如何具体形象的理解量子物理学中的海森堡不确定性原理

2025-02-11 21:49:19
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回答1:

其实来说,不确定性原理和薛定谔的猫说的是一个东西的两个不同侧面:
所说的同一个东西,那就是粒子具有波粒二象性。
波粒二象性会带来什么样的后果呢?
其中一个后果就是,如果两个物理量A和B相互是不对易的(你现在不用明白不对易是什么意思),那么这两个物理量(一般)无法同时“测准”(这里解释一下:“测准”的意思并不是实验仪器不先进,精度不高之类的,而是从原理上当A取了一个确定的值之后,B的取值就是不确定的。为什么说一般呢,是因为有一些特例,比如说基态的氢原子,可以知道电子的总角动量为0,三个角动量的分量也为0,是可以同时知道的,然而三个角动量并不对易)。
量子力学最基本的对易关系告诉我们同一个方向的坐标和动量是不对易的,于是有了海森堡不确定关系。
(事实上呢,为了得到海森堡不确定性关系,一般是对波函数用Fourier带宽定理来做的。上面只是说明了如果坐标和动量是无法同时“测准”的。)
[举一个例子,也是一般提到不确定性原理常常举的例子:如果将粒子理解成波的话(这种理解其实并不完全是对的,但是在我们讨论的问题里面是对的),动量完全确定的粒子代表着一束平面波,然而平面波是弥散在整个空间的,所以它的位置不确定;如果粒子的位置完全确定的话,粒子就代表着空间里的一个很尖很尖的波包,然而这个波包所包含的动量就是完全不确定的。]
那么薛定谔的猫又是怎么回事呢?这里就要详细地解释一下为什么会“测不准”。
首先来说,对于一个量子态的测量会对这个量子态带来“毁灭性”的打击,也就是说一个量子态是很脆弱的,如果你去测量他,他就会发生变化。发生什么样的变化呢?量子态很听话,你测量它的动量的话,他就会变化到和动量有关的许多状态组成的集合(动量的本征态),这些状态都具有确定的动量。按照前面说的,这些状态就不具有确定的位置。所以任意去选择一个测量动量之后的状态,你都会得到一个确定的动量和不确定的位置。
现在已经说了足够多可以解释薛定谔的猫了,如果AB两个物理量是不对易的,比如说A是猫的颜色,B是猫是否活着(当然,在日常生活中这两个量肯定是对易的,因为猫是一个宏观的物体)。如果我们把一只猫放到一个暗盒里面,谁也不知道里面的猫到底是什么颜色,活着没有。如果这个时候,有人伸手从盒子里面揪出了一根猫的毛,发现猫是白色的,于是我们就测得了猫的颜色。但是这个时候,猫的死活就是不确定的(有可能你揪了人家一根毛人家就死了,只是我们不知道的)。
那么这个时候,如果我们再用红外线成像去测量一下猫是否还活着(注意是在刚才的基础上测量,不是重新测),那么猫的死活就是确定的了,但是猫的毛的颜色又变得不确定了(这个就和宏观的现象有很大的不同了。但猫就是这么自信,没办法)。
上面的例子和原来薛定谔猫的例子并不一样。
其实重点在于微观的粒子作为有波粒二象性的存在,和宏观上所熟悉的“定域性”和“确定性”有很大的不同的。
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