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不确定性原理的现代解释

时间: 2014年01月27日 | 作者: | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
不确定性原理因“测不准”而被人所周知,然而现代科学对曾经的不确定性原理提出了挑战。

 

 
1927年,维尔纳•海森堡(Werner Heisenberg )利用一个类比例子来解释著名的不确定性原理(即俗称的测不准原理),随后在物理学家中引发了激烈的争论。随着量子理论的逐渐成熟,这个类比已经被人们所淡忘,然而在过去的十年里关于它的讨论又再一次兴起。虽然最近多个实验表明这个类比是有缺陷的,但是一个由英国、芬兰和德国物理学家组成的研究小组认为,这些实验都没有严格遵守海森堡的原始表述。
 
海森堡不确定性原理可以表述为,对于一个微观粒子,我们不可能同时精确地测量出其位置和动量。我们测得其中一个值越精确,那么另一个值就会变得越粗略。不确定性原理指出,位置和动量不确定度的乘积不小于普朗克常量h。
 
1927年,当海森堡提出这个原理时,他举了一个简单的类比例子来帮助直观理解。设想有一台显微镜在观测像电子这样的粒子。当观测光被粒子反射,我们就可以测得该粒子的位置,但是这个过程的代价是:光的能量会转移到粒子上,使它的动量发生变化。给予的光线越弱,那么对动量的干扰越小,但是看到的粒子也就越模糊。他从位置的测量误差(Δx)和引起动量的干扰(Δp)之间相互约束的角度来阐述不确定原理,这是受测量仪器制约的。
 
不一定是错的
其他科学家随后的工作表明,不确定性原理并不依赖于这种干扰——它适用于所有同类粒子的组合,即使其中每个粒子仅仅测量一次来获得它的位置或者动量也存在不确定性。最后,海森堡放弃了基于他思想实验的观点,但这并不意味着这个观点就是错误的。
 
随后在1988年,日本名古屋大学(Nagoya University)的小泽正直(Masanao Ozawa)认为,海森堡得出的关于位置误差和动量干扰之间乘积的关系并非不确定关系的根本限制。他于2003提出了另一种关系式,尽管位置误差和动量干扰仍然相互关联,但是乘积可以任意小。
 
为了验证他修改的不确定性原理公式能否获得实验支持,2012年小泽正直与维也纳大学(University of Vienna)的井出长谷川(Yuji Hasegawa)等人合作进行了实验观测。通过观测自旋极化中子的位置和动量,他们发现位置误差和动量干扰虽然仍包含于相互制约的关系中,但是它们的乘积可以小于海森堡限制。
 
子光学研究所(Max Planck Institute of Quantum Optics in Garching)的约翰内斯•科夫勒(Johannes Kofler )解释说:“这两种关于不确定原理解释方法的不同在于Δx和Δp的定义不同,的确,选择什么样的定义是自由的。”他补充说:“布希等人宣称他们拥有正确的定义,并且他们证明任何实验都不可能违反他们的不确定性关系。”
 
修正测不准原理?
争论的焦点在于谁的定义是最好的。小泽的定义是基于在特殊的量子态下,经过连续地测量得到两个变量的方差。而布希及其同事考虑的是,特定的测量设备根本上具有的性能限制,因此与量子初态无关。布希说:“我们认为这一定才是海森堡的本意。”
 
但是小泽认为布希等人关注的仪器限制与实际中使用的实验设备几乎无关。“我的理论认为如果你正确地使用测量仪器,那么你可以获得比在海森堡关系下更精确的测量结果。”他说,“而布希等人却证明如果你非常错误地使用测量仪器,比如你用一个显微镜来代替望远镜来观察月球,那么测量结果不可能违反海森堡关系。因此,他们的观点明显无意义。”
 
一篇即将发表的文章指出了布希定义和小泽定义的不同之处,在文章中,斯坦伯格及其同事已经对布希等人作出了回应。布希和他的同事指出:“我们量化的是测量仪器的‘干扰能力’(disturbing power)而不是具体某次测量中量子态受到了多少干扰。”
 
‘干扰的力量’
“海森堡的原始公式成立的前提在于我们关注的是‘干扰能力’,而限制较少的小泽不等式成立的前提在于我们关注的是特殊量子态下的扰动。”斯坦伯格说,“我个人觉得这两种表述虽然不同但都是非常有趣的问题。”但是他认为小泽的表示更加接近海森堡不确定性原理的真谛。
 
不管怎样,大家都认为不确定性原理是系统的效应。而不是像某些流行的说法认为不确定原理是测量过程中所用工具的影响。“它并非来自于机械效应而是微观粒子间的相互作用和测量工具的量子性质,例如光子造成了不可控的量子扰动。”
 
在某种程度上,争论归结于对海森堡的理解。小泽说:“我说不清楚关于不确定性原理海森堡自己理解了多少,但是我确定我们知道的要比海森堡多得多。”
 
布希及其同事的结果发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上。
 
斯坦伯格及其同事将他们的实验写入了一篇关于弱测量,名为《弱测量的优点》的专题文章中。
 
(翻译/毛芮超  审稿/林然)
 
原文链接:
http://physicsworld.com/cws/article/news/2013/nov/01/uncertainty-reigns-over-heisenbergs-measurement-analogy