最深刻的物理定律之一:量子力学的不确定性原理究竟是什么?

科学研究社

发布时间:19-12-2017:07

大家好,今天主要和大家聊一聊物理学家海森堡提出的不确定性原理,不确定性原理是量子力学中的一个物理定律,但是由于不确定性原理与我们的常识认知有些相悖,所以不确定性并不是很好理解的,很多人、也包括像爱因斯坦这样伟大的物理学家一时间都很难认同它,但是不确定性原理却并没有因为质疑而湮灭,反而成为了是物理学上可能是最深刻的物理定律之一,所以今天我们就来着重的讲一讲不确定性原理。

在讲解不确定性原理之前,我们可以先来思考这样一个问题:什么是存在?

可能有些人会感觉这个问题很抽象,存在是一个很深刻的哲学概念,在20世纪初,西方还产生了一门专门研究存在概念的哲学:存在主义,不过,存在的哲学意义并不是我们这篇文章讨论的重点。

简单来说,如果想要证明某件事物的存在,那么这件事物就必须能够被感知,如果我们想要证明苹果存在,那么我们可以去苹果树上摘几个苹果,如果我们想要证明西方哲学的存在主义存在,那么我们就要去图书馆或者互联网上找存在主义的文献,只有能够被感知的事物才是存在的,无法被证明、无法被感知的事物,我们也就无法证明它的存在。

存在即被感知,这原本是一个哲学问题,不过在20世纪初,这一哲学概念也渐渐渗入到了物理学的范畴,准确来说是渗入到了微观物理学、也就是量子力学的范畴中,于是便产生了物理学的存在主义,或者说物理学的实证主义,量子力学哥本哈根学派第三号人物海森堡提出的不确定性原理为物理学的存在主义或者实证主义开辟了一条全新的航线。

物理学的实证主义是什么呢?

简单来说,物理学的实证主义认为:只有能够测量的物理量才是存在的,只有能够测量的物理量才是有意义的,不能测量的物理量是没有实际的物理意义的。

什么是不能测量的物理量?

像温度、质量、速度这些物理量,是很容易测量的,什么物理量是不能测量的呢?例如在原子内电子运动的轨道,为何说电子运动的轨道是不能测量的呢?

因为物理学家并不是通过测量的方式,发现了电子运动存在轨道,而是物理学家通过原子内电子跃迁行为产生的光谱而推导出的电子运动存在轨道,举个例子:牛顿发现了万有引力,并不是牛顿真正的测量到了万有引力,而是观察苹果的自由落体运动推导得出的。

实证主义和不确定性原理又有什么关系呢?

海森堡认为:有一些物理量不对易、不满足交换律的,也就是说测量的先后顺序会影响物理量的准确性。

例如:我们想要测量一颗子弹在某一时刻t的位置与动量(动量=质量×速度),子弹的质量是已知的,所以我们仅测量子弹的速度就可以得出子弹的动量,对于子弹在时间t的位置与动量,其实是不难测量的,有很多种方法,这里就不过多的介绍了。

但是如果说:先测量子弹的位置会影响子弹的动量,或者说先测量子弹的动量会影响子弹的位置,可能很会人就不认同的。

速度与动量的准确度,为何会受到测量行为先后顺序的影响呢?难道调换一下两个物理量的顺序就会影响速度与动量的测量数值?这是很多人无法理解的地方。

如果真的有好奇的观众可能会去做实验,来验证这个论断的正确性,那么就会更加有趣了,如果真的有人做了这个实验,那么得到的结果一定是:测量行为先后顺序不会影响速度与动量的准确度,这个测量实验不论是做一次、十次、还是一百次,得出了结果都是:测量行为先后顺序不会影响速度与动量的准确度,难道是海森堡的不确定原理错了吗?

其实不然,在文章的开头,我们就已经提到了海森堡的不确定性原理主要体现在微观领域,作用或者明显作用在于微观粒子,我们上面实验中提到的子弹与微观粒子相比实在是太大了,若沧海之一粟,所以在宏观世界我们以子弹为例做实验,是无法证明不确定性存在的。

但要解释一下,宏观事物不能证明不确定性的存在,并不是意味着不确定性原理对于宏观世界不起作用,而是由于宏观事物与微观粒子的巨大差距,导致不确定性原理造成的测量差异在宏观事情上体现的微乎其微,基本等于零。

那么不确定性究竟是如何体现在微观粒子身上的呢?

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