量子物理學最令人費解的一個方面，是它徹底地挑戰我們的直覺。如果你拿一個穩定的量子粒子，比如一個電子，你會發現它與所有類似的粒子有共同的性質。例如，每個電子都有：
- 同樣的質量： 511 keV/c²
- 相同的電荷： -1.6 × 10^(-19) C
- 相同的量子自旋：±ℏ/2
除了電子磁矩等其他固有性質外，它還遵循泡利不相容原理，該原理指出：在費米子組成的系統中，不能有兩個或兩個以上的粒子處於完全相同的狀態。這個好理解，因為粒子的位置和動量這樣的量是變化的，所以對其中一個粒子精確測量，但並不意味你對另一個粒子就能瞭如指掌。
但並非所有的粒子都像電子。對其中某些微粒子來說，同類粒子的質量也存在差異。
（上圖說明：宇宙的量子性質告訴我們，某些量具有內在的不確定性，而成對的量具有彼此相關的不確定性。）
從理論家的角度來看，每當兩個可測量的、可觀測的特性以非常具體的方式相關時，量子不確定性就起著重要的作用：如果它們是非交換性的。想一想某個東西會或不會是交換性的想法是很奇怪的，它可能會讓你回憶起奇異的數學性質或特徵。但這個簡單的例子可能會幫助你直觀地思考它。
假設你是一個量子粒子，一個科學家來嘗試測量你的一些內在屬性。如果科學家首先測量你的位置（即你所在的位置），然後測量你的動量（即你在特定方向上移動的速度），他們會得到兩個答案：第一個位置，然後是動量。現在，假設科學家按照另一個順序進行：首先測量你的動量，然後測量你的位置。如果將這兩個變量轉換，不管順序如何，都會得到相同的答案。
（這張圖說明了位置和動量之間固有的不確定性關係。當一個被更準確地認識時，另一個就不能被更準確地認識。）
在經典的宏觀世界中，所有變量都是交換的。不管你是按什麼順序測量，你都會得到相同的答案，不管你是先測量位置還是動量。這是因為進行測量不會影響測量本身的結果：對象的經典狀態就是它本身，而不管您是否進行測量。
但是在量子世界中，進行測量的行為可以把你的量子狀態從一個不確定的狀態轉移到一個確定的狀態。當變量不交換時，在一對可測量的量之間有一個固有的不確定性。如果你把一個量子測量到一個特定的精度，另一個，根據物理學的性質，變得固有的更不確定。雖然我們通常將其與位置和動量聯繫起來，但其他變量對也顯示了這種行為。
將具有兩種可能自旋構型的粒子通過特定類型的磁鐵將導致粒子分裂為+和-自旋狀態。
如果你把一束電子穿過磁場，可能會看到最違反直覺的效應。如果你的磁場在x方向上對齊，你的電子將在+x或-x方向上彎曲，這取決於x方向的自旋是對齊的還是與磁場反對齊的。
但問題是：電子的自旋，即±ℏ/2，並不侷限於x方向。我們的空間有三個維度：x、y和z。如果你確定電子在其中一個維度的自旋，你會自動破壞其他兩個維度的信息。如果你從x方向得到+ℏ/2電子，然後在y方向通過磁場，你不僅會看到這個方向的分裂，而且進行測量的行為會破壞x方向的信息。測量一個電子在x軸上的自旋，然後y軸的方向會給你一個與測量它在y軸上，然後x軸方向截然不同的電子！
（上圖：多次連續的斯特恩-格拉赫實驗，根據量子粒子的自旋沿一個軸分裂，將在垂直於最近測量的方向上造成進一步的磁分裂，但在同一方向上沒有額外的分裂。）
也許“四乘以二”會給你一個不同於“二乘以四”的答案，這沒有什麼意義，但某些量子運營者確實有這個性質：他們不上下班往返。這種基本和不可避免的特性被稱為海森堡不確定性，它發生在任何兩個非交換變量/算子之間。對於x、y和z方向的角動量或類似位置（Δx）和動量（Δp）的量，不能忽略這種固有的不確定性。
有許多其他物理量在它們之間具有相同的不確定性關係。我們稱之為共軛變量。稱之為共軛變量。它們包括角動量（Δl）和角位置（Δθ）、自由電荷（Δq）和電壓（Δφ），以及與這特別相關的一對能量（Δe）和時間（Δt）。
（上圖：QCD 的可視化說明了粒子/反粒子對如何由於海森堡的不確定性在很短的時間內從量子真空中彈出。量子真空之所以有趣，是因為它要求空間本身不是那麼空，而是充滿了描述我們宇宙的量子場理論所要求的各種狀態的所有粒子、反粒子和場。把這些放在一起，你會發現，真空空間有一個零點能量，實際上大於零。）
如果你要看一看真空空間本身，你可能會得出結論，裡面什麼都沒有。但是在量子層面上，有量子場滲透了所有的空間，這些場不僅存在於零能量狀態；它們存在於能量波動（Δe）中，隨著你觀察的時間尺度（Δt）變短，能量波動（Δe）會變大。海森堡的不確定性關係告訴你的是，這兩個不確定性的乘積必須總是大於或等於一個有限的量：ℏ/2。
當我們討論一個真實存在的粒子時，如果粒子是穩定的，你不必擔心這種能量不確定性。原因很簡單：穩定性意味著它的壽命是無限的。如果你給一個無限的生命加上一個有限的不確定性，你不會改變它的任何東西；給無限加一個常數是無關緊要的。但是如果你的粒子是不穩定的，這意味著它的壽命本身是不確定的（有一個真正的Δt），那麼它的能量（Δe）也一定是不確定的。
（上圖：幾年前，CMS和Atlas合作宣佈了對希格斯玻色子的第一個強大的5西格瑪探測。但是希格斯玻色子並沒有在數據中產生一個單一的“尖峰”，而是由於其內在質量的不確定性而產生了一個擴散的隆起。它的平均質量值125gev/c²是理論物理學的一個難題，但實驗工作者不必擔心：它存在，我們可以創造它，現在我們也可以測量和研究它的性質。）
現在，考慮決定不確定性的方程：Δe·Δt≥ℏ/2。當你有一個粒子壽命短一些時，它的Δt就會小一些。如果Δt較小，但Δe·Δt必須大於（或等於）某個常數，那麼這必然意味著Δe必須較大。因此，由於愛因斯坦最著名的方程，e=mc²，這個粒子的質量也必須有一個固有的不確定性。
希格斯玻色子的壽命只有10^(-23)秒左右，因此有一個相當大的Δe：它的質量不確定，能量超過中值幾兆電子伏。當你創造出一個希格斯玻色子時，它的質量比125 gev/c²的平均值大或小一些。其他短壽命的，非常大的粒子，如W或Z玻色子，具有相似的內在性質，甚至更大的寬度（或Δe）：它們的質量不確定度約±2-3%。
（上圖：當你到達頂部的一半時，上面圖像中的固有寬度，或峰值寬度的一半，被測量為2.5 gev：總質量的±3%的固有不確定度。 ）
但最嚴重的問題是頂夸克。頂夸克是整個標準模型中壽命最短的粒子，平均壽命僅為0.5約克秒，或5×10^(-23）秒。當你創造一個頂夸克時，它可能壽命為該平均時間的一半或四分之一，或該時間的兩倍或三倍，或介於兩者之間的任何地方。類似地，頂夸克也有一個平均質量，但每個值都將遵循鐘形曲線形狀的分佈。
雖然平均頂夸克質量可能在173到174個gev/c²之間，但一些頂夸克將低至165個gev/c²，而另一些則高於180個gev/c²。頂夸克質量的這些變化，實際上是從一個粒子到另一個粒子的變化。換句話說，每一個單獨的頂夸克不一定和它旁邊的頂夸克有相同的質量！
（上圖：從費米實驗室的兩個主要合作（D0和CDF）中，通過測量各種衰變通道獲得的頂夸克的各種平均質量的最佳測量。注意到巨大的不確定性，以及許多頂夸克看起來比平均質量要大得多或小得多的事實。這不是錯誤！）
每當你創造一個新的基本粒子時，如果它有一個有限的壽命，並且不是真正穩定的，那麼它所擁有的內在能量必然會有一個內在的不確定性。因此，從字面上看，它的質量與同一類型的其他粒子有根本的不同。
宇宙中的所有電子可能彼此相同，但壽命有限且短，我們可以確定，每一個希格斯玻色子、W玻色子、Z玻色子或頂夸克都有其獨特的性質，這取決於支配其存在的量子不確定性。每一個這樣的粒子都會有它自己獨特的一組粒子，它們會衰變成分數級的能量，這些分數級的能量會傳遞給每一個子粒子，它們的位置、動量和角動量，是的，甚至它的能量和質量都會有不確定性。
（上圖：在大型強子對撞機開啟之前，費米實驗室CDF探測器中頂夸克的重建質量分佈顯示了頂夸克質量的不確定性。雖然這主要是由於探測器的不確定性，但作為這一寬峰的一部分，質量本身存在固有的不確定性。）
在這個量子宇宙中，每一個粒子都會有本質上不確定的屬性，因為許多可測量的屬性都會因測量本身的行為而改變，即使你測量的屬性不是你想知道的屬性。雖然我們通常會討論光子或電子的不確定性，但有些粒子也是不穩定的，這意味著它們的壽命不是由它們的創造時刻決定的。對於這類粒子，它們的固有能量，因此它們的質量，也是固有的變量。
希格斯玻色子
雖然，我們也許能夠說明特定種類的平均不穩定粒子的質量，如希格斯玻色子或頂部夸克，但該類型的每個粒子都有其自身的獨特值。量子不確定性現在可以令人信服地擴展到一個不穩定的、基本粒子的其餘能量。在一個量子宇宙中，即使是像質量本身這樣基本的性質，也不是一成不變的。
閱讀更多 科技領航人 的文章
