试述不确定性原理与不确定性

作者:未知

  摘  要:不确定性原理是量子力学的基本原理之一,也是量子理论的重要基础,由海森堡于1927年提出。其意思是不可能同时知道一个粒子的位置和速度,粒子位置的不确定性必然大于或等于普朗克常数,这表达了一种在微观粒子与宏观物质之间的不一致性。文章简单介绍不确定性原理的提出,并且对不确定性原理与不确定性进行对比,此外也从主流的科学角度试述不确定性原理的不确定性。
  关键词:不确定性原理;不确定性;小泽不等式
  中图分类号:O413.1    文献标志码:A         文章编号:2095-2945(2019)16-0053-02
  Abstract: Uncertainty principle is not only one of the basic principles of quantum mechanics, but also an important basis of quantum theory, which was put forward by Heisenberg in 1927. It means that it is impossible to know the position and velocity of a particle at the same time, and the uncertainty of the particle position must be greater than or equal to the Planck constant, which expresses a kind of inconsistency between the microscopic particle and the macroscopic matter. This paper briefly introduces the uncertainty principle, and compares it with the uncertain factors. In addition, it also tries to describe the uncertainty of the uncertainty principle from the mainstream scientific point of view.
  Keywords: uncertainty principle; uncertainty; Ozawa inequality
  1 不确定性原理的提出
  不确定性原理充分体现了微观粒子的波粒二象性。验证它的实验是通过对电子、中性钾原子等实物粒子的衍射完成的,光的波动性质实验研究是先于量子力学研究的。单缝衍射和双缝干涉被认为是波才具有的现象,所以当实验证明粒子能发生衍射和干涉时,粒子的波粒二象性就被确定下来了。但在量子力学发展的早期阶段并没有过多依赖于粒子的衍射和干涉的实验结果,在现实中人们也认识到作为波动的光的粒子性质,也逐渐接触到实物粒子的波動性质。电子单缝衍射的实验结果能够使人更清楚地理解粒子的波粒二象性和不确定性原理,在电子的单缝衍射和光的单缝衍射类似实验中,电子通过第一个狭缝后准直再通过第二个细小的狭缝,到达屏时出现类似于光波的衍射图案,这证实了一直被认为是粒子的电子的波动性。实验还发现,第二个狭缝越窄,衍射的范围越大,体现了粒子的位置测量越准,动量的测量结果就越不准。各种实物粒子单缝衍射实验证明了粒子具有波动性,也就是波粒二象性,这是不确定性原理的重要内容,也是量子理论的核心。
  根据不确定性原理我们知道粒子的位置和动量不能同时测量,这使得经典力学中的一些概念是失效的,例如轨道概念和静止概念。霍金在时间简史中提到海森堡的不确定性原理是世界上一个基本的不可避免的性质,它对我们观察世界的方式有深远的意义。不确定性原理标志着拉普拉斯科学理论之梦的终结,如果我们甚至不能测量宇宙现在的状态,肯定不能准确地预言未来的事件。在量子力学与牛顿经典力学的对话中我们可以发现,量子将一种不可预见性或者随机性的不可回避因素引入科学。但是,尽管存在不确定原理,仍然没有必要放弃物理定律制约世界的信念,大多数科学家最终心悦诚服地接受了它。
  2 不确定性原理与不确定性
  不确定性与确定性是一组对立的存在,不确定性是对确定性的基本否定。确定性从字面上来看就是指明确与肯定,从语言学及深层次哲学角度来看:确定性是指事物在质与量上的唯一、纯粹和极端。通常确定一件事情就是要达成一定的目标,但追求目标过程中我们发现客观世界更普遍的却是难以把握的不确定性。对不确定性原理的进一步深入认识,离不开对不确定性概念的分析:
  其一,从认识论的角度看,人们没有能力对客观事物的发展进程做出精准的预测。客观事物及其发展结果都已经是确定好的,但是由于技术落后会给认识的结果造成偏差,这是一种以主体性为主的不确定性。其二,客观物质世界也存在着事物本身固有的不确定性,这与人的认识能力是不相关的,我们将其称之为客体性为主的不确定性。其三,主客体性并重的不确定性,这类不确定性其主体性和客体性分别在不同层面上占据主导的地位。比如说哲学的一个重要的范畴“自由”,也意味着不确定性,并且这种不确定性是未分出主体性和客体性的。其四,潜无限情况下的不确定性,潜无限是在数学基础研究中指无限是一种永无终止的过程,潜无限情况的不确定性是与上述三种不同的方向,潜无限与实无限总是相差一个无限小量,因而总是有这样一个无限小的不确定性存在着,潜无限是指把无限看成一种过程,一种永远处于生成状态之中的过程。这种很有逻辑味道的不确定性在数学等复杂科学中有很大的应用。前三种不确定性的都是由主客体的不对称性造成的,而在潜无限意义下的不确定性可能是逻辑在先,因此也更加复杂具有科学意义程度更深,也将是未来不确定性研究的主流。   3 不确定性原理并不确定
  奥地利维也纳科技大学的长谷川钓司教授及其合作者在2012年1月15日在发表的《自然·物理》杂志上报到了精心设计的实验,实验结果并不符合量子力学基本原理——不确定性原理,而是与日本名古屋大学小泽正直教授在2003年发表的修正版不确定性原理——“小泽不等式”符合的很好。如果如此的话,修正版的小泽不等式很有可能在未来的量子信息技术等新兴技术方面发挥作用①。
  在物理學中,引力波是指时空弯曲中的涟漪,通过波的形式从辐射源向外传播,这种波以引力辐射的形式传输能量。在1916年,爱因斯坦基于广义相对论预言了引力波的存在。实用的引力波探测装置是在“激光干涉仪”上进行的,使用激光来检测镜子之间的距离是否会发生改变。①
  4 结论
  对于现实生活中的许多事物,我们很难、也不可能了解以及把握他们的全部,这源自事物普遍具有的不确定性。不确定性原理使经典力学不那么耀眼,但随着科技的发展对于不确定性原理的不确定性的观点也随之提出。但不可否认的是:牛顿经典力学也好,量子力学也好,都将科学原理应用于现实生活中,并且具有一定的现实指导意义。与其说是一种先进的学说取代了另一种不太流行的学说,倒不如说新老学说的更替是人类进步接力赛中的交接过程。虽然现代科学通过物理实验、数学推演已经初步形成了对传统的挑战,但这只是开始,我们也要学习科学家这种敢于挑战权威,坚持不懈的精神。但愿人类这个共同体能够用自己的智慧成果把未知的不确定性转换成更多的确定。
  注释:
  ①王乔.修正不确定性原理[J].科学世界,2012,07.
  ②关洪.对海森伯射线显微镜思想实验的再考查[J].大学物理,1988.
  参考文献:
  [1]陈鄂生.量子力学基础教程[M].山东:山东大学出版社,2003,09.
  [2]杨桂林,江兴方,柯善哲.近代物理[M].北京:科学出版社,2008.
  [3]史蒂夫·霍金.时间简史(普及版)[M].湖南:湖南科学技术出版社,2006,01.
  [4]张本祥.确定性与不确定性[M].北京:中国社会科学出版社,2007,07.
  [5]费恩曼,莱顿,桑兹.费恩曼物理学讲义(第3卷)[M].上海:上海科学技术出版社,2005.
  [6]唐建辉,何维杰.对不确定关系物理基础及物理涵义的探讨[J].邵阳学院学报(自然科学版),2008.
  [7]陶一趣.不确定性并不确定[J].新发现,2012,11.
  [8]王乔.修正不确定性原理[J].科学世界,2012,07.
  [9]关洪.对海森伯射线显微镜思想实验的再考查[J].大学物理,1988.
  [10]王捷.浅析不确定性原理的哲学内涵[J].中国科技纵横,2012.
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