理解海森堡的不确定性原则

Heisenberg'不确定性原理是量子物理学的基石之一,但那些没有仔细研究它的人往往不甚了解。顾名思义,虽然它确实在自然本身的最基本层次上定义了一定程度的不确定性,但这种不确定性以非常有限的方式表现出来,因此它不会影响我们日常生活中的我们。只有精心构建的实验才能在工作中揭示这一原理。

1927年,德国物理学家Werner Heisenberg提出了所谓的Heisenberg不确定性原理(或仅仅不确定性原理或有时Heisenberg原理)。在试图建立量子物理的直观模型时,海森堡发现存在某些基本关系,这些关系限制了我们如何知道某些数量。具体而言,在最直接的原则应用中:

你越**地知道粒子的位置,你就越不**地同时知道同一粒子的动量。

海森堡不确定性关系

Heisenberg'不确定性原理是关于量子系统性质的非常**的数学陈述。在物理和数学方面,它限制了我们关于系统的**程度。以下两个方程(也以预处理形式,在本文顶部的图形中显示)称为海森堡不确定性关系,是与不确定性原理相关的最常见方程:

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

上述等式中的符号具有以下含义:

  • h-bar:称为"减少普朗克常数,"这具有普朗克'的值;s常数除以2*pi。
  • delta-x:这是物体位置的不确定性(例如给定粒子)。
  • delta-p:这是物体动量的不确定性。
  • delta-E:这是物体能量的不确定性。
  • delta-t:这是一个物体的时间测量的不确定性对象。

科普_1

从这些方程中,我们可以根据我们测量的相应精度水平告诉系统的一些物理特性'测量不确定度。如果这些测量中的任何一个的不确定性变得非常小,这对应于具有极其**的测量,那么这些关系告诉我们相应的不确定性将不得不增加,以保持比例性。

换句话说,我们不能同时测量每个方程中的两个属性到无限的精度水平。我们测量位置越**,我们能够同时测量动量的精度就越低(反之亦然)。我们测量时间越**,我们能够同时测量能量的精度就越低(反之亦然)。算盘小知识

常识示例

虽然上面看起来很奇怪,但实际上与我们在真实(即古典)世界中运作的方式相当吻合。让'我们说我们正在轨道上看一辆赛马,我们应该在越过终点线时记录下来。我们不仅要测量穿过终点线的时间,还要测量它的确切速度。我们通过按下秒表上的按钮来测量速度-当我们看到它越过终点线时,我们通过查看数字读数来测量速度(这与观看汽车不一致,因此您必须一旦穿过终点线,就会转你的头)。在这个经典在这种情况下,显然存在一定程度的不确定性,因为这些行为需要一些时间。我们'请参阅汽车触摸终点线,按下秒表按钮,然后看数字显示屏。系统的物理性质对这一切的**程度施加了明确的限制。如果您'重新专注于尝试观察速度,那么在测量终点线上的确切时间时,您可能会有点偏离,反之亦然。

与大多数尝试使用经典例子来证明量子物理行为一样,这种类比存在缺陷,但它与量子领域工作中的物理现实有些相关。不确定性关系来自量子尺度上物体的波浪状行为,以及即使在经典情况下也很难**测量波的物理位置这一事实。

关于不确定性原则的混淆

不确定性原理与量子物理学中的观察者效应现象混淆是非常普遍的,例如在Schroedinger'猫思维实验中表现出来的现象。这些实际上是量子物理学中两个完全不同的问题,尽管两者都使我们的古典思想变得沉重。不确定性原则实际上是对量子系统行为作出**陈述的能力的基本制约因素,无论我们是否进行观察的实际行为。另一方面,观察者效应意味着如果我们进行某种类型的观察,系统本身的行为将与没有这种观察的行为不同。

量子物理学和不确定性原理书籍:

由于其在量子物理学基础中的核心作用,大多数探索量子领域的书籍将提供对不确定性原理的解释,并具有不同程度的成功字母S。以下是一些最能做到这一点的书籍,在这位谦虚的作者中。其中两本是关于量子物理学整体的一般书籍,而另外两本是关于科学的传记,对Werner Heisenberg的生活和工作有着真正的见解:

  • 量子力学的惊人故事James Kakalios
  • Brian Cox和Jeff Forshaw的量子宇宙
  • 超越不确定性:海森堡,量子物理学和大卫·C·卡西迪的**
  • 不确定性:爱因斯坦,海森堡,玻尔,大卫·林德利
  • 为科学灵魂的斗争