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测不准原理

https://www.optical17.com 来源:原创 日期:2010-12-15 10:03:21
   又名“测不准原理”、“不肯定关系”,英文"Uncertainty principle",是量子力学的一个根本原理,由德国物理学家海森堡于1927年提出。本身为傅立叶变换导出的基础关系:若复函数f(x)与F(k)构成傅立叶变换对,且已由其幅度的平方回一化(即f*(x)f(x)相当于x的概率密度;F*(k)F(k)/2π相当于k的概率密度,*表现复共轭),则无论f(x)的情势如何,x与k尺度差的乘积ΔxΔk不会小于某个常数(该常数的具体情势与f(x)的形式有关)。

  意义:该原理表明:一个微观粒子的某些物理量(如位置和动量,或方位角与动量矩,还有时光和能量等),不可能同时具有确定的数值,其中一个量越确定,另一个量的不确定程度就越大。测量一对共轭量的误差(尺度差)的乘积必定大于常数 h/4π (h是普朗克常数)是海森堡在1927年首先提出的,它反应了微观粒子活动的基础规律——以共轭量为自变量的概率幅函数(波函数)构成傅立叶变换对,工业显微镜价格;以及量子力学的根本关系(E=h/2π*ω,p=h/2π*k),是物理学中又一条主要原理。

  海森伯测不准原理  海森伯测不准原理是通过一些试验来论证的。假想用一个γ射线显微镜来察看一个电子的坐标,由于γ射线显微镜的分辩本事受到波长λ的限制,所用光的波长λ越短,显微镜的辨别率越高,从而测定电子坐标不断定的水平△q就越小,所以△q∝λ。但另一方面,光照耀到电子,可以看成是光量子和电子的碰撞,波长λ越短,光量子的动量就越大,所以有△p∝1/λ。经过一番推理盘算,海森伯得出:△q△p≥h/4π。海森伯写道:“在地位被测定的一瞬,即当光子正被电子偏转时,电子的动量产生一个不持续的变更,因此,在确知电子地位的瞬间,关于它的动量我们就只能知道相应于其不持续变更的大小的水平。于是,地位测定得越正确,动量的测定就越不精确,反之亦然。”

    海森伯还通过对肯定原子磁矩的斯特恩-盖拉赫试验的剖析证实,原子穿过偏转所费的时光△T越长,能量丈量中的不断定性△E就越小。再加上德布罗意关系λ=h/p,海森伯得到△E△T≥h/2π,并且作出结论:“能量的正确测定如何,只有靠相应的对时光的测不准量才干得到。”

  宿命论  很多人强烈地抵制这种科学宿命论的教义,他们觉得这侵略了上帝干预世界的自由。但直到20世纪初,这种观念仍被以为是科学的尺度假定。这种信心必须被摈弃的一个Zui初的征兆,是由英国科学家瑞利勋爵和詹姆斯?金斯爵士所做的盘算,他们指出一个热的物体——例如恒星——必须以无穷大的速率辐射出能量。依照当时我们所信任的定律,一个热体必须在所有的频段同等地发出电磁波(诸如无线电波、可见光或X射线)。例如,一个热体在1万亿赫兹到2万亿赫兹频率之间发出和在2万亿赫兹到3万亿赫兹频率之间同样能量的波。而既然波的频谱是无穷的,这意味着辐射出的总能量必须是无穷的。

  量子假设  为了避免这显然荒诞的成果,德国科学家马克斯?普郎克在1900年提出,光波、X射线和其他波不能以任意的速率辐射,而必需以某种称为量子的情势发射。并且,每个量子具有断定的能量,波的频率越高,其能量越大。这样,在足够高的频率下,辐射单独量子所须要的能量比所能得到的还要多。因此,在高频下辐射被减少了,物体损失能量的速率变成有限的了。

  量子假设的意义  量子假设可以非常好地说明所观测到的热体的发射率,但直到1926年另一个德国科学家威纳?海森堡提出有名的不确定性原理之后,它对宿命论的含义才被意识到。为了预言一个粒子未来的位置和速度,人们必需能准确地丈量它现在的位置和速度。显而易见的措施是将光照到这粒子上,一部分光波被此粒子散射开来,由此指明它的位置。然而,人们不可能将粒子的位置确定到比光的两个波峰之间间隔更小的水平,所以必需用短波长的光来丈量粒子的位置。现在,由普郎克的量子假设,人们不能用任意少的光的数目,至少要用一个光量子。这量子会扰动这粒子,并以一种不能预感的方法转变粒子的速度。而且,位置测量得越精确,所需的波长就越短,单独量子的能量就越大,这样粒子的速度就被扰动得越厉害。换言之,你对粒子的位置测量得越精确,你对速度的测量就越不正确,反之亦然。海森堡指出,粒子位置的不肯定性乘上粒子质量再乘以速度的不确定性不能小于一个确定量——普郎克常数。并且,这个极限既不依附于测量粒子位置和速度的方式,也不依附于粒子的种类。海森堡不确定性原理是世界的一个基础的不可躲避的性质。


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