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如果光子的速度是恒定的,为什么我们无法测量它的位置?

2024-08-09科学

根据海森堡不确定性原理,不可能同时测量粒子的位置和速度。 例如,有一种观点认为,如果一个人测量粒子的速度,第二个人测量粒子的位置,就有可能达到精确度。 我们知道这是不可能的,但还有一种更有趣的情况——真空中的光子有一定的速度, 那么就有可能知道确切的坐标吗?

光子是与电磁辐射相关的 "最小能量",它是电子在一种允许的原子态与另一种允许的原子态之间转换时发射或吸收的。 但这种辐射随后会以恒定的速度在真空中以电磁波的形式传播。

理解上的困难在于,这种描述是非直观的,因为我们对自然界的直觉总是与我们对物体及其运动方式的经验有关。 因此,当我们说一个光子由一个原子(在光源中)发射,然后被另一个原子(在探测器中)吸收时,我们往往会把它想象成一个发光的小光球或在太空中移动的东西。

光子是能量

但这种可视化是基于我们对物体运动的经典看法。 它并不能连贯地描述光的传播。 光在空间传播的现象是一种电磁波,而不是一束光子(尽管我们经常这样描述)。 但这种电磁辐射是由单个原子以能量单位发出的,我们称之为 "光子"。 对此,我们无法进行经典的类比,这是一个完全不同的过程。

因此,光子并不是微小的光粒子, 它是每个原子转变所释放的能量。 能量与原子发出的辐射频率成正比 如果很多原子都发生了这种转变,那么这个光源就会发出很多光子,我们就会看到发出的光的强度在增加。

对光子本质的理解还意味着一个主要原则——不确定性并不包括拿一个光子球去测量它的参数, 不确定性意味着量子粒子不是物理粒子。

因此,光子和任何其他粒子的特性表现都会形成不确定性。 想象一下,在一片不可思议的云层中,不断有什么事情发生。 假设有苍蝇围绕着小屋的灯泡飞来飞去。 如果我们捕捉到一只苍蝇,我们就能知道它的位置,但却无法知道它的飞行速度。 量子粒子也不是粒子。 它是一个概率场,对它的测量形成了粒子本身及其参数。 在这种情况下,说所有参数都可以测量是绝对不恰当的。

因此,光子在真空中存在特定的速度,并不能认为它的位置是精确测量到的。