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什么证据表明不确定原理不是测量仪器/技术不完善的结果?

编辑:网友投稿来源:互联网整理更新时间:2022-07-23 14:17:59

最好的证据是,在适当的条件下,一个粒子不仅可以同时出现在多个地方(可以这么说),而且这些状态实际上可以相互干扰。考虑一下经典的双缝实验:一个粒子被发射出来,穿过一对狭缝,到达荧光屏,在那里它被检测到。

如果你做这个实验,比如说,一把枪对着一堵有两道缝的墙射击,后面还有一堵墙,随机发射子弹,你就会理所当然地认为弹着点与缝的位置相对应。我曾经画过这个思想实验的简图:

什么证据表明不确定原理不是测量仪器/技术不完善的结果

但如果枪是阴极,子弹是电子,远处的墙是荧光屏呢?我们发现不是两个亮点,而是一个波浪形的干涉图案。就好像电子以波的形式,通过了两个槽。

不确定原理

但等等,你告诉我,也许这就是事实?毕竟,大量的电子几乎就像一个连续的介质。但有趣的是:即使我们一次发射一个电子,波状干涉图案仍然存在。所以它不是两个或更多的电子相互干扰。每一个电子都以波的形式通过两条狭缝,然后相互干扰,这就决定了荧光屏上的概率分布。

这个和类似的实验表明,我们对电子在路径上的知识的缺乏不仅仅是因为我们的测量技术不充分。相反,电子在它的旅程中没有经典路径。它的“路径”实际上是许多可能路径的加权和(线性叠加)。如果你想精确地测量电子的位置,那是不可能的,因为它没有电子。

或者你知道吗?也许你可以。毕竟,如果我们发射单个电子,我们可以选择覆盖一个或另一个狭缝,对于每个电子,随机地,所以如果电子到达屏幕,我们知道它穿过了哪个狭缝。但你猜怎么着?如果我们这样做,干涉图案就会消失。我们找到了和枪和墙一样的模式。

因此,测量电子的位置是可能的,但代价是将电子限制在一个以前没有的经典位置。这改变了实验。怎么做?这就是量子力学可以通过不确定性原理很好地量化的东西:确定位置意味着速度(动量)的不确定性。

但不确定性原理实际上只是一些更基本的东西的衍生结果:在量子物理中,像位置(q)和动量(p)这样的量不是数字。它们在乘法下服从一种奇怪的非交换关系:pq−qp=−iℏ。数字不会这样。

一个我们测量q的系统,将q限定为一个数字。现在,如果p同时也是一个数,则pq=qp和pq−qp=0,这与对易关系相矛盾。所以如果q是一个数,p不可能是,反之亦然。(现在你可能想知道如果不是数字,这些东西实际上是什么:嗯,量子力学可以用矩阵或函数运算符的数学语言来描述,或者语言可以保持抽象。重要的是,这种交换关系必须代表我们用来表示现实的数学对象。不是因为我们喜欢它,而是因为这是一个又一个实验证实的结果。)

至于这一切是否仅仅是有事实支撑的猜想!除了有事实支撑的猜想,科学还能是什么?我们根据猜想建立模型,然后检查事实是否支持这些猜想。如果他们这样做了,这个理论就被认为是有效和成功的。如果没有(这实际上是大多数理论的命运),猜想就会被抛弃。无论哪种方式,我们都能学到一些东西。
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