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在微觀粒子世界中存在著一些在宏觀世界尋找不到、也不可能成立的現象,例如詭異的量子糾纏現象、不可思議的量子隧穿現象,這些微觀量子效應使用牛頓力學、相對論等經典物理學都無法去解釋,今天和大家來聊一聊量子力學中微觀粒子所具有的不確定性,當然,這個不確定性通過中文翻譯還有一個有趣的名字:測不准原理。

宏觀世界的常識在微觀世界是否適用?

位置、動量是物理學中兩個常見的物理量,我們可以把位置理解成被測量物體的坐標位置q,動量p=速度乘以質量,當物體的質量不變時,我們可以把動量理解成被測量物體的速度,我們在這裡拋出一個這樣的問題:我們可以同時測量出物體的速度p與位置q嗎?

可不可以同時測量物體的速度與位置?看到這個問題,相信大家一定會異口同聲的回答:當然可以!

假設一輛車在公路上行駛,那麼我們通過測量就可以得出車在某一時刻的位置與速度,例如:在上午10點整,車的坐標位置q是100米,車的速度p是5米每秒,這些數據看起來似乎沒有任何問題,那麼我們如何才能準確的得知車在10點的坐標位置q與速度p呢?這些數據肯定不是我們在腦中憑空就可以想像出來的,準確的獲得這些數據的前提是:測量。

測量行為會不會對於物質產生影響?

我們想要獲得任何數據都需要測量,現在我們可以思考這樣一個問題:測量這種行為會不會對於物質產生影響呢?例如:我們想要測量一扇門的大小,那麼我們僅僅使用尺子去測量門的長與寬就可以了,但一扇門畢竟是“死”的,從宏觀層面來看,測量行為並不會對於門的大小、質量、體積等物理量產生影響,但是如果我們將一扇門換成一個電子呢?我們還可以準確的測量出一個電子的速度p、位置q嗎?

首先,我們需要重新定義一下測量這種行為,想要測量一個物質,那麼我們就必須要接觸它,例如我們測量門,就需要使用尺子去接觸它,但似乎使用電子儀器去測量物質並不需去實際接觸,事實是這樣嗎?並不是!使用電子儀器測量首先需要光源去發射光,然後光接觸物體之後再反射到電子儀器或者人眼中,我們才能得到具體的數據,當然,測量門這類的宏觀物質,光對於門的干預可以直接忽略不計,但如果我們去測量一個電子,那麼我們就不可能忽略光子對於電子的干擾,因為電子是一種質量極輕,十分脆弱的微觀粒子,甚至我們可以這樣說:正是因為這種干擾讓我們無法同時測量的物質的速度p、位置q。

測不准原理誕生

在這裡我們簡化一下測量電子位置的流程,首先我們需要向被測量的正在運動的電子發射一個光子,但是當光子接觸到電子的時候,電子會由於光子的撞擊而被撞飛,那麼電子的位置就會由於測量行為而被改變,同理,如果我們想要測量電子的速度,那麼電子的速度就會因為測量行為而改變,也就是說:想要準確的測量位置,那麼就會改變速度,想要準確的測量速度,就會改變其位置,總結來說:我們根本無法同時測量出微觀粒子的速度與位置。

對於微觀粒子的位置測量的越準確,就會使其速度越模糊,反之亦然!

無法同時測量出微觀粒子的速度與位置?這個定論似乎違背了我們的常識,講到這裡,可能有的讀者會提出這樣的疑問:海森堡的測不准原理誕生於二十世紀上半葉,距今已經過去了將近一百年,那個時期的測量技術遠遠沒有如今發達,如今的我們測量技術不僅僅可以使用光子,還可以使用紅外線、紫外線、甚至β等射線,難道使用如此先進的測量技術也無法同時測量微觀粒子的速度與位置嗎?

可惜還是不能,因為不論採用哪種先進的測量手段,都是要以接觸物質為前提的,一旦接觸物質,那麼就無法避免的會對脆弱的微觀粒子產生干擾,這不是測量手段先進不先進的問題,而是測量的原理所導致的我們無法同時測量微觀粒子的速度與位置。

那麼對於微觀粒子同一時刻的速度與位置就根本無法計算了嗎?其實也不是,雖然我們無法同時準確的測量出速度與位置的數值​​,但是我們可以取一個近似值,速度與位置的不確定性一定滿足△q△p≥/2(=h/2π)這個不等式, △q是速度不確定性,△p是位置不確定性,h是普朗克常數。