海森堡不確定性原理與量子芝諾效應為什麼不矛盾?

嶽龍生

這個當然是不矛盾的,因為它們都是量子力學的基本事實。

量子芝諾效應說的是:如果你對一個不穩定的粒子持續觀測,那麼它就量子態就不斷坍縮,最後的結果就是它不能再衰變。這個在物理上已經被實驗證明,其實本質上還是因為觀測過程是一個光子參與的過程,光子破壞了原來的量子系統的單純性——這個是我的理解。也就是說,如果沒有觀測,就不可能有光子參與,那麼原來那個不穩定的粒子是可以衰變的。

這個量子芝諾效應是在量子意義上實現了芝諾一開始提出來的那個“飛矢不動”。換句話說就是(一個比喻):如果你盯著一個燒開水的水壺看,那麼這個水壺裡的水永遠不會開。

而海森堡不確定原理說的是兩個共軛的量子變量不可以同時測定——或者說它們的聯合的測量誤差總存在一個下限。這與量子芝諾效應沒有什麼關係。量子芝諾效應涉及到的其實是量子力學的波函數坍縮理論,與海森堡不確定原理是相互獨立的。


瀟軒

提問者可能混淆了芝諾效應與量子芝諾效應的區別。芝諾效應就是芝諾思考的阿基里斯追烏龜的故事:每次到了烏龜之前的位置,烏龜都會往前一點,這樣無限循環下去,只要時間和空間無限分下去,阿基里斯一直追不上烏龜。直到後來牛頓和萊布尼茲發明了微積分之後,速度有了嚴格定義,這不再是一個問題。海森堡不確定性原理使得時間和空間無法細分到無限小(除非能量和動量不確定度是無限大),所以說在量子力學裡,原始的芝諾效應更沒有生存空間了。

但量子芝諾效應是完全另外一回事,它只是借用了芝諾效應這個名稱,含義完全不同。量子芝諾效應是哥本哈根詮釋(測量導致波函數塌縮)的重要結論,即一個量子態遵循薛定諤方程演化時,如果一開始就不斷地測量這個量子態,它就會以極其接近1的概率不斷地塌縮回初始狀態。就好比阿基里斯每次只跑一點點就被拽回起點。當然這個用量子力學多世界詮釋也可以解釋,即世界不斷分裂,我們不斷活在概率極其接近1的初始態世界裡。

把海森堡不確定性原理和量子芝諾效應聯繫起來時,物理圖像是這個樣子:例如測量粒子的位置,量子芝諾效應使得這個粒子停留在初始位置,但這個初始位置本身有一個很小的不確定度Δx,它和粒子動量的不確定度Δp相乘,要滿足海森堡不確定關係:ΔxΔp≥h/2。由於普朗克常數h非常小(10的負34次方),一般的位置測量精度都遠達不到這個極限,而且位置測量需要靠相互作用,動量的不確定度已經控制不住了。


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