在量子力学里,不确定性原理(Uncertainty Principle,原先译作测不准原理)表明,粒子的位置与动量不可同时被确定,位置的不确定性越小,则动量的不确定性越大,反之亦然。对于不同的案例,不确定性的内涵也不一样,它可以是观察者对于某种数量的信息的缺乏程度,也可以是对于某种数量的测量误差大小,或者是一个系综的类似制备的系统所具有的统计学扩散数值。
经常听到小伙伴们反馈说,物理学文章里面的每个字都懂,但是合在一起就是不明白到底说了什么意思。什么叫做位置与动量不能同时被确定?简单理解就是:你对一个量子的速度越确定,那么同时,你对该量子的位置就越不确定。反之亦然。总之,你是不可能同时知道粒子的速度和位置的。但是这非常违反我们日常生活中的经验和直觉,怎么知道了一个就不能知道另一个呢?在经典物理学中我们就是可以知道一辆车在某一刻的位置信息和速度信息的呀。那么请看下面一个例子。
左:如果现在位置很确定则未来方向不确定;右:未来运动方向确定则现在位置不确定
比如上面这张图我们用一个拍摄手法来比喻,假如我用非常高精度的快门拍一个高速运动的乒乓球,由于快门太快太准确,所以乒乓球拍的非常清晰,结果就是我们压根不知道这个小球的飞行方向以及运动到底有多快;反之,如果用一个很慢的快门来拍摄,小球的运动就会有很多的残影,我们马上就会看到小球运动非常快以及运动的方向性,但是对小球在此时此刻的位置反而不那么确定了。
维尔纳·海森堡于1927年发表论文《论量子理论运动学与力学的物理内涵》给出这原理的原本启发式论述,希望能够成功地定性分析与表述简单量子实验的物理性质。这原理又称为“海森堡不确定性原理”。同年稍后,厄尔·肯纳德严格地数学表述出位置与动量的不确定性关系式。两年后,霍华德·罗伯森又将肯纳德的关系式加以推广。
类似的不确定性关系式也存在于能量和时间、角动量和角度等物理量之间。由于不确定性原理是量子力学的基要理论,很多一般实验都时常会涉及到关于它的一些问题。有些实验会特别检验这原理或类似的原理。例如,检验发生于超导系统或量子光学系统的“数字-相位不确定性原理”。对于不确定性原理的相关研究可以用来发展引力波干涉仪所需要的低噪声科技。
关于不确定性原理的延伸还有一个比较诡异的特性,比如,一个粒子可以同时出现在好几个地方,是的你没看错,的确是同时出现在好几个地方。关于这一点的确不好理解,但是,结合我们之前说的波粒二象性和双缝实验的文章,粒子在统计学上来看的话可以被看作是概率波,在被观测行为干扰前该粒子实际上是以波的形式存在,同时经过了双缝,并形成干涉波,此时的粒子就是同时出现在好几个地方的极好范例。
另外请注意是不确定性原理而不要说成是测不准原理哦,因为测不准是指观测得不准确(言外之意只要观测的精确就可以避免不确定性),而不确定性是指粒子压根就不可能被精确定位的。这又涉及到什么叫做精确的理解。这个世界上从来只存在相对的精确,而从来都不存在绝对的精确(比如数学上你永远可以精确到小数点后多少位,这个数位可以是无限的)。当然这个问题我们以后有机会还可以展开讨论。好啦关于不确定性原理今天就说到这里,喜欢本文的小伙伴请点赞分享关注哦,下期再见。
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