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微觀粒子的位置和速度無法同時確定,量子世界為何擁有如此特性?

 宇宙時空探索 2022-04-22

簡單說,這就是量子世界的一種固有特性,內在秉性。人類不能決定改變大自然規(guī)律,只能去發(fā)現大自然規(guī)律,然后運動大自然規(guī)律為人類服務。

量子世界存在不確定性,也就是所謂的“不確定性原理”,微觀粒子的位置和速度(動量)不能同時確定,它們的關系滿足一個公式:ΔxΔp≥h/4π

公式表明,微觀粒子速度的不確定性與位置的不確定性乘積必然不小于一個常數:≥h/4π。如果一個微觀粒子的速度(或者位置)確定了,意味著不確定性就是零,公式就不成立了。

對于量子力學中的不確定性,一直以來存在著不小的爭議,比如說愛因斯坦與波爾為首的哥本哈根學派之間的辯論。

愛因斯坦認為世界是可測量的,可描述的,都是有規(guī)律可循的,而波爾的觀點恰恰相反,他認為世界(微觀世界)是不確定的,一切都是隨機的,只能用概率(波函數)去描述。

不確定性原理是由物理學家海森堡提出來的,在海森堡波爾等物理學家眼里,不確定性是固有的屬性,同時也有我們的觀測有關。

因為任何形式的觀測都勢必會影響到微觀粒子的狀態(tài),會對微觀粒子發(fā)生擾動,進而改變粒子的存在狀態(tài)。

我們觀測任何事物,不管是用眼睛直接看還是用精密儀器觀測,都必須通過光,而光具有波粒二象性。

我們只能通過反射出來的光線才能看到一種物體,而當光照射到一個物體時,一定會對物體自身造成些許的影響,改變物體的狀態(tài)。

在宏觀世界,由于光線照射到宏觀物體的影響非常有限,一般情況下我們都能同時確定物體的速度和位置。

但在微觀世界就不一樣了,微觀粒子的質量非常小,即便是光子也會對微觀粒子造成影響,改變其運動狀態(tài)。

同時,科學家不可能測量到比光的兩個波峰之間距離更精確的尺度,所以,想要測量到粒子的更精確的位置,當然光的波長越短越好。

但是光的波長越短,意味著動量就越大,對微觀粒子的速度影響就越大,速度就越不確定。

這就產生了一個矛盾,就像“魚和熊掌不可兼得”一樣。

事實上,不確定性原理不僅僅體現在位置和速度的不確定上,還有方位角動量矩的不確定性,能量與時間的不確定性同樣也滿足不確定性原理。

拿能量與時間的不確定性舉例子,當能量越確定時,時間就越不確定。當時間越確定時,能量就越不確定。這意味著在極短的確定時間里,能量顯得很不確定,理論上能量可以非常高,可以超越“能量勢壘”,完成量子隧穿。

用宏觀世界打個比方,假如你最多可以越過2米高的墻,“2米”就是你的“能量勢壘”,理論上無路如何你都不可能越過那堵墻。但按照量子力學不確定性詮釋,在某一個時間里,你完全有可能瞬間穿越那堵墻,來到墻的另一面。只不過這種事情在現實中是不會發(fā)生的,也可以理解為發(fā)生的幾率實在太小了,小到一定程度,就被認為不可能發(fā)生!

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