量子力學中的測不準原理,是儀器本身測不準,還是其他原因?

2021-02-15 宇宙探索

測不準原理,這幾個字其實很容易讓人產生誤解,會誤認為是「測量不準,而不是真的不準」,但事實並不是這樣的,測不準原理其實應該叫「不確定性」更為嚴謹!

海森堡測不準原理,並不是方法的問題,也不是測量儀器的問題,是自然現象內稟性的問題。它表達的是一種自然規則,之所以到今天還是有很多人,在爭論是不是儀器的問題導致的,是因為大量的科普者為了大家好理解,往往都只停留在文字上解讀這個原理,但人類的語言總是會給人帶來歧義,而且量子力學又如此的反常識,所以就更容易造成各種誤解。

而要把海森堡測不準原理或者說「量子不確定性原理」講明白,其實圍繞兩個簡單點的數學公式來說更合適。

ΔxΔp≥h/4π

Δx:位置的變化值;Δp:動量的變化值;h:普朗克常數;π:圓周率。

量子的動量與位置無法同時確定,即動量越確定,位置就越不確定;位置越確定,動量就越不確定。這是我們常聽到的關於「量子不確定性原理」的大概文字描述,也是對上面數學公式的語言翻譯。

這個翻譯本來沒錯,但問題是它只能說出「位置」與「動量」此消彼長的關係,但無法說出導致這結果的內核原因,即≥h/4π ,這就造成人們僅從字面上理解會形成各種猜想。

但只要我們看著這個不等式,再來理解這句話就清晰多了。普朗克常數h和圓周率π都是一個定值,而且普朗克常數h很小很小,只有6.62

607015×10^(-34) J·s。

在宏觀世界中的一切運

動,Δx與

Δp都比較大,所以這個不等式怎麼都成立。然而在微觀世界中,Δx與Δp就會變得很小,它們相互之間就會產生限制了。比如只要Δx足夠小(位置確定),Δp就必須變得足夠大,即動量不確定,而Δp足夠小(動量確定),Δx就必須變得足夠大,即位置不確定。

這個數學公式不涉及任何觀察儀器和方法等等,它代表著物質運動的一種自然規律。

除了上面的位置和動量的公式,其實還有其他「不確定性」,比如說能量和時間的不確定性:

ΔEΔt≥h/4π

ΔE:能量的變化值;Δt:時間的變化值;h:普朗克常數;π:圓周率。

有了位置動量不確定性的解釋,這個公式的意義,大家可能一眼就明白了。只是這裡的變量從「動量」與「位置」變成了「能量」與「時間」。

而這個不等式才是「量子不確定性原理」的最大奧義,我們認為不可思議的「量子隧穿效應」「真空漲落」都可以用它推導出來。當Δt足夠小,ΔE可以變得很大,正因為如此,能量小的微粒子,才有可能在瞬間獲得能量擊穿高勢壘的屏蔽,也就是我們所說的「量子隧穿效應」。

而在宏觀世界,你要從一座山的這一頭到山的另一頭,你必須先爬上山,再從山上走下去,這過程你必須消耗足夠的能量來克服爬山產生的勢能,山越高需要克服的勢能就越大,這就是「勢壘」。而在量子的世界裡,只要量子在Δt內能到達另一頭,就可以先借能量,克服勢壘後,再把能量換回去。

簡單來說在宏觀世界,你必須擁有一定能量才可能爬過山去另一頭;而在微觀世界,量子可以在限定的時間內從真空借能量,穿過山一樣的勢壘後,再還回去。但這是概率性的,勢壘越低概率就越高,反之亦然。

隧穿效應:經典力學中由於能量不足無法穿過的勢壘牆,在量子力學中有一定概率穿過。

進一步來說,在真空中極端時間內,可以憑空提取能量生成正負虛粒子對,再相互湮滅返還能量,而且這一過程在真空中反覆進行,哪怕是在原子內(電子與原子核之間是很空的)亦然如此,這就是「真空量子漲落」。只是這種真空中反覆進行的量子漲落產生的能量很微弱。似乎對於真空來說,只要「有借有還,再借就不難」。

基於這一思考,於是1980年就有個叫阿蘭·古斯的美國物理學家,提出了「真空量子漲落」的升級版「宇宙無中生有」。其實邏輯也很簡單,就是當Δt無限小的時候,ΔE就可能無限大,大到形成「宇宙大爆炸」的能量,只是要出現這種情況的概率很小很小很小,需要等上很長很長很長的時間才可能發生一次,然而宇宙誕生前可以說沒有時間概念,所以發生這樣的宇宙量子大爆炸,也就是註定的事了。

總結

測不準原理絕不是什麼觀測手段,或人類意識的問題造成的。測不準所代表的不確定,其實給宇宙預留了一個無限可能的未來,而生命就誕生在這樣的未來之中。

但在宏觀世界裡,可能只有像宇宙這樣近乎永恆的存在,才能感知到這一點。而對於每一個轉瞬即逝的生命體來說,理解不了也無可厚非。

這一原理揭示的最重要思想是,萬物都是不確定的,只是每種物質的不確定對應的時間尺度不一樣。宏觀物體要表現為不確定,需要的時間是極其漫長的,所以你一輩子都體驗不到,但微觀粒子對應的時間尺度就大大減小了,所以會表現出明顯的不確定。

所以,上帝確實要擲骰子。只是在微觀世界裡,這骰子才會變得足夠輕,上帝才擲得動;而在宏觀世界裡,這骰子只會變得巨重無比,連上帝也擲不動了。

相對論和量子力學是現代物理學大廈的兩大基石,這裡向大家推薦兩本科普書籍:《狹義與廣義相對論淺說》(彩圖珍藏版)和《從零開始讀懂量子力學》,北京大學出版社出版,深入淺出地詮釋了相對論和量子力學的前世今生,通俗易懂,需要的夥伴可以點擊下方連結購買:

相關焦點

  • 量子力學與測不準原理
    量子力學與測不準原理
  • 量子力學的測不準原理是個啥?通俗的給你解釋一遍!
    接觸過量子力學的人都知道,量子力學中有一個怪異的現象,那就是測不準原理。
  • 「測不準原理」的三種類型
    、物自體的「不確定性原理」;第三種是認識論和客觀論相互關係的「測不準原理」。現代的量子力學用複雜的數學語言進行描述,除去量子力學的現代數學符號形式,量子力學則是一門最接近哲學意境的科學,正因為量子力學領域充滿了玄妙的哲學思辨,我們有時難以分辨科學家究竟是在討論量子力學?還是在爭辯量子哲學?量子力學深奧無比,完全掌握的人寥寥無幾,主要的原因是它使用了最複雜的數學語言,次要的原因是它應用了最前沿的哲學思維。
  • 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。 薛丁格波函數的絕對值平方很快地被解釋為在某種狀態中找到粒子的機率,而他也很快地證明了他的波動表述方式和海森堡的矩陣方法在數學上是相等的,因此他的方法更受歡迎,一部分是因為相較於一般不熟悉的矩陣數學,物理學家還是比較習慣使用描述波動的數學。海森堡因他自己的矩陣方法不受歡迎而被惹惱,尤其因為當時老一輩的科學家正相繼退休,而他和其他年輕的科學家正開始在找他們的第一份教職,自己命運未卜。
  • 2.1 測不準原理!
    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。海森堡在創立矩陣力學時,仍然使用「坐標」、「速度」等詞彙,當然這些詞彙已經不再等同於經典理論中的意義。
  • 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
  • 量子思維與測不準原理
    量子思維則來源於海森堡的「測不準原理」和量子物理學。上個世紀初期,德國物理學家海森堡根據微觀粒子的特徵,提出了著名的「測不準原理」,即微觀粒子的「成對物理量」不可能同時具有確定的數值。例如,「位置」與「動量」、「方位角」與「動量矩」,二者之中,一個越確定,則另一個越不確定——即不可能有一種方法,同時把兩者都測定。
  • 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)。
  • 方法驗證異常情況分析: 定量限測不準原理
    --定量限測不準原理信噪比,顧名思義,就是組分響應信號與基線噪音的比值。我們都知道,液相色譜的響應值並不是一個固定值,會隨著儀器狀態(如氘燈能量)、不同品牌型號等差異導致響應信號不同;基線噪音也是如此,不同流動相、不同日期、不同儀器、不同類型檢測器、同一臺儀器不同狀態等都會導致噪音的值存在明顯的差異。
  • 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。
  • 量子力學筆記12---波動力學-測不準原理
    2.10 不確定性原理      現在來考查兩個算符不對易的情況。在上述討論中得知,如果算符 Aˆ 和 Bˆ 是不對易的,則它們不具有共同的本徵函數。這樣在 Aˆ 的本徵態中,力學量 B 不具有確定值;同樣在 Bˆ 的本徵態中,力學量 A 不具有確定值。
  • 致敬,測不準的你!
    海森堡測不準原理「海森堡測不準原理」(Uncertainty principle)是由德國著名物理學家、量子力學的主要創始人海森堡於1927年提出,這個理論是說,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(Planck constant)除於4π(ΔxΔp
  • 科學百科53期:海森堡的測不準原理是怎麼回事?
    ▼第五十三個問題:海森堡的測不準原理是怎麼回事?要解釋測不準的問題,我們先得問一問:什麼叫做測準了?現在我就可以爭辯說,這種相互作用總是會給你所力求測定的那種性質本身帶來一些變化。換句話說,在了解某種事物時會由於了解它那個動作本身而使那種事物發生改變,因此,歸根結蒂,你根本沒有精確地了解到這種事物。舉個例子吧,假定你想測量出澡盆裡熱水的溫度。於是,你把一根溫度計放入水中,對水的溫度進行測量。
  • 額溫計測額頭哪裡最準_額溫計不準的原因
    打開APP 額溫計測額頭哪裡最準_額溫計不準的原因 網絡整理 發表於 2020-02-27 09:15:07   額溫計測額頭哪裡最準   額溫計是目前兒科常用的體溫測量儀器,迅速通過紅外探測系統測量身體溫度,由於額溫計具有快速測量,非接觸測量,遠距測量,溫度報警等優良特性,大多數地區已經替代傳統的水銀體溫計,特別是測量哭鬧患兒體溫,可以做到快速、準確。
  • 愛因斯坦為什麼不承認量子力學的哥本哈根學派詮釋?
    愛因斯坦之所以不承認量子力學的哥本哈根詮釋,大概有如下幾點原因。
  • 血糖測不準,是血糖儀不好嗎?
    然而沒多久後馮大爺發現,他來醫院就診前,剛剛用血糖儀測過空腹血糖,還很標準。然而到醫院抽血測血糖,檢查結果卻比他在家自己測的要高。同樣的情況還不止一次,馮大爺很疑惑,難道自己買的是血糖儀不好?其實,不只是馮大爺有這樣的疑問,不少患者也同樣提出類似的問題。
  • 測不準原理有2種解釋,1種已被證偽!也許,真理不允許無限逼近
    從它一誕生以來,其成長過程中充滿了各種非議、爭論。尤其是量子力學的最基本出發點之一,測不準原理,不同的科學家有不同的解釋。愛因斯坦和波爾還就此展開世紀爭論,最終的結果就是Epr佯謬,導致量子糾纏被發現。
  • 在家測血壓到底準不準?醫生:注意這3點,測血壓更準確
    所以目前的主要矛盾已經轉化成了,如何在家庭中監測血壓?可是新的問題出現了,很多人都覺得在家測血壓並不準確,一定要去醫院測血壓才行,甚至很多患者寧願排隊花很多時間也要到醫院去測量一下血壓。那麼在家裡測血壓到底準不準呢?
  • 天冷紅外體溫計測不準咋辦?使用提示來了
    天冷紅外體溫計測不準咋辦?紅外體溫計是一種非接觸式測量人體溫度的儀器,通過吸收被測物體發出的紅外輻射來測量其溫度。它能夠非接觸防止交叉傳染、最快1秒快速測溫。它的樣子是這樣的↓↓↓重點內容來了,下面來看看如何正確使用紅外體溫計。(一)測溫探頭應保持清潔,設備電池電量充足。
  • 量子物理海森堡」測不準原理
    燒腦:基本粒子天生就有兩面性,這是人們對世界感到的困惑的原因之一。基本粒子擁有兩種非常不同的特徵。基本粒子有時呈現為粒子——在空間上確定的點,有時又呈現為波——分布在一定區域的能量。基本粒子的總體特性(稱為波包)包含兩種可能形態——粒子和波。這就是互補原理。用哲學術語來說,就是」統一的多樣性「。