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了解量子的不确定性原理,它不是因为我们仪器不够精确!

到目前为止,我们还不能完全理解量子力学,因为它实在是太违反常识了,完全颠覆了传统的世界观,有时候甚至会让人感到很可怕。所以即使是很多顶尖的科学家,甚至是量子力学开山鼻祖级的人物,都可能会不敢相信量子力学的结论,最终站到了量子力学的对立面。

这是因为对于微观粒子的研究发现粒子的分布并不是确定的,而是一个随机事件,我们不能确定粒子的位置,只能掌握粒子出现的概率。所以严格的因果关系荡然无存,统治科学界几百年的决定论就被打破了。人们发现概率深藏在宇宙底层,上帝的确是在掷骰子。

其实,我们就算完全确定了一个电子的初始状态,也无法预测电子出现的位置。不光如此,一位科学巨人海森堡发现,我们连完全确定电子的初始状态,这一点也是做不到的。海森堡在研究量子力学的过程当中,使用了一种很不常见的数学方法,通过推导之后,他发现了一个奇怪的方程。

简单一点来说的话,就是如果用英文字母P来代表电子的速度,Q来代表电子的位置的话,那么P乘以Q却不等于Q乘以P,这相当于不符合乘法交换律。

海森堡被这个方程困扰了很长一段时间,一直不明白这背后究竟有什么物理意义。直到有一天海森堡突然醍醐灌顶,做出了一个特别大胆的猜测,他觉得这代表着如果我们先观测电子的速度,就会影响电子的位置。反过来,如果先观测电子的位置,也会影响电子的速度。

之后通过数学计算,海森堡终于确认了自己的猜想,测量速度的误差和测量位置的误差,两者的乘积一定是大于某个常数的。意思就是说如果对速度的测量越精确,那么对于位置的测量就越不精确。

反过来也一样,对于位置的测量越精确,那么对于速度的测量就越不精确,所以这么看来,电子的位置和速度是互补关系。就像是跷跷板一样,按下这头翘起那头,我们永远无法同时确定一个电子的速度和位置。

这个原理就是大名鼎鼎的海森堡测不准原理,再准确的说应该叫做不确定性原理。

后来还发现,能量和时间也存在着这种互补关系。如果能量测量的越精确,时间就越模糊。如果时间测量的越精确,能量就会开始起伏不定。各种物理量都遵循海森堡的不确定性原理,难以琢磨。

在电子双缝实验当中,波恩的概率解释证明了,即使是给出全部的条件,我们也不能够预测结果。而海森堡的不确定性原理证明,我们连给出所有条件都做不到。

最重要的是,我们不能同时确定电子的位置和速度,并不是因为我们的测量技术不够强!而是因为根本不存在一个位置和速度完全确定了电子。

这个道理相当于我们造不出永动机,不是因为我们技术不够好,而是永动机本身是不可能存在的。

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