量子力学中的不确定性原理到底在说什么?

作者: 长尾君

来源: 公众号:长尾科技

发布日期: 2022-06-20 10:42:28

量子力学中的不确定性原理体现了量子力学和经典力学之间的差异,它并不是由于测量导致的,而是粒子的固有性质。不确定性原理的常见表述是“我们无法同时确定粒子的位置和动量”,这并不是测量时的干扰误差,而是粒子的固有性质。理解不确定性原理需要建立量子力学的基本框架,从量子视角看问题。

量子力学中的不确定性原理非常直观地体现了量子力学和经典力学之间的差异,而且表述还非常简单。它既不像薛定谔方程那样需要微积分和分析力学的基础,也不像算符、矩阵那样需要线性代数的基础,基本上谁都能谈几句。但是,要想真正理解不确定性原理,就远没有看上去的那么简单。

不确定性原理的一个常见表述是“我们无法同时确定粒子的位置和动量”,有的地方还喜欢把“确定”替换为“测准”,说“我们无法同时测准粒子的位置和动量,你把粒子的位置测得越准,它的动量就越不准确,反之亦然”。

不确定性原理并不是由于测量导致的,它是粒子的固有性质,并不依赖于任何测量。其实,测量是仪器和被测物体之间的一种相互作用,仪器在测量过程中肯定会对被测物体产生一定干扰,这在任何情况下都存在,并非量子力学特有的。这种仪器对被测物体的影响,在物理学上有另一个名字,叫观察者效应(Observer effect),它跟不确定性原理(Uncertainty principle)有本质的区别。

在量子力学里,力学量是否有确定取值却跟系统状态有关:如果系统处于本征态,那测量这个力学量时就有确定值;如果系统处于叠加态,那测量这个力学量时就没有确定值。因此,如果你里想讨论力学量的取值,就得先确定系统的状态,看看它是本征态还是叠加态。

不确定性原理的表述和公式看起来都很简单,似乎谁都能看懂。但是,想要真正理解这些内容,还是得先建立量子力学的基本框架,学会从量子视角看问题,否则就会造成各种误解。

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