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经常被搞混淆的两个量子力学概念
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2023.04.19 北京

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    不确定原理和观察者效应,是两个不同的概念,但经常被人们混淆和误解。

    不确定性原理(Heisenberg Uncertainty Principle),是由德国物理学家海森堡于1927年提出的,它是量子力学中的一项基本原理,也被称为海森堡不确定性关系。

    海森堡本人曾经说过:“关于因果律,若精确知道了现在,就能预见未来,这种看法不正确,而且未经证明。我们无法知道现在所有的细节,这是一个基本原则。”这个说法可以解释为,由于量子系统存在着不确定性,即使我们知道某个粒子的初始位置和速度,也无法精确预测其接下来的运动轨迹。

    不确定原理,是指对于某些不对易的物理量,不能同时取得无限精度的结果。例如,动量和位置,是两个不对易的物理量,不能同时被精确地测量。位置和动量,是粒子最基本的元属性,它们通常被认为是互为共轭的量,即它们的精度不能够同时达到无限精确。这是因为这些物理量之间,存在着相互依存的关系,测量其中一个物理量,必然会对另一个物理量的测量结果产生影响。

    粒子位置的不确定性和动量不确定性的乘积,必须大于或等于普朗克常数除以4π(即:ΔxΔp≥h/4π)。其中,Δx表示位置的不确定性,Δp表示动量的不确定性,h是普朗克常数。该原理经过大量的实验验证,是量子力学的基本原理之一,也是解释原子和分子的结构、运动以及量子计算等现象的基础。

    不确定性是量子世界的内在禀性,它与人类的测量技术和测量方式无关。在很长时间里,不确定性原理,被错误地翻译为“测不准原理”。这种翻译,在一定程度上混淆了其真正的物理本质。因为“测不准”往往被理解为测量技术的水平问题。实际上,真正的不确定性,并不是由测量精度的限制所引起的,而是源于量子系统的固有属性。

    无论人类的测量技术如何发展,都无法消除微观世界的不确定性。即便使用最先进的测量技术,我们也无法同时准确地测量一个粒子的位置和动量,测量结果之间必然存在一定的误差。这是因为在测量的过程中,我们会对粒子产生干扰,从而改变它的状态和位置,这使得粒子的状态和测量结果变得不确定。

    不确定性原理,对我们理解和描述微观世界中的粒子行为,具有重要的意义。在实际应用中,不确定性原理被广泛应用于量子通信、量子计算和量子密码学等领域。例如,在量子通信中,使用不可克隆的量子密钥,来实现加密通信;在量子计算中,不确定性原理被用作量子算法的基础理论之一。

    量子力学中的不确定性原理,远远超出了物理学本身的范畴,一度转变为认识论和本体论的哲学问题。它挑战了我们对于客观物质世界的常识和直觉,同时也引发了一系列哲学的问题。如何解释和理解量子力学中的随机性、相对性、真实性、观察者的角色和意识的作用,等等,都需要上升到哲学高度。不确定性原理带来了诸多认知上的挑战,对于推动我们对客观物质世界的认知和理解,有着重要的意义。

    观察者效应(Observer Effect),是指观察过程本身会对被观察对象的行为或性质产生影响,从而导致观察结果与实际情况不完全一致。它是物理学、生物学和社会科学等多个领域都存在的现象。在量子力学中,观察者效应被特别强调,因为量子力学的测量过程是不可逆的,即观察过程会改变系统的状态,从而影响实验的结果。观察者效应所体现的基本思想是:测量与被测量之间的相互作用,会影响所观察的物理系统。

    在物理实验的测量过程,实验的观察者会改变物理系统的性质,因此需要考虑观察者对物理实验的影响。例如,一个电子的位置状态,在测量之前,它的位置状态是不确定的,可能出现在空间中的任何位置,我们只能讨论电子位置的可能性,而无法得到其精确的位置信息;只有进行测量后,电子的位置状态才会变得确定。这是因为量子系统在被观察或测量时,它的波函数会发生“崩塌”现象,即由一个可能性超多重态,变为一个确定的态。这个确定的态,可能不同于未被观察过的态。

    在实际应用中,观察者效应需要特别注意,因为它可能会影响实验结果的精度和可靠性。比如,在进行量子纠缠实验时,测量过程可能会导致纠缠状态的损失或破坏,从而影响测量结果,因此需要采取一些措施,来最大限度地降低观察者效应的影响。

    需要注意的是,观察者效应和观察者偏见(Observer Bias)是两个不同的概念。观察者偏见,是指观察者的主观因素、先入为主的观点等因素,导致观察结果产生偏差。

    不确定性原理和观察者效应的区别在于,前者是指由于相互依存关系而导致某些物理量不能被同时精确测量,而后者是指由于观察干扰而改变系统状态的现象。两者都是在研究量子系统时不可避免的基本概念,而且它们通常会同时出现在同一个物理问题中。

    不确定性原理和观察者效应之间,通常会存在某种交错和相互影响,这是因为它们所描述的两种效应,都与测量和观察有关。在进行测量和观察时,通常会对粒子本身造成一定的干扰,从而导致测量或观察的结果,不绝对精确或不同于未被干扰的情况。因此,对于量子系统的研究,同时考虑不确定性原理和观察者效应是非常重要的。

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