海森堡不确定性原理被推翻了吗

我们都知道宏观世界里面一切事物都具有确定性,比如我们取t=10秒这个时刻看某一个宏观物体,其实这个物体是肯定具有一个位置和速度的,也就是说我们取某一个时刻可以同时测量出来一个宏观物体的位置和速度。

海森堡不确定性原理被推翻了吗(海森堡测不准原理)(1)

有人也许会疑惑,你这不废话嘛,我们肯定可以同时测量出来位置和速度,这又啥值得说的。但是我要告诉你的是,我们能同时测准速度和位置,这个仅仅是在宏观世界才能做到,在微观世界是做不到的,因为微观世界遵循“海森堡测不准”原理。

关于这个原理我之前已经详细讲解过,如果你没看可以先往前翻下。这个测不准原理的核心就是:我们永远无法同时精确测量出一个微观粒子的速度和位置(速度也可以替换成动量)。但是很多人对这句话有误解,认为测不准是因为我们的仪器精度不够造成,把测不准问题归结于是我们掌握的物理规律不够,科学发展还不够,其实这是一种极度错误的思想。

因为我们测不准并不是科学发展不够,也不是我们仪器不够先进,而是微观世界本来就是以这样的方式存在的,测不准本身就是微观世界的一个内在属性。相信不少人会听过这样的故事,一般的教科书是这样解释测不准原理的:

首先我们测量一个微观粒子的手段肯定是用电子去撞击,因为测量本身也是有物理含义的,我们获取微观粒子的物理参数,不是无中生有的,是必须要拿电子去撞击的。那么为啥非要拿电子去撞击呢?因为微观粒子本身就非常小,如果拿一个比较大的物体去撞击测量,直接就把微观粒子撞飞了,而电子是目前人类发现的非常小的粒子,我们的电子显微镜就是用电子去撞击,然后就可以看到微生物的轮廓和形状,因为电子相比微生物要小太多了。

但是就算拿电子去撞击,也会对微观粒子造成很大的冲击,这里我们就要谈到一个不可解决的问题,那就是电子本身也是具有波动性的,如果波长很长,都超过被测量的粒子大小了,那么我们就很难测准微观粒子的位置了,当然波长很长有一个好处就是频率较小,这样电子的能量就比较小,那么撞击后对被测量粒子产生的冲击就较小,所以这样的电子可以去测准微观粒子的速度,从这分析可以看出波长大了,位置测不准,速度测准了。

反过来我们如果把电子波长弄小,能够测量准位置,但是波长小就意味着频率大,那么电子的能量就很大,对被测量粒子产生的冲击就很大,被测量粒子直接被你撞飞了,你就测不准粒子的速度。

以上就是为啥微观粒子的位置和动量测不准的物理分析过程,在教科书上也经常看到。

但是这个分析过程容易给人一种误导,那就是我们测不准速度和位置是因为我们测量技术不够好造成,应该说教科书上的解释本身并没有错,但是却容易误导大家。其实这里我要再次强调下,我们测不准微观粒子的位置和速度,绝对不是仪器问题,也不是我们掌握的自然规律不够,真的是微观世界的内在属性。

我们可以想象一个场景,假设此时有一个微观粒子,在一个瓶子里面,那么你所看到的场景是啥呢?首先这个微观粒子假设放到外太空,也就是周围没有啥引力等等之类的因素干涉,你会看到微观粒子处于静止状态吗?不能的,因为微观粒子的速度和位置是处于一个此消彼长的关系。假设你的瓶子足够大,那么微观粒子的位置可能性就会增大,也就是位置不确定度会增大,此时由于此消彼长,所以微观粒子的速度会比较确定,此时你看到的场景就是微观粒子好像遍布在整个瓶子里面,到处都有它的身影,但是每个身影的速度好像都差不多。

此时你慢慢把瓶子空间缩小,你会发现微观粒子的位置可能性减少了,瓶子里面微观粒子的身影也少了,当时此时你会发现,微观粒子每个身影都有一个自己的速度,有的快有的慢,当你把瓶子继续缩小到仅仅容纳一个微观粒子的大小时,微观粒子的身影几乎就只有一个了,但是此时微观粒子的速度会变得非常多,一会儿是这个速度,一会儿是那个速度,一直变来变去,速度的变动范围一下子变得非常大。所以如果你能把刚刚的场景想象到位,你就算真正理解微观世界的不确定性到底要表达啥了。

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