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补充序章(七)测不准原则(物理) 3

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  我是认真的!你们真的想的话,看了之后不要掉收藏了呐,好奇心害死猫啊!41geH

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  △X△P≥h/4π(粒子的测不准原则)41geH

  (p为动量,h为普朗克常数)41geH

  (这个表达式的意思大概就是,在量子系统里,一个粒子的动量和位移是不能同时测出的,确却地测量粒子的位置会搅扰其动量,反之亦然。)41geH

  (因为测量会造成粒子的搅扰,但实际上粒子内秉的性质就是不确定性,在测量动作之前就已存在不确定性。)41geH

  (不确定性原理:在量子系统里,一个粒子的位置和动量无法同时被确定。)41geH

  不确定性原理41geH

  是由海森堡于1927年提出,这个理论是说,你不可能同时知道一个粒子的位置和它的速度,粒子位置的不确定性,41geH

  必然大于或等于普朗克常数除于4π(ΔxΔp≥h/4π),这表明微观世界的粒子行为与宏观物质很不一样。41geH

  海森伯不确定原则是量子论中最重要的原则之一。41geH

  最初的不确定性原理指出,不可能同时精确地测量出粒子的动量和位置,因为在测量过程中仪器会对测量过程产生干扰,测量其动量就会改变其位置,反之亦然。41geH

  量子理论跨越了牛顿力学中的死角,在解释事物的宏观行为时,只有量子理论能处理原子和分子现象中的细节。41geH

  海森堡测不准原理是通过一些实验来论证的。设想用一个γ射线显微镜来观察一个电子的坐标,因为γ射线显微镜的分辨本领受到波长λ的限制,所用光的波长λ越短,显微镜的分辨率越高,从而测定电子坐标不确定的程度  就越小  。41geH

  但另一方面,光照射到电子,可以看成是光量子和电子的碰撞,波长λ越短,光量子的动量就越大。41geH

  在位置被测定的一瞬,即当光子正被电子偏转时,电子的动量发生一个不连续的变化,因此,在确知电子位置的瞬间,关于它的动量我们就只能知道相应于其不连续变化的大小的程度。41geH

  于是,位置测定得越准确,动量的测定就越不准确,反之亦然。41geH

  海森堡还通过对确定原子磁矩的斯特恩-盖拉赫实验的分析证明,原子穿过偏转所费的时间△T越长,能量测量中的不确定性△E就越小。41geH

  再加上德布罗意关系λ=h/p,海森伯得到△E△T≥h/4π,并且作出结论:“能量的准确测定如何,只有靠相应的对时间的测不准量才能得到。”41geH

  波函数坍缩,是微观领域的现象。微观领域的物质具有波粒二象性,表现在空间分布和动量都是以一定概率存在的,比如“电子云”,我们称之为波函数。当我们用物理方式对其进行测量时,物质随机选择一个单一结果表现出来。如果我们把波函数比作是骰子的话(比如电子云),那么“波函数坍缩”就是骰子落地(比如打在屏幕上显示为一个点的电子)。41geH

  详细说明41geH

  波函数从叠加态坍缩成A或A非至少从某种意义上符合最大熵(最大信息量)原理。41geH

  当我们要测量粒子的动量的时候,粒子不一定刚好处于动量的本征态,这个态可以表示为动量本征态的叠加(动量本征态组成一组完备的希尔伯特空间的基矢),当我们用仪器对粒子进行测量的时候,相当于是对粒子进行了一个作用,即用动量算符作用在这个态上,只进行一次测量的时候,我们只能得到一个动量值(动量本征值),而这个时候的态,只有处于动量的相对应的本征态上时才会这样,这就是说,当进行测量的时候,因为我们的仪器对粒子的影响,使得粒子由原来的态坍缩到了这个动量本征态。但是我们测量的时候,也可能得到其他的本征值,即,也可能坍缩到其他的动量本征态,所以,要进行多次测量。41geH

  示例41geH

  假设量子基态为 A, A非, 又假设叠加态为41geH

  B = c1A + c2A非 (1)41geH

  从性质上来看,我们总可以认为 B有一部分属于A,另一部分属于A非,于是有,归一化的叠加态为41geH

  Bn= rA + (1-r)A非 (2)41geH

  0<=r<=141geH

  现在来考虑Bn 所包含的相对信息量,显然相对信息量以A或A非为参照物是合适的,比如考虑“又死又活”的薛定鄂猫相对于“死”或“活”包含多少信息是合适的。41geH

  于是我们形成了两种泛有序对41geH

  (A,Bn) (3-1)41geH

  (A非,Bn) (3-2)41geH

  我们要问:(3-1)和(3-2)取什么形式所包含的信息量最大呢?41geH

  现在考虑(3-1)的泛有序对所对应的广义集合41geH

  A + Bn = (1+r)A + (1-r)A非 (4)41geH

  这个广义集合所对应的信息熵为41geH

  H=41geH

  波函数具有叠加性,即,它们能够像波一样互相干涉和衍射。同时,波函数也被解释为描述粒子出现在特定位置的几率幅。41geH

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  波粒二象性41geH

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  波粒二象性(wae-particle duality)指的是所有的粒子或量子不仅可以部分地以粒子的术语来描述,也可以部分地用波的术语来描述。41geH

  这意味着经典的有关“粒子”与“波”的概念失去了完全描述量子范围内的物理行为的能力。41geH

  爱因斯坦这样描述这一现象:“好像有时我们必须用一套理论,有时候又必须用另一套理论来描述(这些粒子的行为),有时候又必须两者都用。41geH

  我们遇到了一类新的困难,这种困难迫使我们要借助两种互相矛盾的的观点来描述现实,两种观点单独是无法完全解释光的现象的,但是合在一起便可以。” 波粒二象性是微观粒子的基本属性之一。41geH

  1905年,爱因斯坦提出了光电效应的光量子解释,人们开始意识到光波同时具有波和粒子的双重性质。41geH

  1924年,德布罗意提出“物质波”假说,认为和光一样,一切物质都具有波粒二象性。根据这一假说,电子也会具有干涉和衍射等波动现象,这被后来的电子衍射试验所证实。41geH

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本章结束