【量子物理】海森堡不確定性原理經典解釋被實驗推翻!

2021-02-24 環球物理


導言：海森堡有時把測不準原理稱為進行測量的一個難題。他最著名的思想實驗是對一個電子拍照。為了拍攝照片，科學家可能要向電子的表面發射一顆光子。這會暴露電子的位置，但光子也會把能量傳遞給電子，使它發生位移。探測電子的位置會不確定地改變它的速率，而測量行為引發的不確定性足以讓這個原理成立。


和學生們所學的相反，旁觀者並不總能感覺到量子不確定性。一項新實驗證實，對一個量子系統的測量不一定會導致不確定性。研究推翻了大量關於量子世界為何如此不可知的解釋，但可探測的最小尺度的基本極限仍然不變。

海森堡測不準原理是量子力學的一塊基石。簡單地說，這個原理導致我們對量子世界的探索有一個基本的極限。例如，你越是確定某個粒子的位置，就越不能確定它的動量，反之亦然。這個極限被表述為一個方程，在數學上很容易證明。

海森堡有時把測不準原理稱為進行測量的一個難題。他最著名的思想實驗是對一個電子拍照。為了拍攝照片，科學家可能要向電子的表面發射一顆光子。這會暴露電子的位置，但光子也會把能量傳遞給電子，使它發生位移。探測電子的位置會不確定地改變它的速率，而測量行為引發的不確定性足以讓這個原理成立。


不確定性原理限制了我們對一個量子系統的了解，但結果的不確定性並不完全是測量行為導致的。

物理系學生在入門課上仍然在通過學習測量幹擾來理解測不準原理，但人們發現這不一定是對的。加拿大多倫多大學的艾弗瑞·斯坦恩博格（AephraimSteinberg）和他的團隊對光子進行了測量，發現測量行為引發的不確定性可能小於海森堡測不準原理的要求。不過，我們對光子性質的整體了解中包含的不確定性仍然高於海森堡原理的下限。

巧妙的測量

斯坦恩博格的團隊並沒有測量光子的位置和動量，而是兩個不相干的性質：光子的偏振狀態。在這種情況下，在一個面上的偏振本質上是和另一個面上的偏振狀態相互聯繫的，根據海森堡測不準原理，我們對這兩種狀態的確定了解有一個極限。

研究者「稍微」測量了光子在一個面上的偏振狀態，這種測量既不會干擾光子，又足以大致了解它的偏振方向。然後，他們測量了光子在另一個平面上的偏振狀態。最後，他們精確測量了光子在第一次測量的平面上的偏振狀態，看看它是否受到了第二次測量的幹擾。

多次進行實驗之後，研究者發現測量一個偏振狀態對另一個狀態造成的幹擾不一定像測不準原理預言那麼多。在最有利的情況下，幹擾是測不準原理所預言的一半。

斯坦恩博格說：別太激動——測不準原理還是對的。「最後，你還是無法同時準確得知兩種量子態。」但實驗顯示，測量行為不一定是導致結果不確定的原因。他說：「如果系統中本身就包含了很多不確定性，那測量結果的不確定性不一定全部是測量行為導致的。」

最新實驗第二次進行了小於不確定極限的測量。今年早些時候，奧地利的維也納科技大學的一位物理學家長谷川宇治（YujiHasegawa）測量了中子的自旋，結果的不確定性小於假設系統中所有的不確定性都由測量導致的預測結果。

但最新的研究成果最清晰地解釋了海森堡原理解釋的錯誤。澳大利亞布裡斯班的格裡菲斯大學的一位理論物理學家霍華德·維斯曼（HowardWiseman）說：「這是海森堡測量幹擾不確定原理的最直接的實驗證明。這很可能對教科書的作者們有用，讓他們知道簡單地把測量和幹擾聯繫起來是錯誤的。」

不過，要動搖古老的「測量導致不確定」的解釋也許很難。甚至在進行實驗之後，斯坦恩博格仍然在最近留給學生的一份作業中提出了一個測量如何導致不確定的問題。他說：「直到批改作業的時候，我才意識到我的題目是錯的。現在我要小心點了。」


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  • 海森堡的測不準原理
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    ，這套解釋非常符合經典物理學的邏輯常識，解釋認為所謂的測不準和不確定只是測量手段的悖論，這套解釋至今依然在很多量子力學的教科書中會出現。其實海森堡在提出這個理論的時候自己已經隱隱發現了量子世界其實是存在內在的不確定性的，這種不確定性至今解釋不了當時海森堡提出的解釋，只是為了使得他的觀點看起來不會那麼的離經叛道罷了，所以說海森堡測不準原理其實應該叫海森堡不確定性原理，這種測不準並非測量儀器存在內在矛盾所引起的，事實上不確定性就是量子世界的自帶屬性。
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  • 新技術「繞過」了海森堡不確定性原理,測不準原理或將被打破!
    近些年來，機械運動的經典測量極限已經超出了預期，例如在第一次直接觀測引力波時，表現為千米級光學幹涉儀中鏡面的微小位移。在微觀尺度上，原子力顯微鏡和磁共振力顯微鏡現在可以揭示材料的原子結構，甚至可以感覺到單個原子的自旋。但是使用純粹的常規手段，所能達到的敏感性有限。
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  • 中國科大等實驗驗證新型量子不確定性等式關係
    該關係由海森堡於1927年最早提出，說明了在微觀世界中精確確定一個粒子（例如原子核周圍的電子）的某些物理量是有限制的，人們不可能同時精確地測定一個粒子的位置和動量。1983年，牛津大學教授大衛多伊奇（量子計算機開創者之一）給出了一種特殊情形下的熵形式的不確定性關係，之後Kraus 給出了一般情況下的猜想，Maassen 和 Uffink隨後證明了一般情況下的熵形式的不確定性關係。
  • 在未來量子力學是否有可能被推翻?為什麼?
    量子力學的發展自20世紀以來，量子力學的研究取得了長足性的進步。以玻爾為首的哥本哈根學派認為微觀的量子世界只能以波函數的形式的描述，是一種概率性的表達。加上海森堡提出的量子不確定性原理等等構成了量子力學的核心。
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    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。