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量子力学为何不允许微观粒子同时拥有确定的速度和位置?

量子力学的诡异性想必不用多说,大家多少都听说过。不确定性是量子力学的核心思想,这个特性也是波粒二象性的直接体现。

不确定性决定了,微观粒子不用同时拥有确定的速度和位置,并不是量子力学不允许,只是人们发现了量子世界的这个规律罢了。

我们并不能改变这个世界的任何规律,只能不断发现大自然规律,然后加以利用。

那么,为什么说微观粒子不能同时拥有确定的速度和位置呢?

简单来说,就是因为微观粒子的不确定性原理,微观粒子的速度和位置的不确定性,必须不小于一个常数,这个常数就是h/4π,其中h代表普朗克常数。用公式表达就是:

ΔxΔp≥h/4π

其中,Δx是微观粒子位置的不确定性,Δp是动量也就是速度的不确定性。

如果微观粒子位置或者速度的不确定性为零,不确定性为零,意味着确定,就与上述不确定性公式发生了冲突。

不确定性原理是由物理学家哈森堡提出来的,一开始被称为“测不准原理”,只不过“测不准”三个字容易让人产生误解,好像是因为测量仪器不够精确造成的,事实上与测量仪器和测量方式无关,所以不确定性的叫法更为严谨。

不确定性原理描述的是微观世界的运动规律,与宏观物体的运动规律有很大不同。在微观世界里,我们不能同时确定一个粒子的速度和位置,但在宏观世界我们很容易做到。

比如说,一辆行驶在马路上的汽车,我们很容易得出汽车在某一时刻的速度和位置。但如果汽车是微观世界的粒子,我们就测量不出汽车的位置和速度了。为何会这样呢?

简单说,因为任何形式的测量行为都会导致微观粒子发生扰动,其状态就会发生改变。

测量就离不开光,而光具有波粒二象性。

我们想要看到物体,必须借助光。通过光的反射才能看到物体。由于光是有能量的,所以当光照射到一个物体上时,势必会对这个物体带来一些影响,具体来讲就是影响这个物体的位置和速度。

只不过由于光子的能量很小,宏观物体的质量又很大,所以光对宏观物体的影响微乎其微,可以忽略不计。

但在微观世界就不一样了,微观粒子的质量很小,和光子是一个级别的。

比如说,我们要想观测一个电子,就必须让光子击中电子,然后通过电子反射的光子信息获取电子的相关信息。

而光子击中电子,意味着电子就会获得能量,运动状态就可能会发生改变。

为了尽可能准确地测量到电子的位置,就需要采用波长更短的光才行,因为我们不可能把粒子的位置精确到比光的相邻波峰的距离更小的程度。

但是这样做就会带来一个问题,光的波长越短,意味着频率越高,能量也就越强,对电子的速度影响就越明显。

反之,如果我们想尽可能准确地测量电子的速度,就需要采用波长更长的光。波长越长,频率更低,能量就越低,这样我们确实能更精确地测量到电子的速度。

但是这样做同样会带来另外一个问题。波长越长意味着光的两个相邻波峰之间的距离就更大,这样就很难精确测量出电子的位置,位置会非常模糊。

所以,这就像“鱼和熊掌不可兼得”那样,我们必须对微观粒子的位置和速度信息进行取舍,想要获得更精确的位置信息,意味着速度就会更加不确定。而想要获取更精确的速度信息,位置就会变得更不确定。

位置和速度的不确定性满足量子力学的不确定性原理。

有人可能会说,不测量不就行了?不测量意味着就没有光子击中电子,电子的位置和速度就不会受到任何影响。

这也不行,甚至有点掩耳盗铃的味道。我们认知世界的最基本一点就是观测,不观测就没有任何意义,而只要有观测行为,就势必会有光子的参与,光子就会与微观粒子产生互动。

除非我们能够站在上帝视角,在不对微观粒子有任何影响的情况下,仍然能观测到它们!但这是不现实的。

迄今为止,人类知道量子力学的不确定性确实存在,客观存在的规律。并且,量子力学其实早已走进了我们的日常生活,量子力学的很多诡异行为,比如说量子纠缠,量子隧穿效应早已得到了广泛应用。

比如说手机和电脑芯片,就包含了量子科技。甚至我们的太阳每天发光发热,都离不开量子力学,准确地说是量子隧穿效应。如果没有量子力学,太阳就不会发光发热。具体原因这里就不再详述了,以后会有单独做一期这方面的科普,感兴趣的朋友可以提前了解一下。

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