關於不確定性原理,海森堡錯了嗎?

2020-12-16 中科院物理所

1.

在量子力學中，「不確定性」是一個高頻出現的詞彙。有觀點認為，不確定性的意思是這個世界具有某種我們無法確定的東西。但多數物理學家認為，不確定性是自然本身的一種固有性質。

固有的不確定性是現代量子力學的創始人之一海森堡的一個核心思想。他提出的不確定性原理表明，我們不可能同時知道一個粒子的所有性質。例如，測量粒子的位置能讓我們得知它的位置，但這種測量必然會干擾它的速度，且幹擾的程度與位置測量的精度成反比。

海森堡利用不確定性原理解釋了測量會如何破壞量子力學的經典特徵，我們熟知的雙縫幹涉就是一個例子。

2.

在量子力學裡，雙縫實驗是一種演示量子粒子（如光子、電子等）的波粒二象性的典型實驗。實驗的設置中會有一個帶有兩個狹縫的屏障，量子粒子被發射到屏障上，穿過狹縫，在距離屏障的遠處所放置的屏幕上生成幹涉圖樣。我們不知道粒子通過的是哪一個狹縫，它的行為就好像它同時通過了兩個狹縫，所以形成了幹涉圖樣。

○ 粒子同時通過兩個狹縫，在遠場的屏幕上形成幹涉圖樣。| 圖片來源：Wikimedia

但是如果我們在屏障附近放置一個可以進行位置測量的裝置，用以識別粒子穿過的是這兩個狹縫中的哪一個，那麼我們還能看到幹涉圖樣嗎？

我們知道答案是否定的，一旦我們得知粒子穿過的是哪個縫隙（粒子屬性），那麼屏幕上的幹涉圖樣（波屬性）就會被破壞。海森堡的解釋是，如果我們能通過位置測量來足夠清楚地了解粒子是從哪個縫隙穿過的，就會給速度帶來一個隨機的幹擾。我們對它穿過哪個縫隙的信息掌握得越清楚，幹涉條紋的可見度就會越低。

然而長期以來，關於這種位置測量是否是通過幹擾粒子的動量（速度）而使得幹涉圖樣消失的，一直是物理學家爭論的問題。量子物理學家認為，我們並不需要進行這樣的位置測量來找出粒子穿過的是哪個狹縫。對任何依賴於粒子穿過了哪個狹縫才能給出測量結果的測量，都可以做到這一點。因此，有量子物理學家認為，能解釋幹涉圖樣消失的不是海森堡的不確定性原理，而是某些其他的機制。

3.

早在上世紀90年代初，就有量子物理學家對這個問題進行過實驗論證。1991年，Scully、Englert和Walther（SEW）幾位物理學家證明，他們可以在不明顯幹擾粒子動量的情況下，以相當精確的位置測量來識別一個粒子通過了雙縫實驗中的哪一個狹縫。難道海森堡錯了嗎？

到了1994年，Storey、Tan、Collett、和Walls（STCW）提出了一種一般形式，得到了與SEW相反的結論。STCW表明，探測到粒子穿過的是哪個狹縫這一信息，必然會涉及到粒子的一些動量傳遞。

隨後，物理學家Wiseman和Harrison通過仔細分析後解決了這個矛盾，在一篇發表於1995年的論文中，他們指出SEW和STCW分別使用了不同的動量傳遞概念——一個是「經典」的，一個是「量子」的，也就是說，這兩種結論實際上是互補的。

在一篇新發表於《科學進展》的論文中，中國科學技術大學幾位學者肖芽、許金時、李傳峰以及郭光燦，與Wiseman和Kedem一起，通過重建單光子在雙縫實驗中的軌跡，得到了動量傳遞的分布。簡單來說，他們從兩個狹縫中的許多不同起點來重建光子的運動，然後比較沒有測量裝置和有測量裝置情況下速度隨時間的變化，從而確定了由測量引起的速度變化。

他們發現，速度的變化不是在測量光子通過了哪個縫隙時出現的，而是被推遲到粒子穿過狹縫之後，在通往屏幕的傳播過程中出現了累積的速度變化。這是為什麼？答案是，因為光子不僅僅是粒子，它們也是波。他們進一步地確認了幹涉圖樣的消失與後期的總動量幹擾之間的關係，確定了粒子的速度所受到的幹擾大小與海森堡的不確定性原理預測的一致。

實驗表明，測量對粒子速度的影響會在粒子離開測量裝置之後的很長一段時間內持續，最遠可達5米。在遠處的時候，累積的速度變化就已經足夠大，足以破壞掉幹涉圖樣中的波紋。

如此來看，海森堡的不確定性原理取得了勝利。

參考連結：

[1] https://advances.sciencemag.org/content/5/6/eaav9547

[2] https://theconversation.com/quantum-physics-experiment-shows-heisenberg-was-right-about-uncertainty-in-a-certain-sense-118456

來源：原理

編輯：Quanta Yuan

近期熱門文章Top10

↓ 點擊標題即可查看 ↓

1. 我家在地震帶上，你家呢？

2. 自然常數e到底自然在哪？

3.華為的5G技術，源於這種數學方法

4. 為什麼在跑道上要沿逆時針方向跑步？| No.155

5. 蒼蠅落在食物上會發生什麼？讓我們說的仔細一點

6.仙童傳奇

7.90後學術論文致謝自救指南

8. 你看的每一篇Nature論文，都是這樣出爐的！

9. 硬核預警：量子力學的九種形式

10.為什麼手指能滑動手機屏幕，手指甲卻不能？| No.156

相關焦點

  • 不確定性原理的詮釋問題
    在量子力學的發展史上，人們往往把1927年作為量子力學革命的終結：這一年的三月，海森堡提出了不確定性原理；同年九月，玻爾則提出了互補性原理。
  • 不確定性原理的前世今生
    第一個從數學上證明不確定性原理的物理學家是 E. Kennard。他在 1927 年證明了文章開頭所描述的定理，指出 Δx 和 Δp 的數學意義其實是方差。這種解釋很快就成了海森堡不確定性原理的標準數學表達，海森堡本人 1930 年在芝加哥所做的演講中也使用了這種數學推導來佐證他的立論。
  • 海森堡的測不準原理
    月，年輕的海森堡（Werner Heisenberg）發展出了量子理論中的一個主要關鍵——測不準原理，涵義極為深遠。 雖然其他的科學家也許覺得波動的方法比較容易使用，但海森堡的矩陣力學卻很自然地讓他發展出了測不準原理，也因此聲名大噪。在矩陣數學中，並非都會是 a×b＝b×a，對於不可交換的變量組，例如位置和動量，或是能量和時間，就會產生不確定的關係。海森堡還做了一個思考性的實驗，他設想以γ射線顯微鏡來測量電子的位置。
  • 傅立葉變換和不確定性原理
    基本上，凡是刻劃一個信號不能在時空域和頻域上同時過於集中的命題都可以稱為不確定性原理，由於這裡「集中」這一性質可以有不同的數學描述，也就對應著不同的數學定理。但是在所有冠以「不確定性原理」之名的定理中，最著名的當然是海森堡 (W. Heisenberg) 在 1927 年所提出的影響物理學發展至深的那個版本。
  • 最深刻的物理定律之一:量子力學的不確定性原理究竟是什麼?
    大家好，今天主要和大家聊一聊物理學家海森堡提出的不確定性原理，不確定性原理是量子力學中的一個物理定律，但是由於不確定性原理與我們的常識認知有些相悖，所以不確定性並不是很好理解的，很多人、也包括像愛因斯坦這樣偉大的物理學家一時間都很難認同它，但是不確定性原理卻並沒有因為質疑而湮滅，反而成為了是物理學上可能是最深刻的物理定律之一
  • 不確定性原理和薛丁格的貓與「觀察者效用」之間有什麼聯繫嗎?
    對於量子力學的不確定性原理在大多人的印象中都是很難理解的，並且時常會和「觀察者效應」等價起來。不確定性原理最早由海森堡提出，在微觀量子領域我們要想同時知道一個量子的位置和速度是不可能的，量子領域最重要的兩個字是「概率」，不能說一個粒子確定的在某個位置，只能說在某些位置的概率有多大。海森堡最初提出不確定性原理的時候更多強調的就是觀察者效用，因為我們在測量某些東西的時候會不可避免的擾動它，從而影響這個被測量物體的狀態。
  • 夜裡想起海森堡
    我大概看到海森堡做萊比錫大學的理論物理教授後就不看了。其實當時看完他提出不確定性原理之後就不大想再看了，覺得他最重要的貢獻已經完成了，後面應該沒什麼好看的。那時書中令我印象深刻的第一點就是關於哥廷根大學當時活躍，濃厚的學術氣氛及其令人仰止的從高斯，狄利克雷，黎曼，克萊因到希爾伯特的偉大數學傳統。
  • 海森堡一思考,物理學家全瘋掉
    維納.海森堡這種不確定性的背後是量子物理中最著名的原理之一：海森堡不確定性原理（Heisenberg's uncertainty principle）。這是表述海森堡不確定性原理最常見的數學形式，兩個不確定度的乘積不能小於一個確定值。海森堡自己想通過以下的思想實驗來理解不確定性原理。假設你想確定一個電子的位置，你需要用顯微鏡觀察電子反射的光子。顯微鏡的精度被光的波長所限制——波長越短顯微鏡可以達到的精度越高。海森堡提出使用波長非常短的伽馬射線來觀測電子。
  • 鬼魅般的超距作用——揭開海森堡「測不準原理」的神秘面紗
    量子力學的靈魂海森堡測不準原理是量子世界的救世主。如果不是在量子力學中，量子力學在它開始之前就已經崩潰了。根據海森堡說法，你不可能同時知道一個粒子的位置和它的速度，粒子位置的不確定性，必然大於或等於普朗克常數除以4π（ΔxΔp≥h/4π）。
  • 了解量子的不確定性原理,它不是因為我們儀器不夠精確!
    不光如此，一位科學巨人海森堡發現，我們連完全確定電子的初始狀態，這一點也是做不到的。海森堡在研究量子力學的過程當中，使用了一種很不常見的數學方法，通過推導之後，他發現了一個奇怪的方程。海森堡被這個方程困擾了很長一段時間，一直不明白這背後究竟有什麼物理意義。直到有一天海森堡突然醍醐灌頂，做出了一個特別大膽的猜測，他覺得這代表著如果我們先觀測電子的速度，就會影響電子的位置。反過來，如果先觀測電子的位置，也會影響電子的速度。
  • 海森堡「測不準」原理-最精密的數學推導出的唯心主義
    你測得的數據是多少，石頭的「客觀重量」就是多少。但量子世界就不同了，我們已經看到，我們測量的對象都是如此微小，以致我們的介入對其產生了致命的幹預。我們本身的擾動使得我們的測量中充滿了不確定性，從原則上都無法克服。採取不同的手段，往往會得到不同的答案，它們隨著不確定性原理搖搖擺擺，你根本不能說有一個客觀確定的答案在那裡。
  • 1927 年 2 月:海森堡的測不準原理∣​歷史上的今天
    1927年2 月，年輕的海森堡提出了量子理論中的一個重要原理——測不準原理，涵義極為深遠。
  • 海森堡之謎—20世紀科學史上最大的謎題!海森堡真的計算錯誤了嗎
    索末菲教授精通原子理論，引導海森堡進入了新興的量子論最前沿領域。1922年冬，索末菲帶著海森堡來到哥廷根大學聆聽物理學大師尼爾斯·玻爾關於原子結構的系列講座。年輕的海森堡給玻爾留下了深刻印象，兩人的師生友誼也從此開始。
  • 德國物理學家:沃納·海森堡
    與愛因斯坦受普朗克的量子理論的啟發而提出了光量子假設一樣，海森堡也是得益於愛因斯坦的相對論的思路而於1925年創立起了矩陣力學，並提出不確定性原理及矩陣理論。 [2]  量子力學是人們研究微觀世界必不可少的有力工具。由於對量子理論的新貢獻，他於1932年獲得了諾貝爾物理學獎。海森堡還完成了核反應堆理論。由於他取得的上述巨大成就，使他成了20世紀最重要的理論物理和原子物理學家。
  • 海森堡測不準原理,指的是用光測不準粒子,但並非指其他方法都測不準,是這樣嗎?
    (宇宙探索QQ群：1145693748）海森堡測不準原理
  • 不確定性原理,科學與宗教的又一次交匯和碰撞
    篇幅有限，今天先從不確定性原理引發的科學與宗教的碰撞談起。什麼是不確定性原理個人以為不確定性原理可以這樣去理解。在這裡，科學和神學的最終目的沒有什麼本質上的不同，都是為了降低不確定性。科學對於不確定性原理的理解可能很多人都跟我一樣，聽說或者是知道不確定性原理都是從量子力學的不確定性原理中了解到的。
  • 中國科大實驗驗證新形式的海森堡不確定原理
    近日，中國科學技術大學郭光燦院士領導的中科院量子信息重點實驗室實驗驗證了新形式的海森堡不確定關係。李傳鋒博士研究組完成的實驗表明，在待測粒子的「量子信息」事先被存儲的情況下，「經典」的不確定關係能夠被違背。
  • 2.1 測不準原理!
    海森堡以他的研究不斷推動現代物理向前發展。海森堡對物理學的主要貢獻是給出了量子力學的矩陣形式（矩陣力學），在1927年提出了「測不準原理」和S矩陣理論等；《量子論的物理學基礎》是量子力學領域的一部經典著作；在美國學者麥克·哈特所著的《影響人類歷史進程的100名人排行榜》中名列第43位。
  • 大家囧事: 海森堡差點掛掉的博士答辯
    課題源於索末菲早先和一家公司的合作項目，最終目的是為流經慕尼黑的伊薩爾河開渠挖道。海森堡的問題在於確定平滑的層流轉變為渦流的精確過程。這是一個極其困難的數學問題，海森堡只得到了一個近似解。索末菲曾經表示：「這問題確實太難了，除了海森堡，我不會讓別的學生拿它作博士論文。」慕尼黑大學接受了這篇論文，維恩也將它發在了自己擔任編輯的物理學期刊上。
  • 建矩陣力學奠基新量子論 不確定原理顛覆經典概念
    又過了9年，海森堡進入慕尼黑大學攻讀物理，拜於上一節中介紹的「大師之師」索末菲門下。後來，海森堡前往哥廷根大學，在玻恩和希爾伯特的指導下學習物理。1923年，海森堡完成博士論文《關於流體流動的穩定和湍流》，獲得博士學位後，便被玻恩私人出資聘請為哥廷根大學的助教。