將狹義相對論與不確定性原理結合在一起，告訴了我們一個重要原理

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德國物理學家沃納·海森堡是量子力學的先驅之一，海森堡相信，為了闡述物質世界，我們就需要了解物質的最小成分，這也是量子力學發展之初提出的一個革命性觀點。但是要做到這一點並不像嘴上說說那麼容易，要發現物質的“最小”成分，也就意味著要探索最小的空間尺度，這一空間尺度也表示了弱力的作用範圍以及解釋了基本粒子的主要性質。物理學家們現在知道，要想深入極小的空間尺度，對應的就需要極大的能量，這是怎麼回事呢？其中是什麼原理？

我們經常會看到，在介紹大型強子對撞機的一些實驗時，都離不開一個技術引數——能標，通常用GeV來表示，稱為“吉電子伏”。粒子物理學家通常用電子伏的倍數來表示能量，電子伏的縮寫為“eV”，讀音即字母音。1電子伏是克服一個電位能差移動一個電子所需要的能量，就好比是由一個1伏的很弱的電池所提供的能量。1GeV等於10億電子伏，1TeV（太電子伏）等於1萬億電子伏（或1000GeV）。

有趣的是，粒子物理學家既用電子伏表示能量也用電子伏表示質量，這又是什麼道理呢？這是因為，愛因斯坦的狹義相對論透過光速將質量、動量和能量聯絡了起來，而光速c是一個常量，即c=299792458米/秒，因此，我們就可以利用愛因斯坦著名的公式E=mc^2，將能量轉換為質量或動量。這個公式意味著一個特定的能量相關的是一個既定的質量，其中的轉換系數就是c^2。這樣一來，“eV”也就可以表示質量，比如質子的質量用這一單位表示就是10億eV，即1GeV。

理解了上面所說的，我們接下來再解釋為什麼探索小尺度空間需要高能量，這裡又要涉及到量子力學中一個極其重要的原理——不確定性原理。不確定性原理告訴我們，某些成對的物理量不可能同時被準確測量到。對這些特定的物理量，先測量哪一個是至關重要的。例如，如果你先測量位置，然後再測量動量（動量給出了速度和方向），得到的結果會和你先測量動量再測量位置是不同的。

但是，根據不確定性原理，對測量順序會產生影響的兩個量的不確定性相乘總會大於一個基本常數，即普朗克常數h，它的值是6。582×10^-25GeV秒。這是什麼意思呢？它告訴我們，無論是一束光、一個粒子或是任何其他物質，或是所能想到的任何系統，只要它對發生在小尺度的物理過程敏感，就必然涉及大範圍的、極不確定的動量。也就是說，所有對這些物理過程敏感的物體，一定包含極高的動量。根據狹義相對論，動量高，能量就高。

將狹義相對論與不確定性原理結合在一起就告訴我們一個事實：探索小距離尺度的唯一方式就是使用高能量。當然，我們還可以用另一種方式來解釋為什麼需要高能量來探索小尺度，這是因為，只有波函式在很小範圍內變化的粒子才會受小尺度距離物理過程的影響。根據德布羅意的觀點，粒子的波函式涉及的波長很小，它的動量就很大，粒子-波的波長與其動量成反比。因此，我們可以得出同樣的結論：要敏銳地測量小距離物理作用，就需要高動量，因而也需要高能量。

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