理论教育 海森堡的不确定性原则:重新审视

海森堡的不确定性原则:重新审视

时间:2023-07-06 理论教育 版权反馈
【摘要】:海森堡坚持认为,物理学家们应当承认,他们不可能真正观察到像原子中电子的方位及动量这样的基本情况。后来这个理论被命名为“海森堡的不确定性原则”。在讨论不确定性原则时,海森堡常常引用他和布克哈德·德鲁德曾经的一段对话。参考阅读//No. 77 互补性原理,第 158 页No. 78 EPR 悖论,第 160 页海森堡的不确定性原则为人们总结亚原子粒子的附加特征,例如它们的位置和动量,设置了一个基本限制。

海森堡的不确定性原则:重新审视

怎样确定它是什么意思

到了20世纪20年代初,量子理论似乎遇到了麻烦。原子被看作微型的太阳系电子围绕中央的原子核轨道运动(参考阅读:卢瑟福-玻尔模型,第154页)。然而,尽管应用于仅有一个沿轨道运行的电子的氢原子时,该模型适应良好,但当它应用于多电子的复杂原子时结果并不如人意。沃纳·海森堡想到了一个激进的解决方案,即抛弃电子围绕原子核运转这一古典观念。

海森堡坚持认为,物理学家们应当承认,他们不可能真正观察到像原子中电子的方位及动量这样的基本情况。所以,把电子当作在原子内部以稳定而可预见的方式移动的微型“行星”是不太可能的。

他的理论并未被大家接受。包括阿尔伯特·爱因斯坦在内的其他物理学家指出,实际上是存在电子以稳定而可预见的方式移动的情况的。比如在某些试验中,电子穿过装满压缩气体的云室后留下微小的痕迹。这说明电子曾有过稳定而(潜在)可预见的移动路径,这也暗示了电子在原子内部也以可预见的方式移动。

最后,海森堡宣称,这些“云室”试验仅仅形成了“电子曾通过可预见的路径穿过气体云”的印象。严格地说,物理学家们真正看到的其实是一个极其微小的电子和气体云中一些体积相对大许多的水滴之间发生的一系列相互作用。从总体上看,这些相互作用似乎暗示了电子曾以微妙而稳定的方式穿过气体云,然而海森堡却认为,实际上每一次相互作用,在任意给定时间点上电子所处的位置和动量如何的问题上,都只能给观察者造成一种非常近似(不确定)的感觉;这种模糊性就是亚原子世界的一种内在的基本特性。后来这个理论被命名为“海森堡的不确定性原则”。

穿过云室的电子在尾迹中留下微小的痕迹。(www.daowen.com)

在讨论不确定性原则时,海森堡常常引用他和布克哈德·德鲁德曾经的一段对话。德鲁德认为,一个足够强大的显微镜应当能够精确定位原子内部某一电子的所在位置。海森堡则提出,这种显微镜必须通过一种波长极短的光才能观察到电子这样微小的物体。然而,光波变得越短,光的能量也就变得越强。如果运用波长足够短的光去“看”某一个电子,就会发生一件不可避免的事:这种光所携带的巨大能量会以一种难以预料的方式改变该电子的动量。即使德鲁德的显微镜可以告诉我们在给定时间点上某一电子的精确位置,但它还是不能清楚地告诉我们该电子的精确动量。

参考阅读//

No. 77 互补性原理,第 158 页No. 78 EPR 悖论,第 160 页

海森堡的不确定性原则为人们总结亚原子粒子的附加特征,例如它们的位置和动量,设置了一个基本限制。

这是量子物理学中非常核心的理论。

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