理解海森堡的不確定性原則

Heisenberg'不確定性原理是量子物理學的基石之一,但那些沒有仔細研究它的人往往不甚了解。顧名思義,雖然它確實在自然本身的最基本層次上定義了一定程度的不確定性,但這種不確定性以非常有限的方式表現(xiàn)出來,因此它不會影響我們?nèi)粘I钪械奈覀儭V挥芯臉?gòu)建的實驗才能在工作中揭示這一原理。

1927年,德國物理學家Werner Heisenberg提出了所謂的Heisenberg不確定性原理(或僅僅不確定性原理或有時Heisenberg原理)。在試圖建立量子物理的直觀模型時,海森堡發(fā)現(xiàn)存在某些基本關系,這些關系限制了我們?nèi)绾沃滥承?shù)量。具體而言,在最直接的原則應用中:

你越**地知道粒子的位置,你就越不**地同時知道同一粒子的動量。

海森堡不確定性關系

Heisenberg'不確定性原理是關于量子系統(tǒng)性質(zhì)的非常**的數(shù)學陳述。在物理和數(shù)學方面,它限制了我們關于系統(tǒng)的**程度。以下兩個方程(也以預處理形式,在本文頂部的圖形中顯示)稱為海森堡不確定性關系,是與不確定性原理相關的最常見方程:

方程1:delta-30 x 31*delta-32 p 33與34 h 35-bar 36成正比方程2:delta-37 E 38*delta-39 t 40與41 h 42-bar成正比

上述等式中的符號具有以下含義:

  • h-bar:稱為"減少普朗克常數(shù),"這具有普朗克'的值;s常數(shù)除以2*pi。
  • delta-x:這是物體位置的不確定性(例如給定粒子)。
  • delta-p:這是物體動量的不確定性。
  • delta-E:這是物體能量的不確定性。
  • delta-t:這是一個物體的時間測量的不確定性對象。

科普_1

從這些方程中,我們可以根據(jù)我們測量的相應精度水平告訴系統(tǒng)的一些物理特性'測量不確定度。如果這些測量中的任何一個的不確定性變得非常小,這對應于具有極其**的測量,那么這些關系告訴我們相應的不確定性將不得不增加,以保持比例性。

換句話說,我們不能同時測量每個方程中的兩個屬性到無限的精度水平。我們測量位置越**,我們能夠同時測量動量的精度就越低(反之亦然)。我們測量時間越**,我們能夠同時測量能量的精度就越低(反之亦然)。算盤小知識

常識示例

雖然上面看起來很奇怪,但實際上與我們在真實(即古典)世界中運作的方式相當吻合。讓'我們說我們正在軌道上看一輛賽馬,我們應該在越過終點線時記錄下來。我們不僅要測量穿過終點線的時間,還要測量它的確切速度。我們通過按下秒表上的按鈕來測量速度-當我們看到它越過終點線時,我們通過查看數(shù)字讀數(shù)來測量速度(這與觀看汽車不一致,因此您必須一旦穿過終點線,就會轉(zhuǎn)你的頭)。在這個經(jīng)典在這種情況下,顯然存在一定程度的不確定性,因為這些行為需要一些時間。我們'請參閱汽車觸摸終點線,按下秒表按鈕,然后看數(shù)字顯示屏。系統(tǒng)的物理性質(zhì)對這一切的**程度施加了明確的限制。如果您'重新專注于嘗試觀察速度,那么在測量終點線上的確切時間時,您可能會有點偏離,反之亦然。

與大多數(shù)嘗試使用經(jīng)典例子來證明量子物理行為一樣,這種類比存在缺陷,但它與量子領域工作中的物理現(xiàn)實有些相關。不確定性關系來自量子尺度上物體的波浪狀行為,以及即使在經(jīng)典情況下也很難**測量波的物理位置這一事實。

關于不確定性原則的混淆

不確定性原理與量子物理學中的觀察者效應現(xiàn)象混淆是非常普遍的,例如在Schroedinger'貓思維實驗中表現(xiàn)出來的現(xiàn)象。這些實際上是量子物理學中兩個完全不同的問題,盡管兩者都使我們的古典思想變得沉重。不確定性原則實際上是對量子系統(tǒng)行為作出**陳述的能力的基本制約因素,無論我們是否進行觀察的實際行為。另一方面,觀察者效應意味著如果我們進行某種類型的觀察,系統(tǒng)本身的行為將與沒有這種觀察的行為不同。

量子物理學和不確定性原理書籍:

由于其在量子物理學基礎中的核心作用,大多數(shù)探索量子領域的書籍將提供對不確定性原理的解釋,并具有不同程度的成功字母S。以下是一些最能做到這一點的書籍,在這位謙虛的作者中。其中兩本是關于量子物理學整體的一般書籍,而另外兩本是關于科學的傳記,對Werner Heisenberg的生活和工作有著真正的見解:

  • 量子力學的驚人故事James Kakalios
  • Brian Cox和Jeff Forshaw的量子宇宙
  • 超越不確定性:海森堡,量子物理學和大衛(wèi)·C·卡西迪的**
  • 不確定性:愛因斯坦,海森堡,玻爾,大衛(wèi)·林德利
  • 為科學靈魂的斗爭