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袁岚峰:不确定性原理究竟是什么意思?| 科学世界·视点

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科学世界·视点

shidian

当你听到量子力学中有个测不准原理,会不会感到十分迷惑?例如有人就曾问我,测不准原理是不是意味着导弹都打不准了?后边大家就会明白,答案是几乎没有影响。


01

测不准原理从何而来?

这个原理究竟是怎么来的呢?经常见到的一种说法是:要测量一个体系的某个性质,就需要测量仪器跟这个体系发生相互作用。对于宏观物体,测量仪器可以做得比这个物体小得多,所以对这个物体的干扰可以忽略不计。但对于微观体系,测量仪器的大小会跟这个体系处于同一量级,甚至比待测体系还大。例如要确定一个电子的位置,你至少也要发一个光子过去,而一个光子就会对电子的位置产生很大的扰动,所以你无法测得精确的位置。

这种说法属于典型的似是而非。测不准原理的提出者海森伯(1901~1976)就经常这样表述,但即使如此它也是错的。它最糟糕的地方,就在于让读者以为测不准是由于测量仪器的限制。那么读者立刻就会想到,改进仪器就有可能突破这种限制。实际上,测不准是待测体系本身的性质,所以无论怎么改进仪器都不能改变它。这话听起来很难理解,是吧?我们后边会来详细解释它。

再来看看推翻测不准原理的努力。这个原理最常见的表述方式之一,就是一个体系的位置和动量不能同时测准。这话听起来十分怪异,所以我见过很多人、很多书、很多文章,力图论证测不准原理是错的。最常见的论证方式,就是设计某种测量方法,认为按照这种方法就能同时确定一个体系的位置和动量。

我可以在这里给个结论,所有这种论证都是错误的。如果你仔细去找,总是可以找到这些测量方法的某种缺点,导致它不能达到目的。不过在这里我并不打算逐个去分析这样的例子,因为完全没有必要。这就好像所有的永动机设计方案都是错误的,因为永动机这个目标违反能量守恒定律,所以你不用挨个仔细看,就能知道它们是错的。

到这里为止,我们说了一堆对测不准原理的错误理解。那么正确的理解该是什么?正确的理解包括好几层。


02

测不准原理的正确理解



第一层,测不准原理其实只是个俗称,这个原理的正规名称叫作“不确定性原理”。看到这个名字,你是不是立刻就产生一个感觉:这个原理说的是待测体系本身的性质,而不是测量仪器的问题?有这个感觉就对了。

第二层,不确定性原理谈论的对象,是物理量的不确定度。物理量为什么会有不确定度?这话对完全没有听说过量子力学的人来说,可能比较难以理解。但对看过我的前几篇文章的人来说,很快就可以明白:因为量子力学中的测量结果是概率性的。


03

量子力学的测量

让我们回顾一下,量子力学中的测量是怎么回事。假如一个体系可以处于|0>和|1>两个基本状态(回顾一下,|>这个符号叫作“狄拉克符号”,用来表示量子力学中的状态),那么根据叠加原理,这个体系就可以处于l0>和|1>的任意线性叠加,即任意的a|0>+b|1>,其中a和b是两个数,对它们唯一的限制是|a|2+|b|2=1。

然后,当我们要对这个体系做测量的时候,我们首先要选定一个基组,就是一组基本状态的集合,它们的线性叠加可以表示出这个体系允许取到的所有状态。在这里,我们就取最简单的例子,即用|0>和|1>这个基组,对a|0>+b|1>这个状态做测量,那么结果是什么呢?

如以前的文章所述,结果是以|a|2的概率得到|0>,|b|2的概率得到|1>。当然,如果a=0,就会100%即确定地得到|1>,如果b=0,就会100%即确定地得到|0>。但这是特殊情况,在大多数情况下,a和b都不等于0,测量结果就是概率性的,两种结果都有一定的概率出现。这个概率性,就是量子力学的本质特征,它是无法消除的。再来回顾一下,一个物理量在测量之前总有个确定的值等着你去测,这是经典力学的世界观,但量子力学正是告诉我们,这个世界观是错的!

假如我们定义一个物理量X,它对|0>这个态取值为0,对|1>这个态取值为1,那么请问,对这个叠加态,这个物理量的取值会是什么呢?你立刻就知道答案了,取值是不确定的,它会以一半的概率取到0,一半的概率取到1。用稍微数学一点的语言说,测量结果是一个分布。我们可以事先预测这个分布,但无法预测单次测量的结果。

知道了这个分布,我们就可以定义X这个物理量的平均值(average value)或者叫作“期望值”(expectation value),往往用 来表示。在这个例子中,期望值显然就是


知道了期望值以后,又可以定义这个分布的“方差”(variance),它是这个物理量与自己的期望值的差的平方的期望值,即<(X- ) 2>,往往用Var(X)来表示。在这个例子中,就是


再下一步,方差的平方根就叫作“标准差”(standard deviation),往往用△X来表示。在这个例子中,就是


实际上,标准差就是这个物理量的不确定度(uncertainty)。现在大家明白了吧?只要一个物理量的测量结果是概率性的(这是非常常见的情况),它就会有个不确定度。

关键在于,只要给定了待测状态,这个物理量的不确定度就是可以事先算出来的,它跟测量仪器毫无关系。并不是因为测量仪器不够准才导致不确定,而是因为待测状态就决定了测量结果是一个分布,由此导致不确定。

了解了物理量的不确定度之后,我们再来解释不确定性原理实际说了些什么。它说的是,对于一个体系的两个物理量,它们的不确定度的乘积有个下限。

不确定性原理谈的不是一个物理量的不确定度,而是两个物理量的不确定度的乘积。一个物理量的不确定度其实完全可以是0,因为总可以找到使它为0的待测状态。但两个物理量的不确定度的乘积却可能永远无法成为0,无论你找什么样的待测状态都不行。这就是不确定性原理告诉我们的惊人的事实。


04

不确定性原理的数学表述

上面这些论述,可能已经绕得你晕头转向。来看一个具体的例子,你就清楚了。不确定性原理最广为人知的例子,就是开头说的,一个体系的位置和动量不能同时确定。实际上,对此严格的数学表述是。

其中,△x是x方向坐标的不确定度,△px是x方向动量的不确定度,两者乘起来必然大于等于ℏ/2。这个ℏ叫作“约化普朗克常量”,等于普朗克常量h除以2π。本来先发现的是普朗克常量,但在后来的理论推导中,人们发现h/2π非常频繁地出现,于是给它起了约化普朗克常量这个名字,还给了它一个专用的符号ℏ。

这个不确定性关系告诉我们很多东西。例如对于一个△x=0即位置完全确定的粒子,它的△px必然等于无穷大,即x方向动量完全不确定。而对于一个△px=0即x方向动量完全确定的粒子,它的△px必然等于无穷大,即x方向坐标完全不确定。而对于某种中间状态,例如氢原子中的电子,它的△x和△px都不等于0,把实际的值代进去,你会发现它们的乘积确实大于ℏ/2这个下限,不过相差不多,处于同一量级。根据这个原理还可以估算氢原子的半径,然后会发现确实跟实际值处于同一量级。

一个有趣的问题是,把这个原理用到宏观物体上,会怎么样?答案是几乎没有影响。例如对于一粒肉眼看不见的微尘,直径约为1微米(即10-6米),质量约为10-12克,速度约为0.1厘米/秒,那么它的动量约为10-18千克·米/秒。再假设对它的位置测量达到一个极高的精度——10-10米,即相当于一个氢原子的直径,那么请问,它的动量不确定度等于多少呢?按照不确定性关系,会得到

干克·米/秒

由此得到的动量相对误差△P/P≈10-6,这仍然是一个非常小的相对误差,实验上都很难达到。这还是对于一粒微尘,随着物体质量的增大,动量的绝对值会变得更大,动量的相对误差会变得更小,所以对于像导弹这样的宏观物体,不确定性原理几乎不产生任何影响。

因此,不确定性原理是一个对微观非常重要、对宏观非常不重要的原理。那么,不确定性原理是怎么来的呢?许多书籍和文章大谈它的哲学意义,让许多人产生一个感觉,好像它是个基本原理,从天上掉下来的。但其实完全不是这样,不确定性原理是一个定理。


这个定理的证明可以参见任何一本量子力学教科书。其实说到底,这个定理来自量子力学中对物理量测量值的定义,只要你接受这套定义,再加上一些不算很复杂的数学推导,就会推出这个定理。到这里为止,你对不确定性原理的了解已经超过了99.99%的人。还有什么不知道的?可能还剩下一点,就是物理量测量值究竟是怎么计算的。这个说起来可就长了,要牵涉到算符(operator)。这里我们暂时不再详细讲解。因为一旦要讲解,就会发现这需要整本量子力学教材。


05

量子力学的波函数

对于位置和动量之间的不确定性关系,其实存在一种比较容易理解的解读。如果你学过信号与系统,了解傅里叶变换,你会发现,它就相当于一个信号在时域与频域的关系:在时域越窄(即在时间上集中),在频域就越宽(即在频率上弥散);在频域越窄,在时域就越宽。无论如何也不可能让一个信号在时域和频域都很窄,因为它在时域的宽度和在频域的宽度相乘有个下限。

如果觉得时域和频域这些名词太专业,我们还可以换一种讲法来理解。假设握住一根长绳的一端,上下摆动产生一个波。“波究竟在哪里?”就不是一个好问题:波不在任何地方——它分布在一个范围内。另一方面,如果问这个波的波长是多少,则可以回答出来。如果突然抖动绳子则可以得到一个沿绳子传播的很窄的峰。这时“波在哪里”这个问题就有答案了,但是“波长是多少?”就又没意义了——它甚至没有一个周期,也就没有波长。当然我们也可以想象出介乎两者间的情况,但是相对来说肯定会有一个取舍:波的位置越精确,波长就越不精确,反之亦然。

这种讨论适合任何波动现象,也适用于量子力学的波函数。粒子的动量和波长是存在联系的,波长的弥散就对应动量的弥散。因此对观测来说,粒子的位置确定得越精确,它的波长就越不精确,于是动量就越不精确。定量地写出来,就是。式中△X是位置X的标准差;△px是动量p的标准差。


不确定性原理是一个惊人简明而又深刻的结论,这是一种科学之美,你感受到了吗?

本文摘编自杂志2025年第12期,文章内容略有删改。

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