海森堡测不准原理

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要解释测不准的问题,我们先得问一问:什么叫做测准了?当你深信你精确地了解到某种物体的某种性质时,那么,不管你得到的数据怎么样,你都确信它没有问题。

但是,你怎样才能了解到那个物体的某种性质呢?无论 用什么方法,你都必定要同那个物体发生相互作用。你必须 把它称一称,看看它有多重;或者把它敲一敲,看看它的硬 度有多大;再不然,你就得直盯着它,看看它在什么地方。

而这时就必定有相互作用,不过这些相互作用是比较缓和的。 现在我就可以争辩说,这种相互作用总是会给你所力求 测定的那种性质本身带来一些变化。换句话说,在了解某种 事物时会由于了解它那个动作本身而使那种事物发生改变, 因此,归根结蒂,你根本没有精确地了解到这种事物。

举个例子吧,假定你想测量出澡盆里热水的温度。于是, 你把一根温度计放入水中,对水的温度进行测量。可是温度 计是凉的,它放入水中就会使水的温度稍稍降低。这时,你 仍然可以得到热水温度的很好的近似值,但是它不会精确到 一万亿分之一度。温度计已经改变了它所要测量的那个温度, 而这种变化几乎是无法测出的。

再举个例子,假定你想测量轮胎中的空气压力,你就要 让轮胎逸出极小量的空气来推动测压计的活塞。但是,有空 气逸出这个事实就说明,空气的压力已经由于测量它这一动 作而稍稍降低了。

有没有可能发明一些非常微小、非常灵敏,而又不直接 同所要测量的性质发生关系的测量器件和方法,因而也就根 本不会给所要测量的性质带来丝毫变化呢?

德国物理学家维尔纳·海森堡在1927年断言说,这 是不可能做到的。一个测量器件只能小到这种程度:它可以 小到同一个亚原子粒子一样小,但却不能小于亚原子粒子。 它所使用的能量可以小到等于一个能量子,但再小就不行了。 然而,只要有一个粒子和一个能量子就已经足以带来一定的 变化了。即使你只不过为了看到某种东西而瞧它,你也得靠 从这个物体上弹回来的光子才能看到它,而这就已经使它发 生变化了。

这样的变化是极其微小的,在日常生活中我们可以把它 们忽略掉,而且我们也正是这样做的——但是,这种变化仍 然存在。不过,要是你所碰到的是极其微小的物体,这时就 连极其微小的变化也显得挺大,那又会出现什么情况呢? 例如,如果你想要说出某个电子的位置,那么,为了 “看到”这个电子,你就得让一个光量子(更可能是一个γ 射线光子)从它上面弹回来。这样一来,那个光子就会使电 子的位置发生变化。

具体地说吧,海森堡成功地证明了,我们不可能设想出 任何一种办法,把任何一种物体的位置和动量两者同时精确 地测量下来。你把位置测定得越准确,你所能测得的动量就 越不准确,你测得的动量越准确,你所能测定的位置就越不 准确。他还计算出这两种性质的不准确度(即“测不准度”) 应该是多大,这就是他的“测不准原理”。

这个原理指出,宇宙具有某种“微粒性”。你要是尽力 把报纸上的图象放大,最后,你就会把它放大到这样一个程 度:你会看到许多细小的颗粒或是斑点,而根本看不到图象 的详细结构。如果你想细致地观察宇宙,你也会碰到同样的 情况。

这一点使某些人感到失望,他们把这个原理看作是人类 永远无知的自供状。但事情根本不是如此。我们感兴趣的是 想知道宇宙是怎样工作,而测不准原理正好是宇宙的工作的 一个关键性因素,宇宙存在着“微粒性”,问题就在这里。 海森堡为我们指出了这一点,对此,物理学家是非常感激的。

阿西莫夫《你知道吗?—现代科学中的一百个问题》 科学普及出版社 1984年

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http://www.oursci.org/archive/lib/explain/Expl053.htm

海森堡测不准原理
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作者 tuenhai:这个星球上对大道理解最为深刻的人,著有《道解相对论》《圣医治国——黄帝内经客观点评》《理性即慧根》《父母怎么教育孩子》。咨询微信或QQ (备注 tuenhai.com)

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