怎么理解不确定性原理,不确定原理通俗解释

首页 > 经验 > 作者:YD1662024-03-10 13:19:10

电子双缝干涉实验

如果非要搞清楚其中的缘由,看看电子到底是通过了哪个细缝。那就需要测量电子的一些信息。比如电子的速度,质量和位置。其实测量出电子的速度就可以算出电子的动量,因为质量很好测,关键在速度(动量=质量×速度)。如果我们知道电子以多大的速度,在什么位置运动,就可以跟踪它,看看它到底是经过了栅栏的哪一条细缝,这样就搞清问题的缘由了!

怎么测量电子的速度和位置?

首先用什么测?当然是显微镜啊,但不能用只能看见细胞的反射式光学显微镜,因为它看不见电子。电子那么小,需要更高端的显微镜才可以。这种显微镜可以发射光线打到电子上,再反射回来,这样就携带了电子的一些信息。

首先测量电子的位置。我们用显微镜随便发射光子去碰撞电子,会发现什么都测不到。因为光子的选取是有讲究的,电子那么小,测量电子就需要波长很短的光,波长太长的光,波峰之间的距离大,测出的电子位置的误差也就大。

怎么理解不确定性原理,不确定原理通俗解释(5)

短波长测位置,长波长测动量(速度)

可是用波长短的光会带来新的问题,由于波长短,其频率就大。根据普朗克公式ε=hν(ε是光子携带的能量,h是个常数,ν是频率),频率大的光,能量就大。

用波长短的光测量电子位置,导致较大能量的光子撞击了电子,电子吸收能量后其速度骤变。这下可好了,位置是测量出来了,电子的速度却并非之前的速度了。

如果要测量电子的速度,就需要降低光子的频率,这样光的波长就增加了,那么位置又测不准了。这并不是实验仪器导致的,这或许是粒子的本质属性。测量会改变电子的位置或速度,不测量又不知道电子的运动信息,这该如何是好?

我们换一种思路研究电子的运动,那就是概率。

如果我们用波长较短的光只测量电子的位置Δx。测量很多次,就知道电子的在整个空间的位置分布概率,可以用正态分布图表示。

这个图就说电子在空间某点出现的概率,正态分布的顶点代表电子出现在这一空间的次数最多。

怎么理解不确定性原理,不确定原理通俗解释(6)

左为位置分布,右为动量分布

接着我们用波长较长的光只测量电子的速度Δv,每次测量出的电子速度或许会不同,如果多次测量,电子的运动速度也会是正态分布。正态分布的顶点说明:在多次测量中,电子最常见的速度值(注意:顶点并不是电子的最快速度,而是最常见的速度)

虽然不能同时精确得到电子位置和速度信息。但我们可以用概率的形式粗略地表达出电子的位置—速度信息。物理学家把两个正态分布中的典型“宽度”相乘。会得到一个不等式:ΔxΔv≥h/2m(速度乘以质量就算出动量了,电子质量比较容易测量)。如果把速度v换成动量p,就可以写成ΔxΔp≥h/4π,这就是海森堡不确定性原理的表达式。

怎么理解不确定性原理,不确定原理通俗解释(7)

我们现在知道:除了电子和光子,其他所有微观粒子的运动都这么“诡异”。我们不能准确地同时测量出它们的位置和动量信息,不得已而采取概率的形式描述它们的运动规律。

正如玻尔说的那样,这种不得已并不是人类的无奈,而是微观粒子的本质属性。微观粒子构造出了大千世界,人类目前只能通过概率的形式了解微观粒子的运动,就好像上帝在掷骰子一样,等着我们去猜测!连爱因斯坦这样的科学大牛都不愿意相信如此的解释,更何况大众?但量子力学的发展都过去了一个世纪了,种种实验结论依旧支持上帝掷骰子的行为。

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