量子力学诡异的测不准原理:人类不可能同时测量物质的速度与位置

时间:2019-08-03 08:00:01 来源:滁州在线 当前位置:我以为终有一天 > 运势 > 手机阅读

量子讲堂第七期:在量子力学中有一个十分有趣的原理:不确定性原理,即人类不可能同时测量出一个粒子的速度与位置,不确定性原理原本是由著名物理学家海森堡提出的,但是中文翻译却把不确定性原理翻译成了另外一个更加有趣的名字:测不准原理。

量子力学诡异的测不准原理:人类不可能同时测量物质的速度与位置

在微观量子世界中,一切的微观粒子在没有被观测之前都处于叠加态之中,也就意味着没有被观测过的微观粒子可能处于任何一个位置,拥有无数种可能性,而且即使在人类的观测行为之下,我们也不可能同时测量出一个微观粒子的速度与位置,这又是怎么回事呢?

不可能同时测量出一个微观粒子的速度与位置,这个定论如果放到宏观世界来理解的话简直就是滑天下之大稽,举一个简单的例子:将一个皮球向天空抛去,我们就可以根据使用仪器实时测量皮球的速度与位置,甚至我们都可以不用仪器,物理学家通过皮球质量、皮球初始速度、加速度、空气阻力、重力等数据也可以推算出皮球的速度与位置,这是在宏观世界再简单不过的事情,为何在微观量子世界就变成了永远不可能呢?

量子力学诡异的测不准原理:人类不可能同时测量物质的速度与位置

物理学家海森堡曾经拿一个电子为例子:如果我们想要测量皮球的速度与位置,那么就需要仪器观测它,也就是说测量的仪器需要直接或者间接的接触皮球,同理,如果我们想要得到电子在某一时刻的速度与位置,那么我们也需要去接触这个电子,也就是说测量电子速度与位置的过程应该是一个光子从仪器中出发,撞击到电子后反射到人的眼睛当中,那么问题就来了,如果是测量皮球这样的物体,那么光子与皮球就好比一粒灰尘落在人的身体上,根本毫无感觉,这个时候因光子而对测量结果产生的干扰就可以忽略不计,但是如果测量电子这种微观粒子的速度与位置,电子这种粒子是极小、极轻的,电子小到光子的撞击都会对电子的运动造成巨大的影响。

量子力学诡异的测不准原理:人类不可能同时测量物质的速度与位置

如果我们想要测量一个电子的位置,那么无数光子就会狠狠的撞击这个电子,这就会改变电子的运动速度,反之也是一个道理,如果我们想要测量一个电子的速度,那么这种行为会改变电子的位置,总之,我们越是想最精准的测量其中一个物理量,这就会导致另一个物理量变得越来越模糊,如果我们要了解一个电子速度的全部信息,那么我们就会丧失电子位置的全部信息,用中国的一句古话来总结就是:鱼和熊掌不可兼得。

量子力学诡异的测不准原理:人类不可能同时测量物质的速度与位置

于是,物理学家海森堡结合微观量子世界的这种特性,将微观粒子的这种不确定性使用数学的方式表达出来,即△q△p≥ħ/2(ħ=h/2π),△q△p分别指测量速度与测量位置的误差,h指的是普朗克常数。

量子力学诡异的测不准原理:人类不可能同时测量物质的速度与位置

海森堡的不确定性提出之后,立即遭到了很多物理学家的反对,因为物理学家们不愿因相信这个世界是人类无论通过任何手段都无法确定的,反对不确定性的物理学家认为:虽然以人类现在的科技水平无法制造出可以观察单电子运动的仪器,但这并不代表在未来的几百年内人类也无法制造出这种仪器,但是海森堡反驳道:这并不是科技水平的问题,从理论、从逻辑上这个问题就是讲不通的,而不是实验结果带来的误差,人类永远无法同时准确的测量出物质的速度与位置,就像人类无法制造出永动机一样,这种测不准原理一切微观世界都适用,但是测不准原理在相较于微观粒子质量、体积无比巨大的宏观世界就可以忽略不计了。

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