03.07 如何理解海森堡不确定性原理?原因是什么?

探索之子


海森堡的父亲是一位古典学家(研究古希腊/罗马时期的经典著作),从这个角度海森堡在古典哲学方面是颇有家传的。

海森堡(右)与其兄送他们的父亲上一战战场。

那么海森堡提出量子力学和他的哲学素养有什么关系吗?读海森堡的早期著作以及他后来的回忆,我们发现海森堡提出量子力学还真和他的哲学倾向有关。

据海森堡自己回忆,他在德国一战后“内战”期间“从军”的空闲时间,曾阅读柏拉图的蒂迈欧篇,他发现自己极其厌恶柏拉图的那种把原子想象为具体的几何实体的思路,他认为这些都是不切实际的空想。

柏拉图的原子:五种正多面体,海森堡对这种具象原子模型的反感代表着他对机械原子模型的否定。

海森堡自己后来构建量子力学的思路就是不从粒子的位置和动量出发,转而从原子光谱实验里的跃迁法则及跃迁强度出发,由实验可以观测到的量出发构建量子力学。这就是后来的矩阵力学。

类似地,海森堡也习惯用一种操作主义的语言来描述自己发现的海森堡不确定原理(或测不准关系)。

测不准关系论证示意图。

海森堡的原始论证是这样的:

考虑电子双缝干涉,两个缝之间的距离是l,为了测量电子的位置(或电子是从哪个缝出射),光源P发出的测量光子必须具备至少l的分辨本领,即光波波长要小于等于l。这意味着光子的动量大于等于h/l。

光子在测量电子位置的同时,会把动量转移给电子,这样电子动量测量的不确定度就是大于等于h/l。

小结一下:

电子位置测量的不确定度是l,而电子动量测量的不确定度是大于等于h/l,因此位置测量不确定度乘以动量测量不确定度的乘积就必须大于等于h。

这里h是普朗克常数,需要说明的是以上给出的是海森堡初始的证明思路,现在我们讲解(论证)不确定原理时并不强调测量,换句话说不确定原理是量子力学本身的内在属性,和是否测量、怎么测量没有关系。

这(不确定原理)很客观。


物理思维


1924年,德布罗意提出了物质波,1925年1月,泡利提出了不相容原理,这是一个星光灿烂的年代,论文如雨后春笋般冒出来,稍微晚一步就会被人抢先,海森堡当然不会落后。

1925年,海森堡、波恩、约当提出了矩阵方程,这还不是测不准原理,不过这已经是量子力学的第一个数学表达形式了,不过好玩的是当初海森堡并不知道矩阵这种数学形式,都打算自己定义了,后来被提醒这东西早就有了,这说明海森堡数学水平一般,这一点很重要,后面会提到。

虐猫狂人薛定谔表示不服,矩阵那东西看不太明白,还是用爵爷创造的微积分吧,1926年,薛定谔用微积分推导出来了波动方程,大家一阵欢呼,因为大家都对微积分比较熟悉,可是这是不是说明海森堡错了呢?

当然不是,薛定谔证明矩阵方程和波动方程是等价的。

不过,海森堡感到很郁闷,明明是自己先提出了矩阵的思想,可是因为数学不行,被弄成了和波恩约当合作,薛定谔还证明了波动方程和矩阵方程等价,这该咋办啊。

1927年,海森堡提出了测不准原理,这次别人可抢不了了。

测不准原理是说不可能同时准确测出粒子的位置和速度,这个说法有点太玄妙了,已经有点不象物理学了,有点哲学意味了,没错,海森堡确实是一个哲学家。

这个原理一提出就引起了轩然大波,爱因斯坦那句“上帝不掷骰子”就是从这开始的,后来爱因斯坦提出EPR,就是俗称的量子纠缠,就是为了反对测不准原理,泡利第一个要海森堡做出解释,泡利啊,你这不是趁火打劫吗?虽然你自认为是爱神的马仔,也不能这样吧,毕竟你也是量子力学的一员大将不是,海森堡想了想没说话,薛定谔干脆扔出一只不死不活的猫来恶心量子学派,薛定谔你这是干嘛呢?你也是量子学派的一颗星星好不好?

扯远了,继续说测不准原理,虽然说测不准原理充满了哲学思辨,但也是计算出来的,海森堡虽然数学不咋地,但加上哲学家的思维就无往不利了。

对于量子力学和经典力学有一个比喻,是这么说的,经典力学的科学家是看看一场歌剧,无论观众如何叫好,都不会影响故事的情节,而量子力学就好比看一场足球比赛,观众的呐喊助威是会影响比赛的结果的。

具体来说,就是对粒子的测量方法是会影响测量结果的。

海森堡指出,要想测量粒子的位置和速度,最好是用光照到一个粒子上的方式来测量,一部分光波被此粒子散射开来,由此指明其位置。但不可能将粒子的位置确定到比光的两个波峰之间的距离更小的程度,所以为了精确测定粒子的位置,必须用短波长的光。

而普朗克指出,不能用任意小量的光,至少要用一个光子,而这个光子会扰动粒子,并以一种不能预见的方式改变粒子的速度。

所以,简单来说,就是如果要想测定一个粒子的精确位置的话,那么就需要用波长尽量短的波,这样的话,对这个粒子的扰动也会越大,对它的速度测量也会越不精确;如果想要精确测量一个粒子的速度,那就要用波长较长的波,那就不能精确测定它的位置。

海森堡经过计算得出,这个数学水平他还有,这就△x△p≥h/4π,其中h就是普朗克常数。

测不准原理的故事就说完了,但是海森堡的故事还没有完。

让我们回到那战火纷飞的年代,二战期间,谁先造出核武器就意味着谁掌握了战争的主动权,当时大家纷纷跑到了美国,但是海森堡却留下来为德国制造核武器,为什么呢?

没人知道,海森堡曾说过,他当时曾和老师玻尔约好,咱们谁也不造出原子弹,因为这种武器会敲响人类的丧钟,所以啊,我在德国,你在美国,咱们联手保护人类。不过这种说法并没有得到玻尔证实。

但是德国最后也没有造出原子弹来,为什么啊?还记得刚才那个知识点吗?因为海森堡数学差啊,他算错了数,当然,也可能是他故意算错的,不过,真相已经淹没在了历史的迷雾中。

不过,在1970年,海森堡获得了以他的老师玻尔名字命名的“玻尔国际奖章”,而这个奖章是专门奖给在原子能和平利用上做出巨大贡献的科学家的。

这是什么意思啊?太测不准了吧,对这就是海森堡,他的一生和他的理论一样充满了不确定性。





闲时乱翻书


回答这个问题我们先从对易关系说。起初海森堡把波尔的假设改了一条,根据当时的有限实验,只有光谱图,而一条光谱是和两条轨道有关,这让海森堡自然而然的想到了矩阵,这样一个力学量我们就要用一个矩阵来描述。但是这样将面临一个难题,就是矩阵不满足交换律,AB≠BA。因此海森堡写了个论文,据说没人看得懂,都不知道他说什么。后来狄拉克发现对易子的算法和泊松括号很像。最后才知道海森堡的论文原来写的是矩阵。XP的对易子=ih棒×单位矩阵I。这里的动量是和坐标共轭的那个方向。这也标志着矩阵力学诞生了。但是用这种方法解氢原子能级太困难了,也只有泡利可以。转年德布罗意和薛定谔就开创了波动力学,这种微分方程形式所有人都会。所有人都是开心的,不开心的只有海森堡。他决定重新审视自己的矩阵力学。这样不确定原理就出来了。力学量的不对易意思是两个力学量不可以同时无限精度的测准。这个发现波动力学可给不出。最后就有了我们熟悉的测不准原理


大嘴猴82927177


前几天晚上在一条新修好的马路上散步,大约每三十米一个路灯,照得我的影子不低于三个,我边走,这些影子同步一起在变化,有叠加,有交替,随着我的走动围绕着我不断变化。但是我却测不准哪个影子才是我真实的影子。

我想测量其中一个,但另几个却变化了。回头测这几个,原来的影子又动了。

虽然都是我的影子,却都在和我玩捉迷藏。

假如我是物质,产生出光发散为a,b,c三点差异成为背景(灯),那影子是否可比喻为量子?

当我处于三点差异中(三个灯)任意二点(二个灯)中间时,我有一对影子是相对等的。

光(灯)本身可以无差异,由于与我(物质)比对,所以出现客观差异,影子就是差异比对反应。存在a,b,c三个基本点(三个影子重叠点)。

我(物质)本身就是空间(abc,长宽高),只不过产生光后才真实反映出来。

这也是相对空间出现的一种表现。

无论往无限大的池塘里扔什么形状的东西,最后都只会形成一个圆形波。而最中心也会形成一个a,b,c叠加的点。

这就是空间。


夜猫子222859756


其实,海森堡发现的“测不准原理”,是指“一对共轭物理量不能同时测准”,而不是“一个物理量不能测准”。例如,单独测量一个粒子的位置,或者测量粒子的动量,都是可以“测量准确”的(不是具体测量中的“不确定度”),而不是“测不准”的。但如果想同时测准那个粒子的“位置”和“动量”,那么,测量值的“不确定度”就必须满足“测不准关系”(那个不等式)。那个关系意味着,如果测量“粒子位置”的不确定度是零(无限测准),那么同时测量它的动量的不确定度,就是“完全测不准”。

如果从“波动力学”角度去理解,就可以发现,如果要求“测量动量很准”,粒子的波函数一定是一个“三角函数”,这个“三角函数”一定是“弥漫在整个空间”的,意味着“空间到处都有测量到的几率”,完全测不准它的位置。不存在一个“波函数”,既有确定的位置,又有确定的动量。

但对“非共轭的物理量”来说,就不存在这样的“测不准关系”。例如可以同时测准一个粒子的动能和能量。

也不能将关于“一对共轭物理量的测不准关系”,与“测量一个物理量的不确定度”混为一谈。这两个是完全不同的概念。


手机用户58903279720


海森堡不确定性原理来自于(uncertainty principle)粒子本身,即粒子内在的不确定性,而不是由测量手段引起的。在量子力学中,任何粒子都具有波动性和非对易关系,可以自然地推导出海森堡不确定性原理。

海森堡在1927年靠非对易关系提出了不确定原理,当时他误以为这个不确定原理只是测量手段的极限引起的,并没有给严格的证明。但是Robertson和薛定谔分别在1929年和1930年独立地利用粒子非对易关系严格推导出了海森堡不确定原理,即发现它是粒子内在的属性,跟测量手段无关。

需要注意的是粒子的波动性和非对易关系是互相等价的,可以互相推导出彼此(即海森堡表象和薛定谔表象的等价),不能说谁比谁更基本,不确定原理虽然可以作为非对易关系的推论,但也是和二者等价的,所以认为它们是同一深层次的原理。不过在量子力学公理体系中,习惯上把粒子的波动性列为基本的公理,不确定原理作为推论。


九维空间


不确定原理与测不准是人类对自然界的感觉现象,如果以人类对万物的客观实在性的绝对确定,那么不确定与测不准才能称谓原理,实际上不确定性与测不准是对标准模型的否定,也是对自然界存在最小尺寸的普朗克尺度的否定,也是对自然界存在最小最基本的质量产生体的否定,从不确定性与测不准的深度理解,实质是否定了当代的整个定质定态理论体系,所有以等号用数学逻辑建立起来的方程体系都是不确定的,这些方程描述并获取的准确数据是不准确的。为什么会这样?这就要从物质产生的根源及其演化机制去理解。

宇宙的本质就是存在,无论万物怎样变化演化始终还是叫做自然存在,存在的方式和显性就是运动,假如不动不变存在依然是存在但无任何可感知性,所以动是体现存在的方式,人类及其宇宙万物都是自然存在下的动态几何造型体,也就是说在自然界里任何一物一态都是不同运动规模的几何结构造型,运动不是绝对的循环而是动中生变,其结论就是自然界的万物是演化存在而不是不变的绝对存在,任何物任何时刻都在变都在演化并且任何物任何时刻的存在几何造型态都不会重复,不但不会重复而且还绝对不相同,无论过去现在未来万物都不会重复都不会相同,这就是自然界的演化存在性,需要证明吗?需要用人类的数学方程式推导吗?根本不需要,任何万物都是证据,没有人能找到绝对相同与绝对重复的物质,无论多大的天体多小的粒子,从这里再去回味人类对园周率永远不重复不为零不循环也就不以为然。

选成自然界的无限不循环不相同性是万物的演化性,为什么会演化?人类感知并称谓的万物实质是构成宇宙存在下的不同运动规模动态,动态以耦合达到互为承载的动态平衡体成为万物的有型演化体,上至无限大的天体也就是宇宙,下至无限小的粒子都是由耦合自旋创生而来,都不会无源开泰无物转化而创生,说句心里话从万物演化角度分析,宇宙大爆炸理论不如神创论靠谱,神创万物造人还来源于用物制造,可是大爆炸奇点论是近似无物的无空间创造,让人的感觉不可理喻,这就是人类自己用人类的数学逻辑推理来忽悠自己对万物的感知。

耦合自旋是产生永无止境永不重复永不相同的动态演化根源,耦合源于能量动态的对立收缩态自旋合并,如电子的创生星系的合并,自旋由于是收缩对立非钢性碰撞合并,这就使合并体成为内外线速等速体,耦合的对立收缩双方挤压是产生挤压临界塌缩形成自旋中心的根源,例如台风的风眼星系中的黑洞等等,这样的无内外线速差自旋体产生内动角速超前,使逐层向内收缩挤压,产生半径自旋内落,人类在生活中绕纯子缠水管的生料带都是顺缠顺绕,越旋越紧,天体中耦合体的对立惯性速度成为线速不变与水管生料带不会加长的原理是等同的,天体自旋缩小将压缩天体物质释放巨大能量,人们生活中顺缠顺旋压缩使物体更紧发热,这些说明自然现象都是相同的存在方式,型变是能量产生和转移的根本,物质体的型态改变是物质体外的环境而不是物质体本质属性,测不准与不确定的根源就在于测的物体与被测的物质体都是自然界的动态演化体,决定型态与存在的空间点位都是由环境动态确定的,人类站在小范围小规模的环境中感知万物体都是测不准也不确定是正确的,但站在自然演化的总体动态在一定空域空间内一切都是确定的,自然界的一切演化结果都是必然结果,不存在偶然结果,人类之所以有偶然一说,关键是对自然演化的变数不能全知,例如一个人一棵植物可改变他人它物但改变不了自己,从微观分析,任何一粒电孑的时刻型态都是电子外的能量动态确定的,电子自己确定不了自己型态,电子的时刻动态都是由环境确定而不是电子本质属性,如果将电子的变化演化过程态定义为量子,量子力学也就升格为因能量运动而演化为动态力学,这就与万物作为不同动态规模的演化体构成的宇宙万物统一起来,用动态平衡原理去解释各自不同节点的自然现象,人类对自然也就不再迷惑。(本文原创,个人研究结论供参考)


宇宙谱


扯几句,算是抛砖引玉,还是希望有dalao从其他方面教我一下

先概括一下:

考虑两个可观测量A、B,[A,B]≠0

则在同一态下,你可以看见:

〈(ΔA)^2〉 · 〈(ΔB)^2〉 ≥ (〈[A,B]〉^2)/4,简记为ΔA · ΔB ≥〈[A,B]/2〉

其中(ΔA)^2 = 〈A^2〉 - 〈A〉^2

你都问怎么理解了,大概不用我扯怎么推、啥意思之类的废话了吧

我个人觉得主要从A、B的对易性理解合适,若A、B会互相影响,那求出的A、B总会有误差,且误差有下限,所以我的理解方向是A、B间的互相干扰

Δx ·Δp ≥ h/2就是个经典例子(不会打横线…_(:з」∠)_

无耻地自赞(逃…


消息小组147312590


海森堡的不确定性原理是怎么样得出来?

很抱谦,这个问题无能做回答。

我只知道,海森堡是德国物理学家,量子力学创立者。

维尔纳,海森堡自已对于不确定性原理的解释是:

“粒子的位置确定越精确,它的动力就赴不精准,反之亦然”。

但这个原理是怎么得来的,我们想是经过多次反复实验,最终得出原理。


文笔缘


不确定,对于人类来说,是一种客观存在;

原因在于有一种存在叫“时间”,时间是生命的维度,或许有来世但对个人来说是不可逆的。

不确定对应的应该就是这种“不可逆性”,只有到了这个点以后,才能确定真假,才有取舍,才会云开见日;常说的“不是不报,时间未到”,也意味着这种确定的不确定吧…

你尽可以发挥各种想象,但未必能做到;如同,大家尽管问,但不一定有人来答一样。和多少人来答题,答了有多少人来看,似乎好像有点知道其中的奥秘,但要实际发生了才能确定,一个道理!这是确定无疑的…


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