解释者:海森堡的不确定性原则 2018-10-26 12:06:03

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“不确定性原则”这个术语暗示了一些宏大的哲学观念,比如“你永远无法确定任何东西”,或者“有些东西是你永远无法确定的”,有时人们会使用它,好像这就是它的含义

德国理论物理学家Werner Heisenberg在1927年发现的这一原理具有精确的技术含义,通常只与微观粒子有关但它确实对我们如何理解宇宙及其与宇宙的关系以及21世纪的新技术有着重要意义

世纪虽然海森堡不确定性原则(HUP)并不意味着“有些东西你永远无法确定”,但它确实意味着“你永远无法确定一切”这怎么可能

如果你永远不能确定一切,那是不是意味着有一些你永远无法确定的事情

令人惊讶的是,没有在科学中我们最终关注的是我们观察到的东西所以当我们说我们不确定某些事情时,我们的意思是我们不确定我们在做实验时会观察到什么当然,如果我们能够生活将是非常无聊的我总是预测接下来会发生什么,但是几个世纪以来科学家们梦想他们能够做到这一点HUP以一种非常有趣的方式杀死了这个梦想HUP最简单的例子如下:你永远无法确定两者位置和微观粒子的速度有可能安排一个实验,以便你可以预测粒子的位置不同的实验可以让你预测它的速度但是你将永远无法安排事情,这样你就可以确定它的位置和速度你可能会在这一点上下跳跃并说“这太荒谬如果我想要知道我只是同时测量它们或者我首先测量位置,然后是速度事实上,这些选项都不会起作用,而且它们的其他形式是HUP本身的其他形式

在第一种情况下,HUP表示不可能以完美的准确度同时测量位置和速度

第二种情况,有一个HUP说,如果你准确地测量位置,你会打扰它的速度,使它更加不确定,反之亦然所以你无法解决它在进入细节之前,有一点需要明确的是海森堡的“不确定性”原则“根本不是一个原则A”原则“,在科学和日常生活中,是一个基本的简单概念,可以从中得出各种其他的东西,例如自由原则,或公平原则海森堡的原则不是那样的 - 它实际上是更基本的东西的结果那东西是量子力学,一种适用于所有形式的物质和能量的理论(据我们所知)不幸的是,虽然量子m机制似乎是基本的,它并不简单,因此不能作为原则封装但是从它遵循所有形式的HUP对于前面给出的例子,海森堡的原理可以精确地表述为:(1)ΔqxΔv>ħ/ m这里Δq是粒子位置的不确定性(以米为单位),Δv是其速度的不确定性(以米为单位),m是以kg为单位的质量,而ħ是常数(普朗克常数除以2 * pi) )注意,两个不确定性在等式(1)中相乘,结果必须大于某个数

这意味着,尽管Δq可以像你想的那样小,只要Δv足够大,反之亦然,因此,宽松形式的HUP(“你永远无法确定一切”)是普朗克常数不为零的事实的结果但普朗克常数非常小在这里使用的单位中,ħ≈10 -34;那就是000 ... 001,这里应该有34个零点这个小小就是为什么我们不必担心日常生活中的HUP你可能听说过一个被一个警察拦住的女人的轶事:“我当你在40公里/小时的学校区域时,你的速度测量为539公里/小时“她反驳:”你熟悉海森堡的不确定性原理吗

如果你对我的速度如此肯定,你就不可能知道我的车在哪里“这是一个可爱的笑话,但让我们看看HUP实际说的是什么当警察说速度测量为539公里/小时时,他可能只是意味着它接近539而不是538或540这意味着大约005公里/小时的不确定性,大约是001米/秒 如果汽车质量为1,000千克,那么HUP意味着:Δq>ħ/(mxΔv)≈10-35/(1000x001)= 10-36米因此,HUP隐含的汽车位置的最小不确定性是比原子大小小很多所以当涉及到汽车是否在学校区域的问题时,这显然无关紧要虽然HUP没有太多关于超速罚单的说法,但它无处不在

原子和亚原子粒子的比例电子的质量极小(m≈10-30kg),因此等式(1)右侧的ħ/m≈10-5不再小得可笑实际上,一些涉及原子核周围电子运动的简单论证让我们得出原子的近似大小,因为HUP暗示的最小Δq≈10-10米HUP以一种或另一种形式是有用的原则在几乎每个科学领域都处理非常少量的物质或能量因为量子力学是一个基础几乎所有现代技术,HUP遍布各地它它也在21世纪的量子技术中起着更直接的作用,现在正在开发量子技术Quantum通信允许发送任何不可攻击的编码消息计算机这是可能的,因为消息是由称为光子的微小光粒子携带的

如果窃听者试图读出传输中的信息,他们将通过干扰发现它们的测量对粒子的影响是HUP HUP的必然结果

也提出了令人着迷和困难的哲学问题最明显的问题是:这种不确定性的原因是什么

在日常生活中,我们可能不确定母球是否会最终进入顶部口袋,因为我们不确定它的速度或位置但我们不会怀疑球的速度和位置在量子实验的制度中,相比之下,我们不确定实验的结果,因为粒子本身是不确定的,它没有位置或速度,直到我们测量它或海森堡认为,大多数物理学家仍然遵循这一点但是,其他人强烈不同意这个结论,辩论是没有结束 - 这是肯定的

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