關於不確定性原理,海森堡錯了嗎?

2020-12-03 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

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