别怕,只要你有初中文化就可以看懂。看完了,可以去找个物理专业大学生PK……
公认的,20世纪物理学两大革命性成就是相对论和量子力学。量子力学很难懂,有人说没有人能一遍就学懂量子力学。但柠檬抽取其中有意思的部分,通俗简单地说讲你。你一定能看懂!
测不准原理,或者叫不确定性原理,是量子理论的一个基石,由德国物理学家海森堡于1927年提出。
海森堡最初的表述是这样的:对于任何一个粒子,你不可能同时精确测量它的位置和动量,位置的不确定度和动量的不确定度相乘有最小值,用数学公式表述就是
Δr×Δp≥h
上式中Δr为位置测量的不确定度,Δp为动量测量的不确定度(物体的质量和速度的乘积称为物体的动量,动量是一个很重要的物理量),h称为普朗克常数, 它的大小是6.626×10-34。
这个公式很抽象,举个例子:比如一个苹果正由于万有引力的作用向牛顿的脑袋飞去,那么在任一时刻,我们都可以测量苹果的质量、速度和位置,由于仪器的限制,测量不可能很精确,假设质量测量的误差是0.1g,速度测量的误差是0.001m/s,那么用上式可以算出位置的误差应该大于10-27m,显然,任何一把尺子的误差都远远大于这个数,所以对苹果来讲,上面的公式没有任何意义。用测不准关系公式算出的误差对于任何一把尺子来说,就是“不差钱”。
但对微观物体就不一样了,比如把苹果换成电子,电子的质量是10-30kg,经典半径10-15m(什么是经典半径,如果不懂,可以暂不去计较),姑且认为测量的误差也是这么大吧,用上式一算,天啊,速度的误差是1011
m/s,要知道光速只有108m/s,所以这个结论显然是不能被接受的
。实际上,电子位置测量的误差远远大于10-15m,我们根本观察不到静止的电子,我们只能知道电子在某一个范围内活动,这个范围就是位置测量的误差。比如原子内的电子,其位置测量的误差为10-10m,由此算出,其速度的误差是106
m/s,对原子的观测证实了上述估算的正确性。
最初物理学家是这样解释测不准原理的:任何测量都会对被测物体产生干扰,比如我们测量一个物体的位置,必须要能看到它(也就是有光与它发生作用),或者能触摸到它(也就是仪器与它发生作用),这样都会改变物体的位置,从而产生测量的不准确。这个不准确对宏观物理来说很微小,但对微观物体来说却很重要。当我们使用一些手段使得位置的测量尽量精确时,动量的不准确度就要加大,所以不可能把位置和动量测量的都很准确。
但随着对这一问题的深入探讨,物理学家们发现,这一原理是微观世界的一个普遍原理,与测量无关,即使没有测量这一过程,微观粒子在运动过程中仍然遵循这一规律。所以物理学家将这一原理重新命名为不确定性原理。
除了位置和动量的不确定性原理外,还有许多其他的不确定性原理,比如能量和时间的,方位角和角动量的……不确定性原理为我们打开了一扇微观世界的大门,让我们认识到在微观世界里有很多与宏观世界不同的概念,比如在微观世界里“静止”是没有意义的,任何粒子的“能量”都不是确定的,而是在一个范围内波动……由此将引出许多我们意想不到的结果,这些概念和结果都已成量子物理的精髓。
加载中,请稍候......