不肯定性原理，是报酬测不许，仍是真的不肯定？

七彩虹

量子天文学：海森堡不肯定性原理
这是四篇文章系列中的第二篇文章，每篇文章都独自解释不同的量子景象。每一个篇文章都是镶嵌画中的一块，所以需求每集体都了解咱们提出的量子天文学试验的终究解释，这多是使用艾伦阵列望远镜和由SETI钻研所和加利福尼亚大学伯克利建设的窄带电波探测器得出的。


在第一篇文章中，咱们探讨了双缝试验，以及如何将光量籽粒子（光子）想象为几率波，直到这类几率波被实际检测到。在这篇文章中，咱们将钻研量子物理学的另外一个特征，即对实际可丈量的货色施加根本限度，这是沃纳·海森堡初次发现的一个根本性质，其最简略的方式被称为“海森堡不肯定性原理”。


在迷信界，咱们可能习气于将“原理”一词视为“秩序”、“肯定无疑的事”或“宇宙规律”。因此，“不肯定性原理”一词在咱们看来可能相似于“巨型虾”或“客座客人”，即矛盾。但是，不肯定性原理是量子物理的一个根本性质，它最后是经过某种经典实践发现的，是一种基于经典的逻辑，明天许多物理老师仍在使用它来解释不肯定性原理。这类经典实践是，假如一集体用光来视察一个根本粒子，用光（即便只要一个光子）来撞击这个粒子，就会视察到它被撞偏，这样一集体就不克不及再分辨出这个粒子的实际地位，即只知道它曾经不在原来的地位了。


波长较短的光（例如，蓝光，能量较大）比波长较长的光（例如，红光，能量较小）向粒子传递更多的能量。因此，使用波长较短（更准确）的光“尺度”来丈量地位象征着，经过用更多的能量“撞击”粒子，能够使粒子的可能地位更“凌乱”。沃纳·海森堡在他的反对者内尔斯·波尔（胜利地与爱因斯坦就许多问题进行了答辩）旅行时，初次颁发了他的不肯定性原实践文，或多或少使用了上述的经典实践。（与经典概念不同的是，光是以小包或小量的方式泛起的，如第一篇文章所探讨的，称为“量子”）。但是，事实证实，不肯定性原理比海森堡在他的第一篇论文中想象的更加根本。


动量是物理学中的一个根本概念。它的经典定义是粒子的品质乘以其速度。咱们能够想象以每小时100英里的速度朝咱们投掷一个棒球，其成果相似于以每小时10英里的速度朝咱们投掷球棒；虽然它们的品质不同，但它们的动量大抵相反。海森堡不肯定性原理根本阐明，假如人们开始很好地理解根本粒子动量的变动（一般为粒子速度的变动），那末人们就开始不知道粒子地位的变动，也就是粒子的实际地位。另外一种表述这一原理的形式是，在公式中使用相对于论，后果是，咱们失掉了不肯定性原理的另外一种方式。该相对于论方式形容，当咱们很好地理解一个根本粒子的能量时，咱们不克不及同时十分精确地知道（即丈量）它实际上在何时有该能量。所以在量子物理学中，咱们有所谓的“互补对”（假如你真的想给你的敌人留下粗浅印象，你也能够称他们为“不合错误易的可观丈量”。）


人们能够用一个没有彻底充溢的气球来讲明不肯定性原理的根本论断。一方面，咱们能够写“的delta-E”来表现粒子能量值的不肯定性，另外一方面，咱们能够写“delta-t”，代表粒子具有能量的时辰的不肯定性。假如咱们挤压delta-E侧（例如，限度能量使其合适咱们的手），咱们能够看到气球的delta-t侧会变大。相似地，假如咱们抉择让delta-t侧合适咱们的手，delta-E侧会变大。但气球中空气的总值不会改动；它只会转移。在咱们的类比中，气球中空气的总值是一个量，或一个“量子”，即量子物理学中可能的最小能量单位。
你能够向气球中添加更多的量子空气（使一切的值都变大，包罗delta-E和delta-t），但在咱们的类比中，你永久不克不及从气球中掏出超过一个量子空气。因此，“量子气球”包孕不小于一个量子或光子。（无意思的是，“量子跃迁”一词的意思是某件事产生了微小的变动，而不是尽量小的变动，当初字典中对“量子跃迁”的定义程序产生了变动，其盛行用法排在第一名，相同，物理用法排在第二位。也许你能够对你的老板说，“咱们明天取患了量子跃迁。”但是，这依然能够被以为是一种彻底没有停顿的老实说法。）


在量子物理学早期，阿尔伯特·爱因斯坦（及其共事）会用许多奇怪的量子谜题应战内尔斯·波尔（及其共事）。其中一些效应似乎暗示，根本粒子经过量子效应能够比光更快地通讯。家喻户晓，爱因斯坦过后暗示，咱们不成能真的正确了解物理学使得允许这类效应产生，再者，这类超光速的连通性将否认相对于论设定的光速极限。爱因斯坦提出了几个可进行显著荒诞的思想试验，其中最著名的是以本文三位作者的名字命名的EPR（爱因斯坦、波多尔斯基、罗森）悖论，这标明超光速通讯似乎是某些量籽实验的论断，因此以为量子物理学其实不残缺，某些要素必需尚未发现。这使得内尔斯·波尔和他的共事们对量子物理的理想做出了“哥本哈根诠释”。这类诠释（简而言之）是，在视察到根本粒子以前议论它是没无意义的，由于除非视察到它，不然它真的不存在。换句话说，根本粒子可能不只被以为是由力组成的，并且必需斟酌的一些组成部份也是观测者或被测者，观测者永久无奈真正与观测别离。


马克斯·伯恩利用埃尔温·薛定谔为量籽粒子建设的颠簸方程，第一个提出这些根本粒子波除几率以外没有任何其余成份！因此，咱们所看到的所有的成份都是由所谓“存在的偏向”组成的，经过添加“外观”的根本成份制成粒子。必需指出的是，作为一种成份，它需求一些时间来顺应！咱们还能够遵守其余可能的解释，但能够说，它们都不合乎维多利亚时期物理学以前所知道的任何主观事实。最疯狂的实践能够一样很好地拟合数据，但它们都不允许组成宇宙的粒子在没有潜伏的超光速通讯（大卫·博姆实践）的状况下由任何货色组成，这是另外一个平行宇宙，每当需求做出一个巨大的抉择（多个世界的解释）时，它就与咱们的宇宙各奔前程，或者是“老”最爱，观测者在看的时分发明了理想（哥本哈根解释）。


受一切这些实践的启示，瑞士欧洲核子钻研核心的物理学家约翰·贝尔提出了一个试验，或许可测试其中一些实践，固然也可测试量子物理与经典物理间的间隔。至今（1964年），量子物理学曾经足够成熟而从一切之前的物理学中脱颖而出，以致于1900年以前的物理学被称为“经典物理学”，1900年之后发现的物理学（次要是量子物理学）被称为“古代物理学”。所以从某种意义上说，迷信史分为前46个世纪（假如从伊姆霍特普作为第一名历史迷信家建造了第一座金字塔开始）和量子物理学降生的上个世纪。因此咱们能够看到，在古代物理学这个新的根本迷信观的时期，咱们还很年老。能够公道地说，即便在一个世纪之后，大少数人都还不会心识到迷信致力和对理想的解释的根底上正在产生的微小变动。
约翰·贝尔提出了一个试验，可丈量一个给定的根本粒子与另外一个相距较远的根本粒子“通讯”的速度能否比任何光在它们之间传布的速度都要快。1984年，由阿兰·阿斯佩特领导的一个团队在巴黎做了这个试验，事实上后果显著如斯。这个试验与偏振光无关。为了便于阐明，假定有一个光的容器，外面四处都有光在颠簸，假如容器除了末端涂有反射物资，光从墙上反射。（人们可能会把一罐意大利面和面条的各个标的目的想象成随机光波的标的目的。）在末端咱们搁置偏振滤光片。这象征着只要特定标的目的的光（好比上下标的目的的面条）能力射出，而往返的光波（面条）无奈射出。假如咱们把两真个偏振器旋转90度，就会收回往返的光波，但这样不会收回上下的光。
事实证实，假如咱们旋转两端，使它们彼此成30度角，大约一半的光线能够沉着器中射出，四分之一从瓶子的一侧射出，四分之一从另外一侧射出。这与约翰·贝尔的提议和阿兰·阿斯佩特的演示十分接近。当“瓶子”在一端旋转，与另外一端造成30度角，这样只要一半的光能够逃逸时，一件使人诧异的事件产生了。在任何光有时间从“瓶子”（其实是一根长管）旋转的一侧传布到另外一侧以前，从旋转的另外一侧收回的光瞬间（或任何人都能丈量到的接近瞬间）变为了四分之一。以某种形式，“瓶子”的那一边失掉了另外一边旋转速度超过光速的信息。从那时起，这个试验曾经被证明了得多次。


约翰·贝尔在这个试验中对根本思想的表述被称为“贝尔定理”，可用他本人的话最简洁地表述：“理想是非当地的。”换句话说，构成咱们四周事物的根本粒子不只在被观测到以前不存在（哥本哈根解释），并且在最实质的层面上，它们乃至无奈与恣意边远的其余此类粒子区别开来。19世纪的博物学家约翰·缪尔曾说：“当咱们试图独自挑拣任何货色时，咱们发现它与宇宙中的其余任何货色都有分割。”他可能会诧异地发现，无论是在物理学仍是生态学中，事实证实这是真的。
在下一篇文章中，咱们将把不肯定性原理与贝尔定理的后果结合起来，并将双缝试验的范围扩张到爱因斯坦的共事约翰·惠勒所说的“参预性宇宙”。这将波及在宇宙中同时处置已知和未知的事物。
BY: Laurance R. Doyle
FY: 梦中识月
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