一个关于不确定性原理介绍

一个关于不确定性原理介绍
一个关于不确定性原理
介绍

一个关于不确定性原理介绍
决定论 科学理论,特别是牛顿引力论的成功,使得法国科学家拉普拉斯侯爵在19世纪初论断,宇宙是完全被决定的.他认为存在一组科学定律,只要我们完全知道宇宙在某一时刻的状态,我们便能依此预言宇宙中将会发生的任一事件.例如,假定我们知道某一个时刻的太阳和行星的位置和速度,则可用牛顿定律计算出在任何其他时刻的太阳系的状态.这种情形下的宿命论是显而易见的,但拉普拉斯进一步假定存在着某些定律,它们类似地制约其他每一件东西,包括人类的行为. 宿命论 很多人强烈地抵制这种科学宿命论的教义,他们感到这侵犯了上帝干涉世界的自由.但直到20世纪初,这种观念仍被认为是科学的标准假定.这种信念必须被抛弃的一个最初的征兆,是由英国科学家瑞利勋爵和詹姆斯·金斯爵士所做的计算,他们指出一个热的物体——例如恒星——必须以无限大的速率辐射出能量.按照当时我们所相信的定律,一个热体必须在所有的频段同等地发出电磁波（诸如无线电波、可见光或X射线）.例如,一个热体在1万亿赫兹到2万亿赫兹频率之间发出和在2万亿赫兹到3万亿赫兹频率之间同样能量的波.而既然波的频谱是无限的,这意味着辐射出的总能量必须是无限的. 量子假设 为了避免这显然荒谬的结果,德国科学家马克斯·普郎克在1900年提出,光波、X射线和其他波不能以任意的速率辐射,而必须以某种称为量子的形式发射.并且,每个量子具有确定的能量,波的频率越高,其能量越大.这样,在足够高的频率下,辐射单独量子所需要的能量比所能得到的还要多.因此,在高频下辐射被减少了,物体丧失能量的速率变成有限的了. 量子假设的意义 量子假设可以非常好地解释所观测到的热体的发射率,但直到1926年另一个德国科学家威纳·海森堡提出著名的不确定性原理之后,它对宿命论的含义才被意识到.为了预言一个粒子未来的位置和速度,人们必须能准确地测量它现在的位置和速度.显而易见的办法是将光照到这粒子上,一部分光波被此粒子散射开来,由此指明它的位置.然而,人们不可能将粒子的位置确定到比光的两个波峰之间距离更小的程度,所以必须用短波长的光来测量粒子的位置.现在,由普郎克的量子假设,人们不能用任意少的光的数量,至少要用一个光量子.这量子会扰动这粒子,并以一种不能预见的方式改变粒子的速度.而且,位置测量得越准确,所需的波长就越短,单独量子的能量就越大,这样粒子的速度就被扰动得越厉害.换言之,你对粒子的位置测量得越准确,你对速度的测量就越不准确,反之亦然.海森堡指出,粒子位置的不确定性乘上粒子质量再乘以速度的不确定性不能小于一个确定量——普郎克常数.并且,这个极限既不依赖于测量粒子位置和速度的方法,也不依赖于粒子的种类.海森堡不确定性原理是世界的一个基本的不可回避的性质. 影响 不确定性原理对我们世界观有非常深远的影响.甚至到了50多年之后,它还不为许多哲学家所鉴赏,仍然是许多争议的主题.不确定性原理使拉普拉斯科学理论,即一个完全宿命论的宇宙模型的梦想寿终正寝：如果人们甚至不能准确地测量宇宙的现在的态,就肯定不能准确地预言将来的事件了!我们仍然可以想像,对于一些超自然的生物,存在一组完全地决定事件的定律,这些生物能够不干扰宇宙地观测它现在的状态.然而,对于我们这些芸芸众生而言,这样的宇宙模型并没有太多的兴趣.看来,最好是采用称为奥铿剃刀的经济学原理,将理论中不能被观测到的所有特征都割除掉.20世纪20年代.在不确定性原理的基础上,海森堡、厄文·薛定谔和保尔·狄拉克运用这种手段将力学重新表达成称为量子力学的新理论.在此理论中,粒子不再有分别被很好定义的、能被同时观测的位置和速度,而代之以位置和速度的结合物的量子态. 量子力学 一般而言,量子力学并不对一次观测预言一个单独的确定结果.代之,它预言一组不同的可能发生的结 量子力学中的不确定性原理 果,并告诉我们每个结果出现的概率.也就是说,如果我们对大量的类似的系统作同样的测量,每一个系统以同样的方式起始,我们将会找到测量的结果为A出现一定的次数,为B出现另一不同的次数等等.人们可以预言结果为A或B的出现的次数的近似值,但不能对个别测量的特定结果作出预言.因而量子力学为科学引进了不可避免的非预见性或偶然性.尽管爱因斯坦在发展这些观念时起了很大作用,但他非常强烈地反对这些.他之所以得到诺贝尔奖就是因为对量子理论的贡献.即使这样,他也从不接受宇宙受机遇控制的观点；他的感觉可表达成他著名的断言：“上帝不玩弄骰子.”然而,大多数其他科学家愿意接受量子力学,因为它和实验符合得很完美.它的的确确成为一个极其成功的理论,并成为几乎所有现代科学技术的基础.它制约着晶体管和集成电路的行为,而这些正是电子设备诸如电视、计算机的基本元件.它并且是现代化学和生物学的基础.物理科学未让量子力学进入的唯一领域是引力和宇宙的大尺度结构.