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海森堡不确定性原理

2020-01-22 19:17:43 作者 : admin 来源 : 本站

海森堡不确定性原理

海森堡不确定性原理指出粒子的速度(动量)和位置不能同时准确确定。两者之一测定得越准确,另一一者的测定便越不准确。维尔纳•海森堡认为对粒子的观测行为本身会改变粒子,这就决定了必然无法获得粒子的准确信息。因此无法预测哑原于粒子过去和将来的行为。确定性消失了。

1927年,海森堡发现量子理论中有一些奇怪的假设。这些假设表明实验不可能在完全孤立的情况下进行,原因是测量行为本身就会影响到结果。海森堡在他的“不确定性原理”中描述了这种关系:无法同时准确地对亚原子粒子的位置和动量等价的说法是在准确时间上测定出能量)进行测定。两者之一测定得越准确,另一方的测定便越不准确,同时准确测定位置和动量是不可能的。海森堡认为这种不确定性正是量子力学的深刻结果,与测量技术或者测量精密度无关。

不确定性 任何测量结果都有一定的不确定性。用卷尺测量桌子的长度时,可以说桌子长度为1米。但由于卷尺的最小刻度是l毫米,所以卷尺的测量结果只能精确到1毫米。这样以来,桌的长度可能是99.9厘米,也可能是100.1厘米。究竟是多少?不知道。

提到不确定性,很自然会想到它的存在是因为测量工具的限制(如卷尺)。而海森堡不确定性原理与此有本质上的不同,它的基本思想是,无论采用多么精密的测量工具,总是无法在同一时刻准确测定动量和位置。如果测出了一个游泳者的准确位置,就无法知道其在同一时刻的速度。两者的大致范围是可以同时测出的,不过要把一个量测得特别准确,另一个量就会变得很不准确了。

测量 为什么会这样?海森堡想出了一个测定亚原子粒子(如中子)的实验,对此进行说明。设想采用雷达追踪中子的运动轨迹,向其发射电磁波。为准确起见,采用波长较短的伽马射线。但伽马射线具有波粒二象性,它是以光子的形式撞击到中子上的。由于频率很高,伽马射线的光子能量很大。能量越大,光子与中子相撞时将产生较强的撞击力,使中子的速度发生变化。因此,即便能测出中子在某一时刻的位置,受观测过程本身的影响,中子的速度乜已经变得难以预测。

如果采用能量较小的光子,以减少测量对中子速度造成的影响,又会因波长较大导致位置测量准确度的降低。所以,不管如何优化实验条件,都无法同时准确测出粒子的位置和速度。海森堡不确定性原理中存在一个基本极限。

实际上,亚原子粒子和电磁波的波粒二象性使深层的原理更难理解。粒子的位置、动量、能量和时间都是基于概率而定义的。薛定谔方程描述了粒子在某一位置出现的概率,粒子能董由量子理论确定,而量子理论被概括成描述粒子所有特性的波函数。

海森堡和薛定谔几乎在同一时期研究量子理论。薛定谔倾向于研究粒子的波动性,而海森堡则研究能量的非连续性。他们各自根据自己的研究倾向对量子系统作了数学上的描述。薛定谔采用波动数学,海森堡采用矩阵力学(或二维数表)作为描述粒子特性集的方法。

矩阵力学和波动力学都有各自的追随者,他们互相认为对方是错误的。最终两大阵营将资源整合,形成了量子力学的统一描述方法,称为量子力学。海森堡正是在提出量子力学方程的过程中,发现了难以避免的不确定性。他在1927年致沃尔夫冈•泡利(WolfgangPauli)的信中指出了这个问题,引起了这位同行的关注。

非决定论 海森堡提出不确定性原理后并没有停滞不前,他从不确定性的深刻内涵出发,指出该原理是对经典物理学的挑战。首先,它表明亚原子粒子在测量之前的行为是自由的,粒子被测量之后,才会受到抑制。海森堡打了个比方,“只有在观察路径时,路径才是存在的”。测量之前,我们对某物一无所知。他还指出,由于速度和位置深层的不确定性,粒子将来的行为也是无法预测的。

这些描述与当时的牛顿物理学存在很大的差别。后者假定外部世界是独立存在的,观察者通过实验就能观察到真相。而量子力学告诉我们,在原子水平上,这种确定性的观点是没有意义的,相反,只能去讨论某种结果出现的概率。我们不再讨论原因和结果,而只讨论概率。爱因斯坦与其他许多科学家觉得这种观点很难接受,但又必须承认从方程推出的结果确实如此。自此,物理学第一次超越了经验的实验室,坚定地迈向了抽象的数学领域。

关键词 : 原理