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在量子世界,為什麽微觀粒子不能同時擁有確定的位置和速度?

2024-10-05科學

並非物理世界不容許物體同時展現確切的地點與動量,而是透過實驗觀察,我們對這些現象的洞察被凝練成了一個表述。這正是量子力學的核心觀念之一:海森堡的不確定性原理。

由於該原理極大程度地顛覆了我們的日常經驗,它逐漸演變為一種廣泛使用的象征,在各種媒體流中被用來探討哲學議題,諸如虛無主義和荒誕主義。可能這個原理本身的模糊性讓大多數聽眾感到困惑。

這並不奇怪。量子力學本身就被比作通往奇妙仙境的入口,展現了一個與宏觀世界截然不同的微觀領域。但我們可以嘗試以更簡潔的方式來理解這一理念。

20世紀初,一場新的物理學革命席卷了科學界。這一思想上的革命,顛覆了古典物理學的基石——世界的確定性和連續性。

普朗克首先提出,能量不是連續的,而是以一份份的「量子」形式發射和傳播。之後,「量子」這一概念被進一步推廣,涵蓋了所有基本粒子。量子力學把物理學引入了一個深不可測、五彩斑斕的、神秘莫測的微觀宇宙。

在這個宇宙中,所有物質的運動方式與我們所熟知的宏觀世界截然不同,它們仿佛遵循著一套全然不同的物理規律。

1927年,德國科學家沃納·海森堡針對基本粒子的靈活性給出了開創性的描述。

海森堡發現,在微觀領域中,要想高精度地同時確定粒子的兩個特性是不可能的。換言之,你可以極為準確地知道電子的位置,卻對其動量一無所知,反之亦然。

這本質上緣於電子同時展現了粒子和波動的特性,這種「波粒二象性」變成了量子力學的根基。當我們測量電子的位置時,我們把它視為空間中一個特定點的粒子,但它的波長卻是不確定的。而當我們測量其動量時,我們把它視為一個波動,這意味著我們可以確定它的波峰波谷,但卻不能確定它作為一個點的具體位置。

簡化理解,這種不確定性源自於量子尺度上粒子的波狀行為,即使在經典的物理學中,我們也很難精確地測量波動的物理位置。我們在談論物體的位置時,潛意識中總是將其簡化為一個點來描述。

另一種更易理解但不夠精確的解釋是,任何物體只有透過反射光子才能被看見,但當物體小到粒子尺度時,一旦光子撞擊到它,撞擊點就是我們能確定的位置,但光子的能量必然會改變物體的動量。一旦我們要確定其動量,就不能再透過撞擊的方式,這樣我們就無法得到代表位置的撞擊點。

因此,那些被稱作觀測決定一切的意識論,其實更像是荒誕主義的產物。盡管早期物理學界也曾有此類理論,但這是由於對量子內容的無知所致。

讓我們來看一個公式:

其中,h代表普朗克常數,數值非常小,而π是一個固定值,位置的變動量Δx與動量的變動量Δp的乘積大於或等於一個常數,這表明Δx和Δp必然呈現此消彼長的關系。

對於宏觀物體而言,Δx與Δp的值總是非常大,因為本質上它們都是近似值,而h/4π卻是非常小的值,所以上述不等式總是成立的。

然而,隨著Δx和Δp中任一值的減小,我們進入微觀尺度,情況就大為不同了。當Δx和Δp中任一值更小(意味著更確定)時,另一值就必然更大(意味著更不確定)。

對於懷疑論者來說,你可以不接受這一不等式,任何新理論都可以挑戰它,但至今為止,它仍然屹立不倒。目前,關於微觀世界運動的描述,它依然是擂台上的冠軍,科學界就是一個透過挑戰決定真理的地方。無論何種理論,一旦被擊敗便要下台,誰站在台上誰就是權威,畢竟實力才是硬道理,放之四海而皆準。

最終,海森堡的不確定性原理遠不止描述位置與動量關系這麽簡單,它還包含了對能量與時間關系的深刻洞見,甚至被用於解釋宇宙的起源大霹靂。

在我看來,不確定性原理的關鍵不在於微觀世界運動狀態的不確定性,而在於讓我們接受萬物的矛盾與統一,至少在本質上是矛盾的統一。波動與粒子的二象性看似矛盾,實則和諧共存。

這種矛盾原本僅存在於形而上的哲學思考中,如今卻在微觀物理世界中顯現。我們如何接納這種矛盾,將成為未來科學發展的關鍵。科學一貫追求簡潔之美,無可非議,因為簡潔使得科學更易於套用。與哲學的純粹思辨不同,科學的本職是服務於實踐。

然而,簡潔,或者說簡單性,只適用於實踐套用。簡潔的線性邏輯在根本上永遠無法自我證明,就像數學中的公理和哲學中的悖論。只有認清底層的矛盾和混亂,才可能構建有序的上層建築。

矛盾、混亂、不確定性是生命力的源泉,而它們可以透過相互疊加,抵消無序性,形成有序的模式,這才是一個完善的世界體系。