不确定性原理.docx
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1、不确定性原理在量子力学里,不确定性原理(uncertainty principle又译不确定原理、测不准原理)表 明,粒子的位置与动量不可同时被确定,位置的不确定性上与动量的不确定性遵守不 等式工Ap 互/2.其中,L是约化普朗克常数维尔纳海森堡于1927年发表论文给出这原理的原本启发式论述,因此这原理又称为海森 堡不确定性原理”。12根据海森堡的表述,测量这动作不可避免的搅扰了被测量粒子的运 动状态,因此产生不确定性。同年稍后,厄尔肯纳德(Earl Kennard)给出另一种表述。3】隔 年,赫尔曼外尔也独立获得这结果句。按照肯纳德的表述,位置的不确定性与动量的不确定 性是粒子的秉性,它们共
2、同遵守某极限关系式,与测量动作无关。这样,对于不确定性原理, 有两种完全不同的表述。追根究柢,这两种表述等价,可以从其中任意一种表述推导出另 一种表述。可:1。长久以来,不确定性原理与另一种类似的物理效应(称为观察者效应)时常会被混淆在一起。 57观察者效应指出,对于系统的测量不可避免地会影响到这系统。为了解释量子不确定性, 海森堡的表述所援用的是量子层级的观察者效应。冏之后,物理学者渐渐发觉,肯纳德的表 述所涉及的不确定性原理是所有类波系统的内秉性质,它之所以会出现于量子力学完全是因 为量子物体的波粒二象性,它实际表现出量子系统的基础性质,而不是对于当今科技实验观 测能力的定量评估。9在这里
3、特别强调,测量不是只有实验观察者参与的过程,而是经典物 体与量子物体之间的相互作用,不论是否有任何观察者参与这过程。1。】注1类似的不确定性关系式也存在于能量和时间、角动量和角度等物理量之间。由于不确定性原 理是量子力学的重要结果,很多一般实验都时常会涉及到关于它的一些问题。有些实验会特 别检验这原理或类似的原理。例如,检验发生于超导系统或量子光学系统的“数字一相位不 确定性原理”。1213对于不确定性原理的相关研究可以用来发展引力波干涉仪所需要的低噪 声科技。历史编辑紧跟在汉斯克拉默斯(Hans Kramers)的开拓工作之后,1925年6月,维尔纳海森堡发 表论文运动与机械关系的量子理论重
4、新诠释(Quantum-Theoretical Re-interpretation of Kinematic and Mechanical Relations),创立了矩阵力学15。旧量子论渐渐式微,现代量 子力学正式开启。矩阵力学大胆地假设,关于运动的经典概念不适用于量子层级。在原子里 的电壬并不是运动于明确的轨道,而是模糊不清,无法观察到的轨域;其对于时间的傅里叶 变换只涉及从量子跃迁中观察到的离散频率。海森堡在论文里提出,只有在实验里能够观察到的物理量才具有物理意义,才可以用理论描 述其物理行为,其它都是无稽之谈。因此,他避开任何涉及粒子运动轨道的详细计算,例如, 粒子随着时间而改变的确
5、切运动位置。因为,这运动轨道是无法直接观察到的。替代地,他 专注于研究电子跃迁时,所发射的光的离散频率和强度。他计算出代表位置与动量的无限矩 阵。这些矩阵能够正确地预测电子跃迁所发射出光波的强度。同年6月,海森堡的上司马点斯玻恩,在阅读了海森堡交给他发表的论文后,发觉了位置 与动量无限矩阵有一个很显著的关系一T它们不互相对易。这关系称为正则对易关系,以方 程表示为f16::r, p xp px 洗。在那时,物理学者还没能清楚地了解这重要的结果,他们无法给予合理的诠释。1926年,海森堡任聘为哥本哈根大学尼尔斯玻尔研究所的讲师,帮尼尔斯玻尔做研究。在 那里,海森堡表述出不确定性原理,从而为后来知
6、名为哥本哈根诠释奠定了的坚固的基础。 海森堡证明,对易关系可以推导出不确定性,或者,使用玻尔的术语,互补性17:不能同 时观测任意两个不对易的变量;更准确地知道其中一个变量,则必定更不准确地知道另外一 个变量。在他著名的1927年论文里,用海森堡写出以下公式AxAp 沮 ho这公式给出了任何位置测量所造成的最小无法避免的动量不确定值。虽然他提到,这公式可 以从对易关系导引出来,他并没有写出相关数学理论,也没有给予,和确切的定义。他只给出了几个案例(高斯波包)的合理估算。在海森堡的芝加哥讲义里,他又进一步 改善了这关系式:AxAp ho1927年厄尔肯纳德(Earl Kennard)首先证明了现
7、代不等式冏: 互/2;其中,圣是位置标准差,户是动量标准差,上是约化普朗点常数1929年,霍华德罗伯森(Howard Robertson)给出怎样从对易关系求出不确定关系式。观察者效应编辑不确定性原理时常会被这样解释:粒子位置的测量不可避免地搅扰了粒子的动量(这结论可 以从海森堡显微镜实验获得),以方程表示,冏&11其中,是测量位置所出现的误差,;是动量被测量位置的动作所搅反之亦然,粒子动量的测量不可避免地搅扰了粒子的位置(这结论可以从多普勒速率表实验 获得),以方程表示,冏:11-12:, A1 土 .;其中,、-是测量动量所出现的误差, “ 是位置被测量动量的动作所搅扰才出现的误差。换句话
8、说,不确定性原理是一种观察者效应。这解释时常会被曲解,在概念上,似乎测量所 产生的搅扰是可以避免的,因为粒子的量子态可以同时拥有明确的位置和明确的动量,问题 是现今最先进实验仪器仍旧无法制备出这些量子态。但是,这概念并不正确,同时具有明确 位置与明确动量的量子态并不存在,不能归咎于实验仪器。根据量子测量理论,测量必定会 造成或大或小的搅扰,这观察者效应是无可避免的一可以更准确地测量位置,但动量必遭 遇更大的搅扰;可以更准确地测量动量,但位置必遭遇更大的搅扰。海森堡并没有专注于量子力学的数学表述,他主要的目标是在建立一种事实一不确定性是 宇宙的一种特性;任何实验绝对无法,超过量子力学所允许范围,
9、更准确地测量一个粒子 的位置和动量。在证明这事实时,海森堡的物理论点是以量子的存在为基础,而不是使用整 个量子力学形式论。海森堡这样做的主要原因是,在那时,量子力学尚未被学术界广泛的接受。不确定性原理是 个相当诧异的结果。许多物理学家认为,明确位置与明确动量的量子态的不存在,是量子力 学的一个瑕疵。海森堡试图表明这不是一个瑕疵,而是一个特色,宇宙的一个又深奥微妙, 又令人惊讶的特色。为了要达到这目的,他不能使用量子力学形式论,因为他要辩护的正是 量子力学形式论本身。海森堡显微镜实验编辑主条目:海森堡显微镜实验海森堡假想测量电子(蓝点)位置的伽马射线显微镜。波长为J的侦测伽马射线(以绿色表示),
10、被电子散 射后,进入孔径角为的显微镜。散射后的伽马射线以红色表示。在经典光学里,分辨电子位置的不确定为了解释不确定性原理,海森堡设计出伽马射线显微镜思想实验箜。在这实验里,实验者 朝着电子发射出一个光壬来测量电子的位置和动量。波长短的光子可以很准确地测量到电子 位置;但是,它的动量很大,而且会因为被散射至随机方向,转移了一大部分不确定的动量 给电子。波长很长的光子动量很小,这散射不会大大地改变电子的动量。可是,电子的位置 也只能大约地被测知。根据瑞利判据,显微镜准确分辨电子位置的不确定性上,大约为其中,是显微镜的焦距,L是光子波长,。是孔径的直径。假设电子原本的位置是在显微镜的隹点taut?
11、= D/2/;其中,是孔径角,对于小角弧,言H所以,工 h A/20由于动量守恒定律,光子的碰撞会改变电子的动量。根据康普顿散射理论,电子动量的不确 定性户是Ap a; psin(20) a 2h9/A;其中, J 1,是光 子的动量,/,是普朗克常数对于这测量运作,位置不确定性和动量不确定性的乘积关系为AjAp r h这是海森堡不确定性原理的近似表达式。:21在这实验里,被测量的物理量是位置,白,是测量误差,而被搅扰的物理量是动量,户是搅扰误差H;S;,因此,%erturb在经典力学里,在测量物体时,搅扰可以被消减得越小越好,但在量子力学里,存在着一个 基础下限,搅扰不能低于这基础下限,并且
12、,这搅扰无法被控制、无法被预测、无法被修正。 海森堡显微镜实验创新地给出这两种限制罚:47-50。单狭缝衍射编辑单狭缝实验示意图。粒子的波粒二象性的概念可以用来解释位置不确定性和动量不确定性的关系。自由粒子的波 函数为平面波。假设,这平面波入射于刻有一条狭缝的不透明挡板,平面波会从狭缝衍射出 去,在档墙后面的侦测屏,显示出干涉图样。根据单狭缝衍射公式,从中央极大佰位置(最 大波强度之点)至U第一个零点(零波强度之点)的夹角,为sin 9 = X/u其中,L是平面波的蛙,是狭缝宽度。给定平面波的波长,狭缝越窄,衍射现象越宽阔,越大;狭缝越宽,衍射现象越窄缩,:越 小。当粒子穿过狭缝之前,在y方向
13、(垂直于粒子前进方向,x方向)的动量是零。穿过狭缝 时,粒子的遭遇搅扰。新的E可以由粒子抵达侦测屏的位置计算出来。E的不确定性大约是Apy a p sin 9 p9 pjw当粒子穿过狭缝时,粒子的位置不确定性甘是狭缝宽度:,。所以,位置不确定性与动量不确定性的乘积大约为R Apo从德布罗意假说-七所以,位置不确定性与动量不确定性遵守近似式陛:64-66AyApy 幻 h在这实验里,被测量的物理量是位置,上是测量误差Em,而被搅扰的物理量是 动量,3七是搅扰误差 H :;:.,因此,yme QsiiJ -E -Pye rturb 幻互。理论概述编辑在数学方面,位置与动量之所以会存在有不确定性关系
14、,纯然是因为表达于位置空间与动量 空间的波函数分别是彼此的傅里叶变换(也就是说,位置与动量是共轭对偶)。在傅里叶分 析里,类似的关系式也会出现于其它傅里叶共轭对偶。例如,在声学里,纯音的音波频率集 中于单一频率,其傅里叶变换给出的在时域内的声波形状完全不具局域性(去局域性)的正 弦波。在量子力学里,粒子的位置与动量是共轭对偶,粒子在位置空间的位置旱物质波的形 状,动量可以用德布罗意关系式尸=给出,其中,;.是物质波的波数按照量子力学的数学表述,任意代表不相容可观察量的共轭对偶必须遵守类似的不确定性限 制。可观察量的本征态代表测量结果为其对应本征值的量子态。例如,给定不相容可观察量 业、优假若对
15、于可观察量.做测量,则在测量之后,系统的量子态会是的某个本征态匚。这本征态I 通常不会是B的本征态。 注2甲=心中靠-E)平面波呼=W波包德布罗意波的1维传播,复值波幅的实部以蓝色表示、虚部以绿色表示。在某位置找到粒子的概率(以颜 色的不透明度表示)呈波形状延展。波动力学里,波函数描述粒子的量子行为。在任意位置,波函数绝对值的平方是粒子处于那 位置的概率;概率越高,则粒子越常处于那位置。动量则与波函数的波数有关。根据德布罗意假说,物体是物质波,这性质称为波粒二象性。粒子的位置可以用波函数%.匚描述。假设这波函数的空间部分是单色平面波,以方程表示也宾)区己枷=己啊九其中,*,是波数,尸I;是动量
16、。玻恩定则(Born rule)表明,波函数可以用来计算概率,在位置与&之间找到粒子的概率厂 为Pa x 1。能量-时间不确定性原理编辑除了位置-动量不确定性关系式以外,最重要的应属能量与时间之间的不确定性关系式无疑。 能量-时间不确定性关系式并不是罗伯森-薛定谔关系式的明显后果。但是,在狭义相对论里, 四维动量是由能量与动量组成,而四维坐标是由时间与位置组成,因此,很多早期的量子力 学先驱认为能量-时间不确定性关系式成立:5ABAf -可是,他们并不清楚上,的含意到底是什么?在量子力学里,时间扮演了三种不同角色:伽时间是描述系统演化的参数,称为外在时间”,它是含时薛定谔方程的参数,可以用实验
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