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物理上的海森堡不確定性原理的根本原因是什麼不
海森堡不確定性原理又名“測不準原理”、“不確定關係”,英文"Uncertainty principle",是量子力學的一個基本原理,由德國物理學家海森堡於1927年提出。該原理表明:一個微觀粒子的某些物理量(如位置和動量,或方位角與動量矩,還有時間和能量等),不可能同時具有確定的數值,其中一個量越確定,另一個量的不確定程度就越大。測量一對共軛量的誤差的乘積必然大於常數 h/2π (h是普朗克常數)是海森堡在1927年首先提出的,它反映了微觀粒子運動的基本規律,是物理學中又一條重要原理。
海森堡不確定性原理又名“測不準原理”、“不確定關係”,英文"Uncertainty principle",是量子力學的一個基本原理,由德國物理學家海森堡於1927年提出。該原理表明:一個微觀粒子的某些物理量(如位置和動量,或方位角與動量矩,還有時間和能量等),不可能同時具有確定的數值,其中一個量越確定,另一個量的不確定程度就越大。測量一對共軛量的誤差的乘積必然大於常數 h/2π (h是普朗克常數)是海森堡在1927年首先提出的,它反映了微觀粒子運動的基本規律,是物理學中又一條重要原理。 理論背景 海森伯在創立矩陣力學時,對形象化的圖象採取否定態度。但他在表述中仍然需要使用“座標”、“速度”之類的詞彙,當然這些詞彙已經不再等同於經典理論中的那些詞彙。可是,究竟應該怎樣理解這些詞彙新的物理意義呢?海森伯抓住雲室實驗中觀察電子徑跡的問題進行思考。他試圖用矩陣力學為電子徑跡作出數學表述,可是沒有成功。這使海森伯陷入困境。他反覆考慮,意識到關鍵在於電子軌道的提法本身有問題。人們看到的徑跡並不是電子的真正軌道,而是水滴串形成的霧跡,水滴遠比電子大,所以人們也許只能觀察到一系列電子的不確定的位置,而不是電子的準確軌道。因此,在量子力學中,一個電子只能以一定的不確定性處於某一位置,同時也只能以一定的不確定性具有某一速度。可以把這些不確定性限制在最小的範圍內,但不能等於零。這就是海森伯對不確定性最初的思考。據海森伯晚年回憶,愛因斯坦1926年的一次談話啟發了他。愛因斯坦和海森伯討論可不可以考慮電子軌道時,曾質問過海森伯:“難道說你是認真相信只有可觀察量才應當進入物理理論嗎?”對此海森伯答覆說:“你處理相對論不正是這樣的嗎?你曾強調過絕對時間是不許可的,僅僅是因為絕對時間是不能被觀察的。”愛因斯坦承認這一點,但是又說:“一個人把實際觀察到的東西記在心裡,會有啟發性幫助的……在原則上試圖單靠可觀察量來建立理論,那是完全錯誤的。實際上恰恰相反,是理論決定我們能夠觀察到的東西……只有理論,即只有關於自然規律的知識,才能使我們從感覺印象推論出基本現象。”實驗基礎 海森伯在1927年的論文一開頭就說:“如果誰想要闡明‘一個物體的位置’(例如一個電子的位置)這個短語的意義,那麼他就要描述一個能夠測量‘電子位置’的實驗,否則這個短語就根本沒有意義。”海森伯在談到諸如位置與動量,或能量與時間這樣一些正則共軛量的不確定關係時,說:“這種不確定性正是量子力學中出現統計關係的根本原因。”編輯本段實驗認證 海森伯測不準原理是透過一些實驗來論證的。設想用一個γ射線顯微鏡來觀察一個電子的座標,因為γ射線顯微鏡的分辨本領受到波長λ的限制,所用光的波長λ越短,顯微鏡的解析度越高,從而測定電子座標不確定的程度△q就越小,所以△q∝λ。但另一方面,光照射到電子,可以看成是光量子和電子的碰撞,波長λ越短,光量子的動量就越大,所以有△p∝1/λ。經過一番推理計算,海森伯得出:△q△p=h/4π。海森伯寫道:“在位置被測定的一瞬,即當光子正被電子偏轉時,電子的動量發生一個不連續的變化,因此,在確知電子位置的瞬間,關於它的動量我們就只能知道相應於其不連續變化的大小的程度。於是,位置測定得越準確,動量的測定就越不準確,反之亦然。” 海森伯還透過對確定原子磁矩的斯特恩-蓋拉赫實驗的分析證明,原子穿過偏轉所費的時間△T越長,能量測量中的不確定性△E就越小。再加上德布羅意關係λ=h/p,海森伯得到△E△T<h,並且作出結論:“能量的準確測定如何,只有靠相應的對時間的測不準量才能得到。”編輯本段玻爾的幫助 海森伯的測不準原理得到了玻爾的支援,但玻爾不同意他的推理方式,認為他建立測不準關係所用的基本概念有問題。雙方發生過激烈的爭論。玻爾的觀點是測不準關係的基礎在於波粒二象性,他說:“這才是問題的核心。”而海森伯說:“我們已經有了一個貫徹一致的數學推理方式,它把觀察到的一切告訴了人們。在自然界中沒有什麼東西是這個數學推理方式不能描述的。”玻爾則說:“完備的物理解釋應當絕對地高於數學形式體系。” 玻爾更著重於從哲學上考慮問題。1927年玻爾作了《量子公設和原子理論的新進展》的演講,提出著名的互補原理。他指出,在物理理論中,平常大家總是認為可以不必干涉所研究的物件,就可以觀測該物件,但從量子理論看來卻不可能,因為對原子體系的任何觀測,都將涉及所觀測的物件在觀測過程中已經有所改變,因此不可能有單一的定義,平常所謂的因果性不復存在。對經典理論來說是互相排斥的不同性質,在量子理論中卻成了互相補充的一些側面。波粒二象性正是互補性的一個重要表現。測不準原理和其它量子力學結論也可從這裡得到解釋。="">