對「海森堡測不準原理」最大的誤解進行深度剖析

2020-12-04 小彭來給您解惑

我們都知道宏觀世界裡面一切事物都具有確定性,比如我們取t=10秒這個時刻看某一個宏觀物體,其實這個物體是肯定具有一個位置和速度的,也就是說我們取某一個時刻可以同時測量出來一個宏觀物體的位置和速度。

有人也許會疑惑,你這不廢話嘛,我們肯定可以同時測量出來位置和速度,這有啥值得說的。但是我要告訴你的是,我們能同時測準速度和位置,這個僅僅是在宏觀世界才能做到,在微觀世界是做不到的,因為微觀世界遵循「海森堡測不準」原理。

關於這個原理我之前已經詳細講解過,如果你沒看可以先往前翻下。這個測不準原理的核心就是:我們永遠無法同時精確測量出一個微觀粒子的速度和位置(速度也可以替換成動量)。但是很多人對這句話有誤解,認為測不準是因為我們的儀器精度不夠造成,把測不準問題歸結於是我們掌握的物理規律不夠,科學發展還不夠,其實這是一種極度錯誤的思想。

因為我們測不準並不是科學發展不夠,也不是我們儀器不夠先進,而是微觀世界本來就是以這樣的方式存在的,測不準本身就是微觀世界的一個內在屬性。相信不少人會聽過這樣的故事,一般的教科書是這樣解釋測不準原理的:

首先我們測量一個微觀粒子的手段肯定是用電子去撞擊,因為測量本身也是有物理含義的,我們獲取微觀粒子的物理參數,不是無中生有的,是必須要拿電子去撞擊的。那麼為啥非要拿電子去撞擊呢?因為微觀粒子本身就非常小,如果拿一個比較大的物體去撞擊測量,直接就把微觀粒子撞飛了,而電子是目前人類發現的非常小的粒子,我們的電子顯微鏡就是用電子去撞擊,然後就可以看到微生物的輪廓和形狀,因為電子相比微生物要小太多了。

但是就算拿電子去撞擊,也會對微觀粒子造成很大的衝擊,這裡我們就要談到一個不可解決的問題,那就是電子本身也是具有波動性的,如果波長很長,都超過被測量的粒子大小了,那麼我們就很難測準微觀粒子的位置了,當然波長很長有一個好處就是頻率較小,這樣電子的能量就比較小,那麼撞擊後對被測量粒子產生的衝擊就較小,所以這樣的電子可以去測準微觀粒子的速度,從這分析可以看出波長大了,位置測不準,速度測準了。

反過來我們如果把電子波長弄小,能夠測量準位置,但是波長小就意味著頻率大,那麼電子的能量就很大,對被測量粒子產生的衝擊就很大,被測量粒子直接被你撞飛了,你就測不準粒子的速度。

以上就是為啥微觀粒子的位置和動量測不準的物理分析過程,在教科書上也經常看到。

但是這個分析過程容易給人一種誤導,那就是我們測不準速度和位置是因為我們測量技術不夠好造成,應該說教科書上的解釋本身並沒有錯,但是卻容易誤導大家。其實這裡我要再次強調下,我們測不準微觀粒子的位置和速度,絕對不是儀器問題,也不是我們掌握的自然規律不夠,真的是微觀世界的內在屬性。

我們可以想像一個場景,假設此時有一個微觀粒子,在一個瓶子裡面,那麼你所看到的場景是啥呢?首先這個微觀粒子假設放到外太空,也就是周圍沒有啥引力等等之類的因素幹涉,你會看到微觀粒子處於靜止狀態嗎?不能的,因為微觀粒子的速度和位置是處於一個此消彼長的關係。假設你的瓶子足夠大,那麼微觀粒子的位置可能性就會增大,也就是位置不確定度會增大,此時由於此消彼長,所以微觀粒子的速度會比較確定,此時你看到的場景就是微觀粒子好像遍布在整個瓶子裡面,到處都有它的身影,但是每個身影的速度好像都差不多。

此時你慢慢把瓶子空間縮小,你會發現微觀粒子的位置可能性減少了,瓶子裡面微觀粒子的身影也少了,當時此時你會發現,微觀粒子每個身影都有一個自己的速度,有的快有的慢,當你把瓶子繼續縮小到僅僅容納一個微觀粒子的大小時,微觀粒子的身影幾乎就只有一個了,但是此時微觀粒子的速度會變得非常多,一會兒是這個速度,一會兒是那個速度,一直變來變去,速度的變動範圍一下子變得非常大。所以如果你能把剛剛的場景想像到位,你就算真正理解微觀世界的不確定性到底要表達啥了。

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