基本介紹
- 中文名：互補原理
- 外文名：complimentarity principle
- 又稱：“互補性原理”、“並協原理”
- 獲得者：Niels Henrik David Bohr
- 時間：1927年
- 學科領域：量子力學
互補原理提出,產生科學背景,互補原理推廣,生物學,語言學,文學藝術,對哲學的影響,實驗驗證,
互補原理提出
波和粒子在同一時刻是互斥的，但它們在更高層次上統一。
光和粒子都有波粒二象性，而波動性與粒子性又不會在同一次測量中出現，那么，二者在描述微觀粒子時就是互斥的；另一方面，二者不同時出現就說明二者不會在實驗中直接衝突。同時二者在描述微觀現象，解釋實驗時又是缺一不可的。因此二者是“互補的”，或者“並協的”。
玻爾的原話是：“一些經典概念的套用不可避免的排除另一些經典概念的套用，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匯集在一起，才能而且定能形成對現象的詳盡無遺的描述”。
產生科學背景
互補原理與辯證法
辯證法與“互補原理”都涉及矛盾，但兩者所涉及的矛盾的類型與處理矛盾方式是完全不同的。自從1900年普朗克提出量子化假說以來，人們就開始探索這個與經典理論格格不入的新思想，然而在此過程中，卻遇到了許多難以解釋的事情。光波的粒子性：1905年愛因斯坦用量子的概念，把光看成一個一個的光子，成功解釋了光電效應，在一定程度上復活了光的微粒學說；但是光在實驗中表象出的衍射、干涉卻表明光是一種波。光的本質是波還是粒子，讓人一時難以捉摸。
微觀粒子的波動性
1924年德布羅意提出物質波，認為一切實物粒子均具有波動性，並提出相應物質波波長與頻率的計算公式。電子的波動性在1927～1928年被電子衍射實驗所驗證，後來質子,中子,原子的波動性都得到實驗證實。物質究竟是波還是粒子，也成為一個問題。
理論的矛盾與統一
1925年海森堡從對應原理提出矩陣力學，1926年薛丁格從波動性導出波動力學，這兩種理論雖然出發點大不相同，但在解釋量子現象是卻得出同樣的結果，1926年狄拉克證明了這兩種力學在數學上是等價的。這說明，不論從粒子性還是從波動性進行理論分析都會得到相同的結果。 以上事實都既表明了微觀粒子的波動性，又表明了其具有粒子性，這兩種互相排斥的屬性同時存在於一切量子現象中，這讓量子力學的本質變得撲朔迷離。於是，在1927年9月16日,在義大利科摩召開的“紀念伏打逝世一百周年”的大會上,玻爾在其題為《量子公設和原子理論的晚近發展》的演講中,第一次提出互補原理，認為量子現象無法用一種統一的物理圖景來展現，而必須套用互補的方式才能完整的描述。
互補原理的科學解釋 互補原理起因於實驗儀器與被觀測物體的相互影響。 經典物理學中，儀器與物體的相互作用可以通過對實驗條件的改進而減少，或者通過更細緻的理論分析後被補償掉，在理論上這種相互作用如此微小因而完全可以被忽略掉。因此，我們可以用同一個儀器去測量物體的不同性質，在此過程中不會對物體產生影響，我們把這些性質加起來就可以得到關於物體完整而統一的描述。 但是在微觀領域裡，儀器與物體的相互作用在原則上是不可避免、不可控制、也不可被忽略的。在理論上我們也無法區分出測量結果中儀器與物體相互作用的部分，我們在測量物體一個性質的時候，就會無法避免的對物體產生不可逆轉的影響，因此不能用同一個實驗去測量物體所有的性質，不同的實驗也就可能得出互相矛盾的結果，這些結果無法放到一個統一的物理圖景中，只有用互補原理這個更寬廣的思維框架將這些互相矛盾的性質結合起來，才能去完整描述微觀現象。
互補原理推廣
玻爾認為，互補原理是作為一個更加寬廣的思維框架，是一個普遍適用的哲學原理，因此他試圖用互補原理去解決生物學、心理學、數學、化學、人類學、語言學、民族文化等方面的問題,並試圖揭示其他形式的互補關係。
生物學
生物學既包括分子層次的理化性質，又包括細胞、組織、器官層次的生命特徵。在研究生物的分子特性時，就不會涉及到生命的部分，在對生物的生命特性進行研究時，就會的忽視其分子層面的理化特性。同時，在用儀器對生命體進行研究的過程中，就會不可避免的對細胞、組織造成損害，甚至殺死整個生命體。因此，生物學研究的這兩個方面既是互補，有時互斥的。
心理學
在心理學研究中，人本身與作為研究對象的心理更加密不可分。當要描述自己的情感時，就必須將邏輯放到一邊，當要描述自己的邏輯思維時，就必須忽視自己的情感，而人的心理是諸多方面組成的，在研究過程中它們常常互相排斥，因此必須用互補的思想去研究心理學。
語言學
語言中的每一個詞都是從不同角度、不同層次去表述的，人們不能在同一條件下使用不同的概念，否則就會因此混淆，但是每個詞語都是必須的，不同角度、不同層次的詞語加起來才能更完整的表述，因此，這些詞語之間是既互斥又互補的關係。
文學藝術
每一個民族有著自己特定的文化，這些文化各有各的特點，不同民族的審美觀也有著差異，因此，這些文化在表現形式上甚至理論上都有互相矛盾的地方，但是他們都是人類文化的一部分，必須用互補的方式去看待這些不同的文化。
對哲學的影響
互補原理的提出，使我們的認識論有了進一步的推廣，指出了經典認識論只是在一定條件下才適用。 在經典認識論中，我們認為：客體的屬性、規律與主體無關，與主體所採取的觀測方法也無關，主體可以在客體之外去認識客體，同時不對客體產生影響，主客體之間不存在不可分離的聯繫。 由互補原理引出的認識論指出：單獨說客體的屬性、規律是沒有意義的，必須同時說明主體的情況與其採取的觀測方式，主體對客體的認識必須通過對客體施加影響來實現，因此，主客體之間存在著不可分離的聯繫。但是在一定條件下主體對客體的影響可以忽略，這時經典認識論就是適用的。
實驗驗證
最經典的關於波動-粒子互補原理的實驗就是雙縫實驗。如右圖所示，雙縫路徑實驗是雙縫實驗的變版，是一種“路徑實驗”（which-way experiment）。在雙縫實驗里，從電子源{\displaystyle \mathrm {S} }發射出來的相干電子束，照射在一塊刻有兩條狹縫{\displaystyle \mathrm {S1} }和{\displaystyle \mathrm {S2} }的不透明擋板。在擋板後方有探測屏。電子抵達探測屏的輻照度會呈黑白相間的條紋，這是電子的干涉圖樣，展示於示意圖最右邊。現在，在擋版後面用雷射照射，如果雷射的光子被電子散射，然後被光子探測器吸收，則可大致知道電子到底是經過哪條狹縫，因為經過狹縫{\displaystyle \mathrm {S1} }的電子通常會使得光子被探測器{\displaystyle \mathrm {D1} }吸收，而經過狹縫{\displaystyle \mathrm {S2} }的電子通常會使得光子被探測器{\displaystyle \mathrm {D2} }吸收。由於電子會被光子攪擾，因此改變軌道，所以原本的干涉圖樣會變得較為模糊，甚至完全消失，其變化狀況依電子路徑的分辨程度而定，而分辨程度與雷射的輻照度有關。
在進行這實驗時，必須注意到一個關鍵問題：當每一個電子通過狹縫時，到底有哪些信息可以給出通過的是哪條狹縫（哪條路徑）？假若沒有信息可以給出通過的是哪條狹縫，則這電子的物理行為是由兩種量子態的量子疊加來描述，每一種量子態描述電子通過其中一條狹縫的物理行為，在偵測屏會顯示出因量子疊加而產生的干涉圖樣，這電子具有波動性。反過來說，假若有信息可以給出任意一個電子通過的是哪條狹縫，則這電子的物理行為是由電子通過這條狹縫的量子態來描述，在偵測屏不會顯示出干涉圖樣，這電子具有粒子性。在這實驗裡，按照恩格勒-格林柏格對偶關係式（Englert–Greenberger duality relation），波動性與粒子性互補，因為假若觀察到其中一種性質，則觀察不到另一種性質。這不是非零即一或非一即零的二位元關係，有時候，兩種性質可以一起被觀察到，但是這時，每一種性質不會完全展現，而是部分展現，由對偶關係式決定到底有多少被展現。每當有部分的“哪條路徑”信息時，就會出現這種互補行為。
更仔細地分析，在雙縫實驗或任何干涉實驗裡，波動行為衍生出的干涉圖樣可視性與粒子行為衍生出的路徑分辨性互補。假若分辨出粒子的移動路徑，則無法觀察到干涉圖樣，反之亦然。路徑的解析度越高，則干涉圖樣的可視性越低，反之亦然。在雙縫路徑實驗裡，當雷射的光子被電子散射之時，兩者會發生量子糾纏，因此光子會載有電子的路徑信息，所以電子與光子彼此之間的量子糾纏給出了路徑信息，這意味著，互補性質可以視為是量子糾纏的後果。
很多種中子干涉儀實驗（neutron interferometry）可以演示出對偶性與互補性的奧妙。通過干涉儀後的中子似乎會顯示出波動行為，但是在通過之時，中子會感受到引力，隨著中子干涉儀被轉動於地球的重力場，可以觀察到干涉儀的兩條路徑之間的相位差有所改變，扮隨著中子波干涉圖樣的改變，這是因為對應於中子移動於每條路徑的物理行為有一種特定的量子態來描述，這兩種量子態會相互干涉。兩條路徑的徑長相差達5 cm至15 cm，這幾乎不是微觀效應。這實驗與常見的雙縫實驗和鏡子干涉儀實驗類似之處是狹縫或鏡子可以相隔任意遙遠。因此，在干涉實驗與衍射實驗裡，中子的物理行為與相同波長的中子或電子很類似。
摘自獨立學者量子力學科普書籍《見微知著》
