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量子世界中的微观粒子,为什么不能同时拥有明确的位置和动量?

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不是不允许物体同时拥有明确的位置和动量,而是将观测到的实验现象进行了这样的总结。这就是量子力学中的的一个非常重要的原理:海森堡不确定性原理。

由于这个原理极大违背了我们的日常感知,它也已演变成一种被广泛应用于各种媒体流的东西,以处理哲学主题,如虚无主义和荒诞主义。或许是这个原理本身太模糊了,以至于大多数人都无法理解。

当然,这并不令人惊讶。量子力学本身就被喻为通往爱丽丝仙境的兔子洞,一个与宏观世界完全不一样的微观世界。但我们可以尽量简单地来理解一下这个概念。

20世纪初,一股新的物理浪潮席卷了科学界。这场思想革命击碎了经典物理学的基石——世界的确定性与连续性。

普朗克率先发现了能量并不是连续的,而是以一个个能量包的形式释放与传播,即所谓的“量子”。随后量子的概念进一步被延展,扩展到了一切基本粒子。量子力学将物理学带入了一个深不可测、五彩缤纷、神秘的微观世界。

这个世界里,一切物质的运动方式与我们所熟悉的宏观世界中的运动完全不一样,它们似乎遵循另外一套物理规则。

1927年,德国科学家沃纳·海森堡(Werner Heisenberg)对基本粒子某些情况下的灵活性,给出了一个开创性的描述。

海森堡意识到,在微观世界中,要以高精度同时知道粒子的两个性质是不可能的。换句话说,你可以非常肯定地知道电子的位置,但不知道它的动量,反之亦然。

这本质上是因为电子同时具有粒子和波的性质,这种“波粒二象性”已经成为量子力学的基石。当我们测量一个电子的位置时,我们把它当作一个粒子在空间中的一个特定点,但它却有一个不确定的波长。当我们测量它的动量时,我们把它当作一个波,这意味着我们可以知道它的波长的振幅,却无法获取它作为一个点的位置。

简单来理解,不确定性来自于粒子在量子尺度上的类波行为,其实即使在经典情况下我们也很难精确测量波的物理位置。我们在说一个物体位置的时候,潜意识上就是把它近似为一个点在描述。

你能准确描述波的位置吗?

另一种更容易理解,但却不那么准确的解释是。任何东西只有通过反射光子,才能被我们看到,但当一个物体小到粒子的程度,一旦有光子撞击上它,撞击点就是我们能确定的位置,但光子有能量就必定改变其动量。一旦我们要确定其动量,就不能用光子去撞击它,这样我们就无法产生一个代表位置的撞击点。

因此那些所谓的不确定性原理意味着观测决定一切的意识论,其实是一种荒诞主义。即便早期的物理学界也曾提出过这样的一些理论,但那是基于在量子研究的初期,对量子性质的不了解。

抛出一个位置与动量的共轭关系式:ΔxΔp≥h/4π。

h是普朗克常数:6.62607015×10^(-34) J·s,它与π都是一个定值,位置的变化值Δx与动量的变化值Δp的乘积大于等于一个定值,就意味Δx与Δp一定是一个此消彼长的关系。

而对于宏观物体,Δx与Δp这两个值永远都是极大的,因为本质上来说宏观物体的位置与动量都是近似值,而h/4π却是一个极小的一个值,所以这个不等式永远成立。

然而,随着Δx与Δp任意一个值的减小,进入微观世界的尺度,情况就大不一样了。当Δx与Δp中任意一个值越小(意味着越确定),则另一个值就肯定越大(意味着越不确定)。

当然对于怀疑论者,你可以不认同这个不等式,而且所有新理论都可以来挑战这个不等式,不过至今为止它还未尝一败。目前关于微观世界运动描述的擂主还是它,而科学界是一个PK出真知的地方,不管哪条理论,只要被击倒就下台,而谁站在擂台上就谁说了算,毕竟拳头硬才是硬道理,在哪都一样。

最后,海森堡的不确定原理当然不仅仅只是描述位置与动量关系这么简单,它同时蕴含着能量与时间关系的深刻认知,它甚至被用来解释宇宙大爆炸。

总结一下:

在我看来,不确定原理重点反而不是微观世界运动状态的不确定性,而是在于让我们接受万物的矛盾统一,至少在根源上是矛盾统一的。波与粒子看似矛盾,实则统一。

这种矛盾原本只存在于形而上的哲学概念中,如今微观领域的物理学中呈现在了这种矛盾。我们如何接纳这种矛盾才是未来科学发展的突破。科学一直以简洁为美,无可厚非,因为简洁才能被更高效地应用,而科学的本质是服务于应用。不像哲学这样纯粹的思辨。

但简洁,或者说简单性只适合于应用,简洁的线性逻辑在根源上永远无法自证,就像数学中的公理,哲学中的悖论。只有认清底层的矛盾与混沌,才可能出现有秩序的上层建筑。

矛盾、混沌、不确定是一切活力的源头,而它们又可以通过叠加相互抵消无序性,形成确定的秩序,这才是完美的世界结构。

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