在量子世界,为什么微观粒子不能同时拥有确定的位置和速度?

宇宙时空探索 2024-10-05 18:01:36

并非物理世界不容许物体同时展现确切的地点与动量,而是通过实验观察,我们对这些现象的洞察被凝练成了一个表述。这正是量子力学的核心观念之一:海森堡的不确定性原理。

由于该原理极大程度地颠覆了我们的日常经验,它逐渐演变为一种广泛使用的象征,在各种媒体流中被用来探讨哲学议题,诸如虚无主义和荒诞主义。可能这个原理本身的模糊性让大多数听众感到困惑。

这并不奇怪。量子力学本身就被比作通往奇妙仙境的入口,展现了一个与宏观世界截然不同的微观领域。但我们可以尝试以更简洁的方式来理解这一理念。

20世纪初,一场新的物理学革命席卷了科学界。这一思想上的革命,颠覆了古典物理学的基石——世界的确定性和连续性。

普朗克首先提出,能量不是连续的,而是以一份份的“量子”形式发射和传播。之后,“量子”这一概念被进一步推广,涵盖了所有基本粒子。量子力学把物理学引入了一个深不可测、五彩斑斓的、神秘莫测的微观宇宙。

在这个宇宙中,所有物质的运动方式与我们所熟知的宏观世界截然不同,它们仿佛遵循着一套全然不同的物理规律。

1927年,德国科学家沃纳·海森堡针对基本粒子的灵活性给出了开创性的描述。

海森堡发现,在微观领域中,要想高精度地同时确定粒子的两个特性是不可能的。换言之,你可以极为准确地知道电子的位置,却对其动量一无所知,反之亦然。

这本质上缘于电子同时展现了粒子和波动的特性,这种“波粒二象性”变成了量子力学的根基。当我们测量电子的位置时,我们把它视为空间中一个特定点的粒子,但它的波长却是不确定的。而当我们测量其动量时,我们把它视为一个波动,这意味着我们可以确定它的波峰波谷,但却不能确定它作为一个点的具体位置。

简化理解,这种不确定性源自于量子尺度上粒子的波状行为,即使在经典的物理学中,我们也很难精确地测量波动的物理位置。我们在谈论物体的位置时,潜意识中总是将其简化为一个点来描述。

另一种更易理解但不够精确的解释是,任何物体只有通过反射光子才能被看见,但当物体小到粒子尺度时,一旦光子撞击到它,撞击点就是我们能确定的位置,但光子的能量必然会改变物体的动量。一旦我们要确定其动量,就不能再通过撞击的方式,这样我们就无法得到代表位置的撞击点。

因此,那些被称作观测决定一切的意识论,其实更像是荒诞主义的产物。尽管早期物理学界也曾有此类理论,但这是由于对量子属性的无知所致。

让我们来看一个公式:

其中,h代表普朗克常数,数值非常小,而π是一个固定值,位置的变动量Δx与动量的变动量Δp的乘积大于或等于一个常数,这表明Δx和Δp必然呈现此消彼长的关系。

对于宏观物体而言,Δx与Δp的值总是非常大,因为本质上它们都是近似值,而h/4π却是非常小的值,所以上述不等式总是成立的。

然而,随着Δx和Δp中任一值的减小,我们进入微观尺度,情况就大为不同了。当Δx和Δp中任一值更小(意味着更确定)时,另一值就必然更大(意味着更不确定)。

对于怀疑论者来说,你可以不接受这一不等式,任何新理论都可以挑战它,但至今为止,它仍然屹立不倒。目前,关于微观世界运动的描述,它依然是擂台上的冠军,科学界就是一个通过挑战决定真理的地方。无论何种理论,一旦被击败便要下台,谁站在台上谁就是权威,毕竟实力才是硬道理,放之四海而皆准。

最终,海森堡的不确定性原理远不止描述位置与动量关系这么简单,它还包含了对能量与时间关系的深刻洞见,甚至被用于解释宇宙的起源大爆炸。

在我看来,不确定性原理的关键不在于微观世界运动状态的不确定性,而在于让我们接受万物的矛盾与统一,至少在本质上是矛盾的统一。波动与粒子的二象性看似矛盾,实则和谐共存。

这种矛盾原本仅存在于形而上的哲学思考中,如今却在微观物理世界中显现。我们如何接纳这种矛盾,将成为未来科学发展的关键。科学一贯追求简洁之美,无可非议,因为简洁使得科学更易于应用。与哲学的纯粹思辨不同,科学的本职是服务于实践。

然而,简洁,或者说简单性,只适用于实践应用。简洁的线性逻辑在根本上永远无法自我证明,就像数学中的公理和哲学中的悖论。只有认清底层的矛盾和混乱,才可能构建有序的上层建筑。

矛盾、混乱、不确定性是生命力的源泉,而它们可以通过相互叠加,抵消无序性,形成有序的模式,这才是一个完善的世界体系。

0 阅读:0

宇宙时空探索

简介:用通俗的语言诠释科学