普通民眾對於前沿科學的誤解有很多，量子力學就是重災區之一。比如：“量子力學證明唯心主義是正確的”、“我們不看電子的時候，電子就不存在”。其實這是對量子力學的測量和不確定原理的最常見誤解，也可以說是一個謠言。本文以光的波長測量過程為例子，與您探討一下什麼是物理學中的測量以及不確定原理。
二、“觀測”是物理學上的一個術語
量子力學是非常強調“觀測”的，如果您一直關注老郭的賬號，可能您會注意到，我在寫關於量子力學的科普的時候，經常會提到“觀測”這個問題。一個物理量到底是不是可以“觀測”是一個測量方面的技術性問題。
“觀測”是數學和物理的本質區別——比如月球圍繞地球公轉，在地球上的人認為是月球在動，而在月球上的宇航員看來是地球在動。那麼到底是誰在動呢？這是一個相對論裡面最基本的問題，是不能用哲學思辨來找到答案的，只有通過測量地球和月球的四維加速度，才能夠從物理上得到答案。關於相對論的測量問題，我們留在今後的文章裡面另外講述。
所以物理學上的觀測實際上是用儀器對物理量進行測量，比如我們在牛頓動力學裡面要測量質點所在的位置，運動的時間，速度、加速度這些我們特別熟悉的物理量。這些物理量都是可以用尺子和時鐘測量後再做計算。
但在量子力學裡面不行，那些“可觀測物理量（動量、位置、自旋態等）”對應的是量子力學中的厄米算子。每個厄米算子其實就是一個矩陣，學過代數的人可以把這個矩陣用方程組來表示。這個方程組的解不是唯一的，也就是說，我們實際能測量到的結果不是一個，而是一組。
三、如何觀測波長
量子力學中物理量很多，限於文章篇幅不能都寫，就單獨挑選大家容易理解的波長測量來談一下測量對物理量的影響。
波長測量的準備工作
光源發出來的光，或者是物體反射的光進入眼睛之後，視神經上的離子受到刺激產生波動，光的信號被翻譯成離子的振動，以波動的方式沿著神經進入到大腦的視覺中樞產生視覺。從這個意義上說，我們的眼睛其實也是一個儀器。雖然眼睛不能直接讀出來波長，但它可以把波長翻譯成不同的顏色。
而測量光波長的儀器可以看做是眼睛的擴展，如果我們要製作這樣一臺儀器，那麼就需要了解光學、機械、電子等許多的學科。為了測量光的波長，就需要準備光源、單色器和檢測器。接下來我們就通過闡述這三個方面的內容來說明物理學是如何進行光波長測量的，同時也來體會測量的意義。
沒有絕對單色光的光源
光源的種類有很多，陽光、月光、星光，火光、物體的反射光，人造的光源就更多啦小夥伴們能舉出更多身邊的例子。但不論哪種光源都不是真正的單色光，也就是說，它們的譜線不是非常銳利的一條細線，都有一定的寬度。換成波長的說法就是，不論什麼光源，其波長事實上都是連續分佈的。
光源發出的光都是連續有一定寬度的譜線，這就是一個客觀真實的情況，而物理學所反映的就是這種情況，那種具有固定值的絕對狹窄的譜線只能在數學中存在。對於物理學來說，任何涉及到無限的數量都不是物理學中的物理量。
所以，對於一個研究物理學的人來說，不可能找到純淨的單色光源，這就是我們在測量前必須要面對的客觀實際情況。
用單色器製造單色光
從前面介紹的光源情況我們已經知道，沒有一個絕對純淨的單色光源，所有的光源都有一定的帶寬，也就是說，這些光源都是不同波長的光的複合。為了進一步得到更純淨的光，我們就需要用一個裝置，把光源進行一下帶寬展開來輸出一個單色光，這就是單色器。
所謂的單色器，是一種可以將光源發射的複合光分解成單色光，並可從中選出一任意波長單色光的光學系統。需要注意的是，單色器輸出的光仍然不是絕對的單色，也是有一定的帶寬的，這是由儀器的原理決定的。我們來一同看一下一個比較簡單的單色器案例。
這個單色器由入射狹縫、準直鏡、色散元件、物鏡和出射狹縫構成。其中色散元件是關鍵部件，作用是將複合光分解成單色光。入射狹縫用於限制雜散光進入單色器，準直鏡將入射光束變為平行光束後進入色散元件。物鏡將出自色散元件的平行光聚焦於出口狹縫。出射狹縫用於限制通帶寬度。
在製作光柵的時候，物理學模型一般是按照傅里葉展開進行計算，不論按照什麼方程去計算，都會與實際情況有誤差，這是物理學理論上的限制。另外在加工光柵的時候，只要是操作過車床的朋友都有這個經驗，每個車床都有自己的加工極限。
所以真實情況就是，所有的光柵都因為物理理論和加工能力限制產生誤差，這就決定了，單色器也不可能輸出絕對的單色光。
這就是不確定原理的真實體現，因為無論如何，你都得不到理論計算的絕對值的光柵。我們要想得到某個顏色的光的波長值，唯一的辦法就是利用多次測量，然後求平均值的辦法來得到，測量的次數越多，我們得到的值越接近真實值。
我們把這個過程翻譯成量子力學的語言就是，真實值並不存在，因為你永遠都測量不到真實值。
光波檢測儀的工作原理
光波長檢測儀的種類有很多，比如紫外檢測儀（UV）、熒光檢測儀（FD）、示差折光檢測儀（RID）等等，但不論哪種檢測儀，其基本原理都是通過檢測入射在感光元件表面的光的功率，並且完成光/電信號的轉換工作。
不論哪種檢測儀，都存在著一個感光元件最低的響應度的限制，都只能對一定的入射功率輸出足夠大的光電流。同時，在電信號的處理過程中，都存在器件本身對信號的影響。我們用數學語言來說就是，任何檢測儀都不是絕對線性的。
再有就是在信號處理階段把模擬量（連續量）轉化為數字量（離散量）的過程跟量子力學從經典跨越過來的過程是一樣的。
還有一個需要補充的就是，做過前置放大器的人都很熟悉，那就是系統的噪聲。儘管技術人員利用各種方法降低儀器自身的影響，仍然不能完全消滅這個噪聲，換句話說，模數轉換後得到的並不是真實光電轉換後的信號。
波長檢測儀器上的讀數究竟是什麼？
如果我們要測量一個光源發出的光的波長，這個光源會有一個光譜， 然後用單色儀產生一個更狹窄的待測光譜；這個待測光譜檢測需要用一個光電器件去檢測其強度，而任何一個光強檢測器都是非線性的。我們能夠得到的光譜，其實是入射光譜與光電檢測儀響應曲線相乘以後的乘積曲線。
因此，當我們真的去探測一個光源的光譜的時候，我們在儀器上能看到的光譜圖實際上並不是真實的，而是攜帶了儀器的信息。
結束語
讀到這裡的小夥伴們應該清楚了，真實的光譜並不存在。這個世界是基於觀測的，而觀測則依賴儀器。觀測影響結果以及不確定性原理聽上去很神奇，其實只是我們不可能測出真實值。尤其是對於包含粒子數較少的量子力學系統來說，測量儀器的介入會影響這個系統本身的行為。
基於上述兩點：我們莫不如直接說，“真實值”並不存在，這就是量子力學中不確定性原理的由來。
儘管不確定原理是量子力學的基石，但量子力學仍然被稱為是最精確的科學，量子力學的測量結果是值得信任的。這是因為當我們使用多次測試求平均的辦法來逼近真實值的時候，符合概率論的大數定理。而概率正是構建量子力學的核心思想。
小夥伴們！關於觀測和不確定原理您還有什麼想說的嗎？請在下方的評論區留言反饋。您的每一個意見都將得到認真的反饋，期待與您的深度交流。
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