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微观粒子的位置和速度无法同时确定，量子世界为何拥有如此特性？

发布者：大夏真兴 2023-7-12 14:53

简单说，这就是量子世界的一种固有特性，内在秉性。人类不能决定改变大自然规律，只能去发现大自然规律，然后运动大自然规律为人类服务。

量子世界存在不确定性，也就是所谓的“不确定性原理”，微观粒子的位置和速度（动量）不能同时确定，它们的关系满足一个公式：ΔxΔp≥h/4π

公式表明，微观粒子速度的不确定性与位置的不确定性乘积必然不小于一个常数：≥h/4π。如果一个微观粒子的速度（或者位置）确定了，意味着不确定性就是零，公式就不成立了。

对于量子力学中的不确定性，一直以来存在着不小的争议，比如说爱因斯坦与波尔为首的哥本哈根学派之间的辩论。

爱因斯坦认为世界是可测量的，可描述的，都是有规律可循的，而波尔的观点恰恰相反，他认为世界（微观世界）是不确定的，一切都是随机的，只能用概率（波函数）去描述。

不确定性原理是由物理学家海森堡提出来的，在海森堡波尔等物理学家眼里，不确定性是固有的属性，同时也有我们的观测有关。

因为任何形式的观测都势必会影响到微观粒子的状态，会对微观粒子发生扰动，进而改变粒子的存在状态。

我们观测任何事物，不管是用眼睛直接看还是用精密仪器观测，都必须通过光，而光具有波粒二象性。

我们只能通过反射出来的光线才能看到一种物体，而当光照射到一个物体时，一定会对物体自身造成些许的影响，改变物体的状态。

在宏观世界，由于光线照射到宏观物体的影响非常有限，一般情况下我们都能同时确定物体的速度和位置。

但在微观世界就不一样了，微观粒子的质量非常小，即便是光子也会对微观粒子造成影响，改变其运动状态。

同时，科学家不可能测量到比光的两个波峰之间距离更精确的尺度，所以，想要测量到粒子的更精确的位置，当然光的波长越短越好。

但是光的波长越短，意味着动量就越大，对微观粒子的速度影响就越大，速度就越不确定。

这就产生了一个矛盾，就像“鱼和熊掌不可兼得”一样。

事实上，不确定性原理不仅仅体现在位置和速度的不确定上，还有方位角与动量矩的不确定性，能量与时间的不确定性同样也满足不确定性原理。

拿能量与时间的不确定性举例子，当能量越确定时，时间就越不确定。当时间越确定时，能量就越不确定。这意味着在极短的确定时间里，能量显得很不确定，理论上能量可以非常高，可以超越“能量势垒”，完成量子隧穿。

用宏观世界打个比方，假如你最多可以越过2米高的墙，“2米”就是你的“能量势垒”，理论上无路如何你都不可能越过那堵墙。但按照量子力学不确定性诠释，在某一个时间里，你完全有可能瞬间穿越那堵墙，来到墙的另一面。只不过这种事情在现实中是不会发生的，也可以理解为发生的几率实在太小了，小到一定程度，就被认为不可能发生！

体育阿尔伯特·爱因斯坦维尔纳·海森堡 2019未来科学大奖

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