Astronomy 版 (精华区)

　　直到1925年，在威纳·海森堡指出光电效应使得精确测量一颗粒子的位置成为
不可能后，它的含义才被充分意识到。为了看粒子的位置，你必须把光投射到上面
。但是爱因斯坦指出，你不能使用非常少量的光，你至少要使用一个波包或量子。
这具光的波包会扰动粒子并使它在某一方向以某一速度运动。你想把粒子的位置测
量得越精确，你就要用越大能量的波包并且因此更厉害地扰动该粒子。不管你怎么
测量粒子，其位置上的不确定性乘上其速度上的不确定性总是大于某个最小量。
　　这个海森堡的不确定性原理显示，人们不能精确地测量系统的态，所以就不能
精确预言它将来的行为。人们所能做的一切是预言不同结果的概率。正是这种几率
或随机因素使爱因斯坦大为困扰。他拒绝相信物理定律不应该对将来要发生的作出
确定的、毫不含糊的预言。但是不管人们是否喜欢，所有证据表明，量子现象和不
确定性原理是不可避免的而且发生于物理学的所有分支之中。

　　爱因斯坦的广义相对论是所谓的经典理论，也就是说，它不和不确定性原理相
结合。所以人们必须寻求一种把广义相对论和不确定性原理合并在一起的新理论。
这种新理论和经典广义相对论的差异在大多数情形下是非常微小的。正如早先提到
的，这是因为量子效应预言的不确定性只是在非常小的尺度下，而广义相对论处理
时空的大尺度结构。然而，罗杰·彭罗斯和我证明的奇性定理显示，时空在非常小
的尺度下会变成高度弯曲的。不确定性原理的效应那时就会变得非常重要，而且似
乎导致某种令人注目的结果。

　　爱因斯坦的关于量子力学和不确定性原理的问题的一部分是由下面的事实引起
的，他习惯于系统具有确定历史的概念。一颗粒子不是处于引处便是处于他处。它
不可能一半处于此处另一半处于他处。类似的，诸如航天员登有月球的事件要么发
生了要么没有发生。这有点和你不能稍微死了或者稍微怀孕的事实相似。你要么是
要么不是。但是，如果一个系统具有单独确定的历史，则不确定性原理就导致所有
种类的二律背反，譬如讲粒子同时在两处或者航天员只有一半在月亮上。

　　美国物理学家里查德·费因曼提出了一种优雅的方法，从而避免了这些如此困
扰爱因斯坦的二律背反。费因曼由于1948年的光的量子理论的研究而举世闻名。
1965年他和另一位美国人朱里安·施温格以及日本物理学家朝永振一郎共获诺贝尔
奖。但是，他和爱因斯坦一脉相承，是物理学家之物理学家。他讨厌繁文缛礼。因
为他觉得美国国家科学院花费大部分时间来决定其他科学家中何人应当选为院士，
所以他就辞去院士位置。费因曼死于1988年，他由于对理论物理的多方面贡献而英
名长存。他的贡献之一即是以他命名的图，这几乎是粒子物理中任何计算的基础。
但是他的对历史求和的概论甚至是一个更重要的贡献。其思想是，一个系统在时空
中不止有一个单独的历史，不像人们在经典非量子理论中通常假定的那样。相反的
，它具有所有可能的历史。例如，考虑在某一时刻处于A点的上颗粒子。正常情形
下，人们会假定该粒子从A点沿着一根直线离开。然而，按照对历史求和，它能沿
着从A出发的任何路径运动。它有点像你在一张吸水纸上滴一滴墨水所要发生的那
样。墨水粒子会沿着所有可能的路径在吸水纸上弥散开来。甚至在你为了阻断两点
之间的直线而把纸切开一个缝隙时，墨水也会绕过切口的角落。

　　粒子的每一个路径或者历史都有一个依赖其形状的数与之相关。粒子从A走到
B的概率可由将和所有从A到B粒子的路径相关的数叠加起来而得到。对于大多数路
径，和邻近路径相关的数几乎被相互抵消。这样，它们对凿子从A走到B的概率的贡
献很小。但是，直线路径的数将和几乎直线的路径。这就是为什么粒子在通过气泡
室时的轨迹看起来几乎是笔直的。但是如果你把某种像是带有一个缝隙的一堵墙的
东西放在粒了的路途中，粒子的路径就会弥散到缝隙之外。在通过缝隙的直线之外
找到粒子的概率可以很高。