二十一世紀的物理學家要想做出諾貝爾獎級別的工作是非常困難的，你可能要到四十歲以後才有機會。你得鑽研現成的理論和高深的數學技巧很多年，才能摸到一點門道。
要想到遊刃有餘的水平，乃至於找到別人沒想到的重大突破點，又不知要摸索多少年。
而量子力學，卻是年輕人的科學。
用現在時髦的話來說，維爾納·海森堡（Werner Heisenberg）可謂是量子時代的原住民。
他出生於1901年，那時候普朗克已經把黑體輻射給量子化了。海森堡二十歲剛出頭就跟隨玻爾研究最新的量子理論。
他發明了矩陣力學來描寫量子過程，不但拿到了1932年的諾貝爾物理獎，而且是量子力學主流解釋的主要人物。
年輕氣盛的海森堡，對物理學的研究方法提出了一個指引。
海森堡說，電子有時候表現得像是粒子，有時候表現得像是波，它到底是什麼，我們無法想象，也沒必要想象。
維爾納·海森堡
我們應該關心的是可測量的東西。電子的軌道到底是什麼樣的？它是如何從這裡到那裡的？那其實是不可測量的。
想要畫出電子的路線圖，我們必須在每一個時刻都同時知道電子的位置和速度（也就是知道動量，p=mv）。
而海森堡說，這是不可能的！你不可能同時精確知道一個電子的位置和動量。
海森堡是這麼論證的。要想知道一個電子在哪裡，你就得用光去照一照它。
光的分辨率取決於波長，波長越短，分辨率就越高，探測越精確。所以想要精確地測量一個電子的位置，你就得用波長非常短的光。而根據光量子理論，波長越短頻率就越高，光子的能量就越高。
你的測量實際上是用高能量的光子去打這個電子，你會把電子給打飛！那麼你這個高能光子帶來的衝擊，就會掩蓋電子原來的動量。
反過來說，如果想要精確測量電子的動量，你就得用能量比較低的光子去撞擊它，而這就意味著那個光子的波長比較長，你就不能準確判斷電子的位置。
總而言之，位置的測量誤差和動量的測量誤差有一個取捨關係，它們不可能都很小。
海森堡的這一番解釋當然有道理。今天你仍然會看到有些《量子力學》教科書，有些大學老師用這番解釋說明量子力學的不確定性，但是我可以負責任地告訴你，這個解釋還不夠徹底，還不夠革命。
光子頻率這個解釋是說你“測不準” ，是因為你要想測量一個東西就不得不干擾這個東西，是測量手段本身的悖論。
那可能有人會想，如果我是全知全能的上帝，如果我能在不干擾的情況下感知到電子，我就應該可以測準，對吧？
不對。包括海森堡本人後來也承認，量子力學的真正觀點不是“測不準”，而是“不確定”。
不是你的能力問題，是電子的本性問題。
電子根本就不能同時擁有確定的位置和動量。不論是什麼東西，電子也好、光子也好、宏觀物體也好，它的位置不確定性（Δx）和動量不確定性（Δp）都滿足下面這個關係 ；
也就是說，位置和動量永遠都有一個最小的不確定性，受到普朗克常數的限制。不是你測不準，不是你看不見，而是電子*根本就沒有*確定的位置和動量，電子的行為有一種內在的不確定，它永遠都是模糊的。
這個原理叫做“海森堡不確定性原理”。
比如學界說的那個電子雙縫實驗中，電子最終打在屏幕上的位置很有規律，有暗有亮。那請問，你能精確地預測一個電子會打到屏幕的哪個位置上嗎？
在經典物理學中，我們把電子想象成一個小球，只要知道小球通過雙縫時刻的位置以及橫向和縱向的速度，你就能精確計算它在屏幕上的落點。
但是在量子力學中，因為不確定性原理，電子根本就沒有精確的位置和速度，這樣的預測是不可能的。
事實上，哪怕你無比小心地操作實驗，以至於精確地確保對這一個電子和對上一個電子的發射動作完全一樣，它們兩個的落點也會不一樣。
電子就好像有自己的個性一樣，不接受你的精確控制。不確定性原理並不僅僅是一個統計規律，而是一個關於量子世界的本質的論斷。
我們甚至可以說它的優先級高於量子力學的其他所有定律。你可以用不確定性原理解釋一些很怪異的現象。
比如說，咱們看一個單縫實驗。
在遮擋板上鑽一個很小的小孔，然後讓一束光穿過小孔，照射在遮光板後的屏幕上，你猜它會出現什麼情況？
這可能會讓大家想起中學學過的“小孔成像”，我們預計屏幕上會出現擋板另一側的圖像，說明光走直線……但是中學生學的那個小孔開得太大了。
如果小孔的直徑像光的幾個波長那麼小，你會看到屏幕上出現非常漂亮的環狀條紋。中間有個最亮的光盤，周圍是一圈暗紋，然後再是一圈亮紋、一圈暗紋，一環套一環逐漸變淡。
這個現象叫做光的衍射，那個條紋是光波從小孔中間的不同位置出發、到達屏幕時互相干涉的結果。
這個實驗的有意思之處是小孔的直徑和屏幕上衍射條紋的關係。
如果小孔的直徑很大，比如說相當於 20 個波長，那麼你拿一束激光照射進來，屏幕上基本就是一個光點，沒有什麼衍射的樣子。這就好像沒有擋板一樣，光老老實實地走直線，簡單明瞭。
小孔的直徑越小，衍射條紋就越明顯，而且越寬廣。比如如果小孔直徑是兩個波長，你會看到非常大的衍射條紋，光不再走直線了！
小孔直徑 a 相當於 20 個和 2 個光的波長 λ 時，屏幕上的衍射分佈
站在光子的視角來看，這個現象很不尋常。孔越大，對光的約束就越小，光子非常自由，反而老老實實走直線；孔越小，對光的約束越大，光卻要往四周擴散。
怎麼會這樣呢？
我們的直覺可能會認為是小孔的邊緣對光子產生了干擾。也許當光子路過小孔的時候，被邊緣給撞了一下，發生了散射。但這個解釋是不對的。
如果是因為被撞飛了產生的散射，光子在屏幕上的落點應該是完全混亂的！你不會看到那一環一環的漂亮衍射條紋。
再者，不僅光子存在衍射現象，用電子、質子都會發生衍射，而光子、電子、質子跟小孔的材料發生電磁相互作用的機制是完全不同的。
單縫實驗真正揭示的，是海森堡不確定性原理。
如上圖所示，我們把垂直於光前進的方向設為 y 方向。小孔比較小的時候，光在通過小孔的時候，在 y 方向上的不確定性 Δy 就小；孔比較大的時候，Δy 就大。
而根據不確定性原理，位置不確定性小的時候，動量不確定性就大。
在 y 方向上有一個比較大的 Δp ，就意味著光子多了一個垂直方向的速度，也就是它會一邊往前飛一邊往邊上飛，所以它才有可能會飛到屏幕中心以外的地方去，為那裡的衍射條紋做出貢獻。
而如果小孔大，就等於說光子的動量不確定性小，它就沒有那個垂直方向的速度，它就會老老實實地往前飛，那麼屏幕上也就沒有衍射光環了，只在中心處有個光斑。
換句話說，根據不確定性原理，你甚至可以通過控制某一方面的不確定性，去改變另一方面的不確定性。
比如說，根據不確定性原理，世界上沒有絕對靜止不動的東西。
這是因為如果一個粒子的速度是絕對的 0，那它就沒有動量的不確定性，那麼它的位置的不確定性就必須是無窮大，那麼它就必須同時出現在宇宙中所有的地方。
事實上，哪怕是在溫度是絕對零度的條件下，粒子也會有一些微小的震動。
不確定性原理說明，所謂“電子軌道”，根本就沒有意義。很多人心目中的原子常常是下面這個樣子；
中間有個原子核，外面有幾個電子沿著固定的軌道旋轉，就好像行星繞著太陽轉一樣。
這也是盧瑟福想象的原子，而這個圖像是錯誤的。
真實的原子，差不多是像下面這個樣子；
氦原子
電子沒有確定的位置，它同時出現在原子核之外的各個地方，它呈現出來是一片“雲”。其實連中間那個原子核也是雲。
那為什麼在日常生活中，我們可以精確地知道一個東西的位置和速度呢？那當然是因為普朗克常數是一個很小的數字，那一點不確定性和宏觀世界的尺度相比微不足道。
量子力學中，除了位置和動量這一對兒，還有能量和時間這一對兒，也滿足同樣的不確定性關係。
比如你看氫原子的光譜，你仔細看的話，那些譜線並不是很精確的細線，而是有一定的粗度，有一定的模糊性，這是為啥呢？
根本原因就是電子在不同能級之間的躍遷並不是真正瞬時的，有一個時間上的不確定性，而這就對應著輻射光子能量上的不確定性，這也就意味著波長的模糊性。
再比如說，根據相對論，質量和能量是等價的，所以能量上的不確定性就意味著質量的不確定性。
現代物理學知道有很多粒子的壽命都是有限的，可能存在很短的時間就會衰變成別的粒子 —— 而這種粒子的存在時間的不確定性，決定了它們的質量也有不確定性，你不可能絕對精確地測定它們的質量。
那為什麼我們精確地知道質子和電子的質量呢？
因為它們很可能根本就不會衰變！它們的時間不確定性是無窮大。
所以“不確定”是量子世界的本質。海森堡要求我們專注於那些能測量的東西，坦然接受測量結果的不確定性。
但可能很多人還是忍不住想，在我們沒有測量的那段時間，電子到底經歷了什麼呢？
就好像有一位美麗的女同事，你每次見到她都是在上班的時候。你覺得那不是真正的她，你忍不住猜測她不上班的時候是什麼樣子，你覺得你還可以進一步瞭解她。
而我不得不告訴你，這個問題你怎麼想都不會想明白 —— 如果真的存在一個關於電子的“客觀現實”，那個現實很可能是在我們人類的理解能力之外。
事實上，我們一直到今天也只是知道電子的一些性質而已，我們並不知道電子到底是個什麼東西 。
海森堡的理論規定，我們跟電子只有工作關係。
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