量子天文学:海森堡不确定性原理
这是四篇文章系列中的第二篇文章,每篇文章都单独解释不同的量子现象。每一篇文章都是镶嵌画中的一块,所以需要每个人都理解我们提出的量子天文学实验的最终解释,这可能是使用艾伦阵列望远镜和由SETI研究所和加利福尼亚大学伯克利建立的窄带电波探测器得出的。
在第一篇文章中,我们讨论了双缝实验,以及如何将光量子粒子(光子)想象为概率波,直到这种概率波被实际检测到。在这篇文章中,我们将研究量子物理学的另一个特点,即对实际可测量的东西施加基本限制,这是沃纳·海森堡首次发现的一个基本性质,其最简单的形式被称为“海森堡不确定性原理”。
在科学界,我们可能习惯于将“原理”一词视为“秩序”、“确定无疑的事”或“宇宙法则”。因此,“不确定性原理”一词在我们看来可能类似于“巨型虾”或“客座主人”,即矛盾。然而,不确定性原理是量子物理的一个基本性质,它最初是通过某种经典理论发现的,是一种基于经典的逻辑,今天许多物理教师仍在使用它来解释不确定性原理。这种经典理论是,如果一个人用光来观察一个基本粒子,用光(即使只有一个光子)来撞击这个粒子,就会观察到它被撞偏,这样一个人就不能再分辨出这个粒子的实际位置,即只知道它已经不在原来的位置了。
波长较短的光(例如,蓝光,能量较大)比波长较长的光(例如,红光,能量较小)向粒子传递更多的能量。因此,使用波长较短(更精确)的光“尺度”来测量位置意味着,通过用更多的能量“撞击”粒子,可以使粒子的可能位置更“混乱”。沃纳·海森堡在他的支持者内尔斯·波尔(成功地与爱因斯坦就许多问题进行了辩论)旅行时,首次发表了他的不确定性原理论文,或多或少使用了上述的经典理论。(与经典概念不同的是,光是以小包或小量的形式出现的,如第一篇文章所讨论的,称为“量子”)。然而,事实证明,不确定性原理比海森堡在他的第一篇论文中想象的更为基本。