測不準原理,到底是儀器問題測不準,還是其他原因?

宇宙探索 發佈 2022-08-08T12:52:03.100865+00:00

首先,這個名字很容易讓人誤解,會認為「之所以測不準,是因為我們的測量問題」。但事實上並非如此。所謂的「測不準原理」更嚴謹的叫法應該是「不確定性原理」。

首先,這個名字很容易讓人誤解,會認為「之所以測不準,是因為我們的測量問題」。但事實上並非如此。所謂的「測不準原理」更嚴謹的叫法應該是「不確定性原理」。

簡單來講,海森堡提出來的「測不準原理」(不確定性原理),並不是方式方法的問題,當然也不是一起的問題,而是量子世界的固有屬性,內在秉性,量子世界的一切就是不確定的,與測量方式方法沒有任何關係,無論多麼精確的測量儀器,結果都是一樣的。

不確定性原理,用公式表達就是:ΔxΔp≥h/4π

如何理解這個公式了,其實並不難。Δx位置的不確定性(變化值),Δp動量(速度)的不確定性,h為普朗克常數,π是圓周率。

說到量子力學,我們通常會聽到這種觀點:無法同時確定微觀粒子的位置和速度。為何會這樣呢?

其實公式中已經表現出來了。位置不確定性與速度不確定性的乘積必須大於等於一個常數,而這個常數是大於零的常數。雖然普朗克常數h很小,但再小也是大於零的。

這就意味著位置不確定性與速度不確定性兩者都不能是零,否則公式就不成立了。不確定性不能為零,意味著微觀粒子就是不確定的。

其實在宏觀世界,這個公式也是成立的,只不過由於宏觀世界的物體質量都很大(相比微觀粒子),所以Δx與Δp都會很大,無論如何公式都是成立的。

除了位置與速度有這種關係,能量與時間同樣有這樣的關係,用公式表達就是ΔEΔt≥h/4π,ΔE代表能量的不確定性(變化值),Δt時間的不確定性。

其實能量與時間的這種不確定性才是量子力學的最大奧秘所在。量子世界裡的詭異現象,比如說量子隧穿效應,還有量子漲落現象等都可以通過能量與時間的這種不確定性關係推導出來。

簡單講,當Δt足夠小的時候,ΔE可以變得非常大,言外之意就是,在足夠短的時間內,能量的變化值可以非常大,這也是為什麼微觀粒子有一定的機率穿越能量勢壘的限制,瞬間穿越我們認為不可能的勢壘限制,實現量子隧穿。

用宏觀世界理解量子隧穿是這樣的,你要翻過一座山,就必須從山腳爬到山頂,然後再回到山腳下,這個過程中你需要消耗能量來完成,這個能量就是「能量勢壘」,只有達到或者超過這個「勢壘」你才能翻過那座山。

但是按照量子力學的思維,在足夠短的時間內,你有一定機率瞬間穿過到山的另一邊,不需要爬到山頂。就像在現實世界面對一堵10米高的牆,無論如何你都翻越不過去,但只要時間足夠短,你就有一定機率直接穿過那堵牆。

說白了,在時間足夠短的情況下,任何事情都會發生,而且最終一定會發生。

理解了這點,真空中的量子漲落現象就很好理解了,在極短的時間內,虛粒子對可以憑空出現,然後瞬間湮滅歸還能量,這並不違反能量守恆定律。

量子漲落現象,可以幫助我們更好地理解宇宙大爆炸時的「無中生有」。當Δt足夠小的時候(時間變化足夠小),ΔE(能量變化)就可以無限大,理論上甚至可以達到引發宇宙大爆炸。只不過這種情況發生的機率非常小,而且需要極其漫長的時間才有可能發生一次。但按照量子力學的詮釋,任何有可能發生的事情,最終一定會發生。而在宇宙大爆炸之前是沒有時間的,所以宇宙大爆炸的發生註定是必然的!

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