯定不能準(zhǔn)確地預(yù)言將來(lái)的事件（否認(rèn)觀(guān)察者可以確定未來(lái)）！但客觀(guān)來(lái)說(shuō)宇宙當(dāng)前的狀態(tài)是確定的無(wú)疑（承認(rèn)客觀(guān)未來(lái)的確定性）。我們?nèi)匀豢梢韵胂?，?duì)于一些超自然的生物，存在一組完全地決定事件的定律，這些生物能夠不干擾宇宙地觀(guān)測(cè)它的狀態(tài)。然而，對(duì)于我們這些蕓蕓眾生而言，這樣的宇宙模型并沒(méi)有太多的興趣，因?yàn)閷?duì)于我們這些觀(guān)察者來(lái)說(shuō)未來(lái)的確是不可預(yù)知的?？磥?lái)，最好是采用稱(chēng)為奧鏗剃刀的經(jīng)濟(jì)學(xué)原理，將理論中不能被觀(guān)測(cè)到的所有特征都割除掉。20世紀(jì)20年代。在不確定性原理的基礎(chǔ)上，海森堡、厄文·薛定諤和保爾·狄拉克運(yùn)用這種手段將力學(xué)重新表達(dá)成稱(chēng)為量子力學(xué)的新理論。在此理論中，粒子不再有分別被很好定義的、能被同時(shí)觀(guān)測(cè)的位置和速度，而代之以位置和速度的結(jié)合物的量子態(tài)。

量子力學(xué)

一般而言，量子力學(xué)并不對(duì)一次觀(guān)測(cè)預(yù)言一個(gè)單獨(dú)的確定結(jié)果。代之，它預(yù)言一組不同的可能發(fā)生的結(jié)果，并告訴我們每個(gè)結(jié)果出現(xiàn)的概率。也就是說(shuō)，如果我們對(duì)大量的類(lèi)似的系統(tǒng)作同樣的測(cè)量，每一個(gè)系統(tǒng)以同樣的方式起始，我們將會(huì)找到測(cè)量的結(jié)果為A出現(xiàn)一定的次數(shù)，為B出現(xiàn)另一不同的次數(shù)等等。人們可以預(yù)言結(jié)果為A或B的出現(xiàn)的次數(shù)的近似值，但不能對(duì)個(gè)別測(cè)量的特定結(jié)果作出預(yù)言。因而量子力學(xué)為科學(xué)引進(jìn)了不可避免的非預(yù)見(jiàn)性或偶然性。盡管愛(ài)因斯坦在發(fā)展這些觀(guān)念時(shí)起了很大作用，但他非常強(qiáng)烈地反對(duì)這些。他之所以得到諾貝爾獎(jiǎng)就是因?yàn)閷?duì)量子理論的貢獻(xiàn)。即使這樣，他也從不接受宇宙受機(jī)遇控制的觀(guān)點(diǎn)；他的感覺(jué)可表達(dá)成他著名的斷言：“上帝不玩弄骰子。”然而，大多數(shù)其他科學(xué)家愿意接受量子力學(xué)，因?yàn)樗蛯?shí)驗(yàn)符合得很完美。它的的確確成為一個(gè)極其成功的理論，并成為幾乎所有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)。它制約著晶體管和集成電路的行為，而這些正是電子設(shè)備諸如電視、計(jì)算機(jī)的基本元件。它并且是現(xiàn)代化學(xué)和生物學(xué)的基礎(chǔ)。物理科學(xué)未讓量子力學(xué)進(jìn)入的唯一領(lǐng)域是引力和宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)。