大家好，歡迎收看量子科普第127期，今天和大家聊一聊關於玻爾的互補性原理

量子力學是一門研究圍微觀亞原子的物理學分支，如果說量子力學是最令人難以理解的一門物理學科，恐怕多數的物理學家都不會反對，量子力學之所以很難理解，主要是因為量子力學是應用於微觀粒子領域，而微觀量子世界則有諸多現象與宏觀世界不同，宏觀世紀一直被牛頓經典力學與愛因斯坦相對論所統治，但是如果使用經典力學與相對論去解釋微觀量子世界，例如量子糾纏、量子隧穿等等，那麼經典力學與相對論就會顯得無比的匱乏與錯誤，甚至微觀量子世界的很多現象，不僅宏觀理論解釋不通，它們甚至違背了人類正常的思維邏輯。

基於微觀量子世界體現的完全與宏觀世界隔絕的現象，丹麥著名物理學家玻爾提出了一套哲學體系，即互補理論，具體科學雖然是哲學的基礎，但使用哲學去解釋具體科學還是被很多人視為很荒誕的事情，那麼玻爾的互補理論是如何解釋神奇的微觀量子世界的呢？

玻爾互補理論的最初靈感來源於微觀粒子一種特有的現象，即波粒二象性，簡單來說就是微觀粒子有些情況是波、有些情況是粒子，任何的微觀粒子都具有波動性、粒子性，玻爾認為這兩種特性是相互矛盾的，因為在實驗中，微觀粒子只能表現出一種特性，要麼它是波，要麼它是粒子，不存在微觀粒子既是波、又是粒子的情況，兩者不可能在同一次測量中出現，但玻爾認為這兩種特性又是互補的，因為兩者不會同時出現意味著兩者不會直接產生衝突，二者在解釋現象、實驗時又是缺一不可的，微觀粒子的波動性與粒子性即矛盾、又互補，於是玻爾提出了註明的互補性原理：即波動性與粒子性在同一時刻是對立的，但是兩者在更高層面上是統一的。

互補性原理：一些經典概念的應用不可避免的排除另一些經典概念的應用，而這另一些經典概念’在另一條件下又是描述現象不可或缺的；必須而且只需將所有這些既互斥又互補的概念彙集在一起，才能而且定能形成對現象的詳盡無遺的描述。

後來量子力學著名的實驗電子雙縫實驗與電子雙路徑實驗就是對於玻爾互補理論最好的證明，以電子雙縫干涉實驗為例，當人類的觀測行為介入時，電子探測器上就不會顯示出干涉圖案，如果沒有人類的觀察行為介入時，也就是沒有確定資訊可以給出電子透過的是哪條狹縫時，電子就只能使用量子態的疊加態來描述，電子就會呈現出波的特性，後面的電子探測器就會表現出干涉圖案，根據對偶關係式，電子的粒子性與波動性並非是一種“非一即二”的關係，它們甚至可以在電子探測器上被同時觀察到，當我們對於電子運動資訊並非完全確定時，兩種現象將會同時部分的展示在電子探測器，兩者的比例由對偶關係式決定到底有多少被展現。這實際上就是玻爾互補性原理的一種體現，還有例如中子干涉儀實驗也可以演示出玻爾互補性的奧妙。