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?

2021-01-20 宇宙探索

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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6.62607015×10^（-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。

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。

有了上面的解釋，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。

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