不確定性原理，位置與動(dòng)量，二者不能兼得

量子天文學(xué)：海森堡不確定性原理

這是四篇文章系列中的第二篇文章，每篇文章都單獨(dú)解釋不同的量子現(xiàn)象。每一篇文章都是鑲嵌畫(huà)中的一塊，所以需要每個(gè)人都理解我們提出的量子天文學(xué)實(shí)驗(yàn)的最終解釋?zhuān)@可能是使用艾倫陣列望遠(yuǎn)鏡和由SETI研究所和加利福尼亞大學(xué)伯克利建立的窄帶電波探測(cè)器得出的。

在第一篇文章中，我們討論了雙縫實(shí)驗(yàn)，以及如何將光量子粒子（光子）想象為概率波，直到這種概率波被實(shí)際檢測(cè)到。在這篇文章中，我們將研究量子物理學(xué)的另一個(gè)特點(diǎn)，即對(duì)實(shí)際可測(cè)量的東西施加基本限制，這是沃納·海森堡首次發(fā)現(xiàn)的一個(gè)基本性質(zhì)，其最簡(jiǎn)單的形式被稱(chēng)為“海森堡不確定性原理”。

在科學(xué)界，我們可能習(xí)慣于將“原理”一詞視為“秩序”、“確定無(wú)疑的事”或“宇宙法則”。因此，“不確定性原理”一詞在我們看來(lái)可能類(lèi)似于“巨型蝦”或“客座主人”，即矛盾。然而，不確定性原理是量子物理的一個(gè)基本性質(zhì)，它最初是通過(guò)某種經(jīng)典理論發(fā)現(xiàn)的，是一種基于經(jīng)典的邏輯，今天許多物理教師仍在使用它來(lái)解釋不確定性原理。這種經(jīng)典理論是，如果一個(gè)人用光來(lái)觀察一個(gè)基本粒子，用光（即使只有一個(gè)光子）來(lái)撞擊這個(gè)粒子，就會(huì)觀察到它被撞偏，這樣一個(gè)人就不能再分辨出這個(gè)粒子的實(shí)際位置，即只知道它已經(jīng)不在原來(lái)的位置了。

波長(zhǎng)較短的光（例如，藍(lán)光，能量較大）比波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光（例如，紅光，能量較?。┫蛄Ｗ觽鬟f更多的能量。因此，使用波長(zhǎng)較短（更精確）的光“尺度”來(lái)測(cè)量位置意味著，通過(guò)用更多的能量“撞擊”粒子，可以使粒子的可能位置更“混亂”。沃納·海森堡在他的支持者內(nèi)爾斯·波爾（成功地與愛(ài)因斯坦就許多問(wèn)題進(jìn)行了辯論）旅行時(shí)，首次發(fā)表了他的不確定性原理論文，或多或少使用了上述的經(jīng)典理論。（與經(jīng)典概念不同的是，光是以小包或小量的形式出現(xiàn)的，如第一篇文章所討論的，稱(chēng)為“量子”）。然而，事實(shí)證明，不確定性原理比海森堡在他的第一篇論文中想象的更為基本。

動(dòng)量是物理學(xué)中的一個(gè)基本概念。它的經(jīng)典定義是粒子的質(zhì)量乘以其速度。我們可以想象以每小時(shí)100英里的速度朝我們投擲一個(gè)棒球，其效果類(lèi)似于以每小時(shí)10英里的速度朝我們投擲球棒；雖然它們的質(zhì)量不同，但它們的動(dòng)量大致相同。海森堡不確定性原理基本說(shuō)明，如果人們開(kāi)始很好地了解基本粒子動(dòng)量的變化（通常是粒子速度的變化），那么人們就開(kāi)始不知道粒子位置的變化，也就是粒子的實(shí)際位置。另一種表述這一原理的方式是，在公式中使用相對(duì)論，結(jié)果是，我們得到了不確定性原理的另一種形式。該相對(duì)論形式描述，當(dāng)我們很好地了解一個(gè)基本粒子的能量時(shí)，我們不能同時(shí)非常準(zhǔn)確地知道（即測(cè)量）它實(shí)際上在什么時(shí)候有該能量。所以在量子物理學(xué)中，我們有所謂的“互補(bǔ)對(duì)”（如果你真的想給你的朋友留下深刻印象，你也可以稱(chēng)他們?yōu)椤安粚?duì)易的可觀測(cè)量”。）

人們可以用一個(gè)沒(méi)有完全充滿(mǎn)的氣球來(lái)說(shuō)明不確定性原理的基本結(jié)論。一方面，我們可以寫(xiě)“的delta-E”來(lái)表示粒子能量值的不確定性，另一方面，我們可以寫(xiě)“delta-t”，代表粒子擁有能量的時(shí)刻的不確定性。如果我們擠壓delta-E側(cè)（例如，限制能量使其適合我們的手），我們可以看到氣球的delta-t側(cè)會(huì)變大。類(lèi)似地，如果我們決定讓delta-t側(cè)適合我們的手，delta-E側(cè)會(huì)變大。但氣球中空氣的總值不會(huì)改變；它只會(huì)轉(zhuǎn)移。在我們的類(lèi)比中，氣球中空氣的總值是一個(gè)量，或一個(gè)“量子”，即量子物理學(xué)中可能的最小能量單位。

你可以向氣球中添加更多的量子空氣（使所有的值都變大，包括delta-E和delta-t），但在我們的類(lèi)比中，你永遠(yuǎn)不能從氣球中取出超過(guò)一個(gè)量子空氣。因此，“量子氣球”包含不小于一個(gè)量子或光子。（有意思的是，“量子躍遷”一詞的意思是某件事發(fā)生了巨大的變化，而不是盡可能小的變化，現(xiàn)在字典中對(duì)“量子躍遷”的定義順序發(fā)生了變化，其流行用法排在第一位，相反，物理用法排在第二位?；蛟S你可以對(duì)你的老板說(shuō)，“我們今天取得了量子躍遷?！比欢@仍然可以被認(rèn)為是一種完全沒(méi)有進(jìn)展的誠(chéng)實(shí)說(shuō)法。）

在量子物理學(xué)初期，阿爾伯特·愛(ài)因斯坦（及其同事）會(huì)用許多奇怪的量子謎題挑戰(zhàn)內(nèi)爾斯·波爾（及其同事）。其中一些效應(yīng)似乎暗示，基本粒子通過(guò)量子效應(yīng)可以比光更快地通信。眾所周知，愛(ài)因斯坦當(dāng)時(shí)暗示，我們不可能真的正確理解物理學(xué)使得允許這種效應(yīng)發(fā)生，再者，這種超光速的連通性將否定相對(duì)論設(shè)定的光速極限。愛(ài)因斯坦提出了幾個(gè)可進(jìn)行明顯荒謬的思想實(shí)驗(yàn)，其中最著名的是以本文三位作者的名字命名的EPR（愛(ài)因斯坦、波多爾斯基、羅森）悖論，這表明超光速通信似乎是某些量子實(shí)驗(yàn)的結(jié)論，因此認(rèn)為量子物理學(xué)并不完整，某些因素必須尚未發(fā)現(xiàn)。這使得內(nèi)爾斯·波爾和他的同事們對(duì)量子物理的現(xiàn)實(shí)做出了“哥本哈根詮釋”。這種詮釋?zhuān)ê?jiǎn)而言之）是，在觀察到基本粒子之前談?wù)撍菦](méi)有意義的，因?yàn)槌怯^察到它，否則它真的不存在。換句話(huà)說(shuō)，基本粒子可能不僅被認(rèn)為是由力組成的，而且必須考慮的一些組成部分也是觀測(cè)者或被測(cè)者，觀測(cè)者永遠(yuǎn)無(wú)法真正與觀測(cè)分離。

馬克斯·伯恩利用埃爾溫·薛定諤為量子粒子建立的波動(dòng)方程，第一個(gè)提出這些基本粒子波除概率之外沒(méi)有任何其他成分！因此，我們所看到的一切的成分都是由所謂“存在的傾向”組成的，通過(guò)添加“外觀”的基本成分制成粒子。必須指出的是，作為一種成分，它需要一些時(shí)間來(lái)適應(yīng)！我們還可以遵循其他可能的解釋?zhuān)梢哉f(shuō)，它們都不符合維多利亞時(shí)代物理學(xué)之前所知道的任何客觀事實(shí)。最瘋狂的理論可以同樣很好地?cái)M合數(shù)據(jù)，但它們都不允許組成宇宙的粒子在沒(méi)有潛在的超光速通信（大衛(wèi)·博姆理論）的情況下由任何東西組成，這是另一個(gè)平行宇宙，每當(dāng)需要做出一個(gè)微小的決定（多個(gè)世界的解釋?zhuān)r(shí)，它就與我們的宇宙分道揚(yáng)鑣，或者是“老”最?lèi)?ài)，觀測(cè)者在看的時(shí)候創(chuàng)造了現(xiàn)實(shí)（哥本哈根解釋?zhuān)?/p>

受所有這些理論的啟發(fā)，瑞士歐洲核子研究中心的物理學(xué)家約翰·貝爾提出了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，也許可測(cè)試其中一些理論，當(dāng)然也可測(cè)試量子物理與經(jīng)典物理間的距離。至今（1964年），量子物理學(xué)已經(jīng)足夠成熟而從所有以前的物理學(xué)中脫穎而出，以至于1900年之前的物理學(xué)被稱(chēng)為“經(jīng)典物理學(xué)”，1900年之后發(fā)現(xiàn)的物理學(xué)（主要是量子物理學(xué)）被稱(chēng)為“現(xiàn)代物理學(xué)”。所以從某種意義上說(shuō)，科學(xué)史分為前46個(gè)世紀(jì)（如果從伊姆霍特普作為第一位歷史科學(xué)家建造了第一座金字塔開(kāi)始）和量子物理學(xué)誕生的上個(gè)世紀(jì)。因此我們可以看到，在現(xiàn)代物理學(xué)這個(gè)新的基本科學(xué)觀的時(shí)代，我們還很年輕。可以合理地說(shuō)，即使在一個(gè)世紀(jì)之后，大多數(shù)人都還不會(huì)意識(shí)到科學(xué)努力和對(duì)現(xiàn)實(shí)的解釋的基礎(chǔ)上正在發(fā)生的巨大變化。

約翰·貝爾提出了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，可測(cè)量一個(gè)給定的基本粒子與另一個(gè)相距較遠(yuǎn)的基本粒子“通信”的速度能否比任何光在它們之間傳播的速度都要快。1984年，由阿蘭·阿斯佩特領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)在巴黎做了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，事實(shí)上結(jié)果明顯如此。這個(gè)實(shí)驗(yàn)與偏振光有關(guān)。為了便于說(shuō)明，假設(shè)有一個(gè)光的容器，里面到處都有光在波動(dòng)，如果容器除了末端涂有反射物質(zhì)，光從墻上反射。（人們可能會(huì)把一罐意大利面和面條的各個(gè)方向想象成隨機(jī)光波的方向。）在末端我們放置偏振濾光片。這意味著只有特定方向的光（比如上下方向的面條）才能射出，而來(lái)回的光波（面條）無(wú)法射出。如果我們把兩端的偏振器旋轉(zhuǎn)90度，就會(huì)發(fā)出來(lái)回的光波，但這樣不會(huì)發(fā)出上下的光。

事實(shí)證明，如果我們旋轉(zhuǎn)兩端，使它們彼此成30度角，大約一半的光線可以從容器中射出，四分之一從瓶子的一側(cè)射出，四分之一從另一側(cè)射出。這與約翰·貝爾的提議和阿蘭·阿斯佩特的演示非常接近。當(dāng)“瓶子”在一端旋轉(zhuǎn)，與另一端形成30度角，這樣只有一半的光可以逃逸時(shí)，一件令人驚訝的事情發(fā)生了。在任何光有時(shí)間從“瓶子”（實(shí)際上是一根長(zhǎng)管）旋轉(zhuǎn)的一側(cè)傳播到另一側(cè)之前，從旋轉(zhuǎn)的另一側(cè)發(fā)出的光瞬間（或任何人都能測(cè)量到的接近瞬間）變成了四分之一。以某種方式，“瓶子”的那一邊得到了另一邊旋轉(zhuǎn)速度超過(guò)光速的信息。從那時(shí)起，這個(gè)實(shí)驗(yàn)已經(jīng)被證實(shí)了很多次。

約翰·貝爾在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中對(duì)基本思想的表述被稱(chēng)為“貝爾定理”，可用他自己的話(huà)最簡(jiǎn)潔地表述：“現(xiàn)實(shí)是非本地的?！睋Q句話(huà)說(shuō)，構(gòu)成我們周?chē)挛锏幕玖Ｗ硬粌H在被觀測(cè)到之前不存在（哥本哈根解釋?zhuān)?，而且在最本質(zhì)的層面上，它們甚至無(wú)法與任意遙遠(yuǎn)的其他此類(lèi)粒子區(qū)分開(kāi)來(lái)。19世紀(jì)的博物學(xué)家約翰·繆爾曾說(shuō)：“當(dāng)我們?cè)噲D單獨(dú)挑選任何東西時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)它與宇宙中的其他任何東西都有聯(lián)系?！彼赡軙?huì)驚訝地發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是在物理學(xué)還是生態(tài)學(xué)中，事實(shí)證明這是真的。

在下一篇文章中，我們將把不確定性原理與貝爾定理的結(jié)果結(jié)合起來(lái)，并將雙縫實(shí)驗(yàn)的規(guī)模擴(kuò)大到愛(ài)因斯坦的同事約翰·惠勒所說(shuō)的“參與性宇宙”。這將涉及在宇宙中同時(shí)處理已知和未知的事物。

BY: Laurance R. Doyle

FY: 夢(mèng)中識(shí)月

如有相關(guān)內(nèi)容侵權(quán)，請(qǐng)?jiān)谧髌钒l(fā)布后聯(lián)系作者刪除

轉(zhuǎn)載還請(qǐng)取得授權(quán)，并注意保持完整性和注明出處

、