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海森堡的不確定性原理是怎么樣得出來?

 昵稱11935121 2018-06-01

1924年,德布羅意提出了物質(zhì)波,1925年1月,泡利提出了不相容原理,這是一個(gè)星光燦爛的年代,論文如雨后春筍般冒出來,稍微晚一步就會(huì)被人搶先,海森堡當(dāng)然不會(huì)落后。

1925年,海森堡、波恩、約當(dāng)提出了矩陣方程,這還不是測(cè)不準(zhǔn)原理,不過這已經(jīng)是量子力學(xué)的第一個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)形式了,不過好玩的是當(dāng)初海森堡并不知道矩陣這種數(shù)學(xué)形式,都打算自己定義了,后來被提醒這東西早就有了,這說明海森堡數(shù)學(xué)水平一般,這一點(diǎn)很重要,后面會(huì)提到。

虐貓狂人薛定諤表示不服,矩陣那東西看不太明白,還是用爵爺創(chuàng)造的微積分吧,1926年,薛定諤用微積分推導(dǎo)出來了波動(dòng)方程,大家一陣歡呼,因?yàn)榇蠹叶紝?duì)微積分比較熟悉,可是這是不是說明海森堡錯(cuò)了呢?

當(dāng)然不是,薛定諤證明矩陣方程和波動(dòng)方程是等價(jià)的。

不過,海森堡感到很郁悶,明明是自己先提出了矩陣的思想,可是因?yàn)閿?shù)學(xué)不行,被弄成了和波恩約當(dāng)合作,薛定諤還證明了波動(dòng)方程和矩陣方程等價(jià),這該咋辦啊。

1927年,海森堡提出了測(cè)不準(zhǔn)原理,這次別人可搶不了了。

測(cè)不準(zhǔn)原理是說不可能同時(shí)準(zhǔn)確測(cè)出粒子的位置和速度,這個(gè)說法有點(diǎn)太玄妙了,已經(jīng)有點(diǎn)不象物理學(xué)了,有點(diǎn)哲學(xué)意味了,沒錯(cuò),海森堡確實(shí)是一個(gè)哲學(xué)家。

這個(gè)原理一提出就引起了軒然大波,愛因斯坦那句“上帝不擲骰子”就是從這開始的,后來愛因斯坦提出EPR,就是俗稱的量子糾纏,就是為了反對(duì)測(cè)不準(zhǔn)原理,泡利第一個(gè)要海森堡做出解釋,泡利啊,你這不是趁火打劫嗎?雖然你自認(rèn)為是愛神的馬仔,也不能這樣吧,畢竟你也是量子力學(xué)的一員大將不是,海森堡想了想沒說話,薛定諤干脆扔出一只不死不活的貓來惡心量子學(xué)派,薛定諤你這是干嘛呢?你也是量子學(xué)派的一顆星星好不好?

扯遠(yuǎn)了,繼續(xù)說測(cè)不準(zhǔn)原理,雖然說測(cè)不準(zhǔn)原理充滿了哲學(xué)思辨,但也是計(jì)算出來的,海森堡雖然數(shù)學(xué)不咋地,但加上哲學(xué)家的思維就無往不利了。

對(duì)于量子力學(xué)和經(jīng)典力學(xué)有一個(gè)比喻,是這么說的,經(jīng)典力學(xué)的科學(xué)家是看看一場(chǎng)歌劇,無論觀眾如何叫好,都不會(huì)影響故事的情節(jié),而量子力學(xué)就好比看一場(chǎng)足球比賽,觀眾的吶喊助威是會(huì)影響比賽的結(jié)果的。

具體來說,就是對(duì)粒子的測(cè)量方法是會(huì)影響測(cè)量結(jié)果的。

海森堡指出,要想測(cè)量粒子的位置和速度,最好是用光照到一個(gè)粒子上的方式來測(cè)量,一部分光波被此粒子散射開來,由此指明其位置。但不可能將粒子的位置確定到比光的兩個(gè)波峰之間的距離更小的程度,所以為了精確測(cè)定粒子的位置,必須用短波長(zhǎng)的光。

而普朗克指出,不能用任意小量的光,至少要用一個(gè)光子,而這個(gè)光子會(huì)擾動(dòng)粒子,并以一種不能預(yù)見的方式改變粒子的速度。

所以,簡(jiǎn)單來說,就是如果要想測(cè)定一個(gè)粒子的精確位置的話,那么就需要用波長(zhǎng)盡量短的波,這樣的話,對(duì)這個(gè)粒子的擾動(dòng)也會(huì)越大,對(duì)它的速度測(cè)量也會(huì)越不精確;如果想要精確測(cè)量一個(gè)粒子的速度,那就要用波長(zhǎng)較長(zhǎng)的波,那就不能精確測(cè)定它的位置。

海森堡經(jīng)過計(jì)算得出,這個(gè)數(shù)學(xué)水平他還有,這就△x△p≥h/4π,其中h就是普朗克常數(shù)。

測(cè)不準(zhǔn)原理的故事就說完了,但是海森堡的故事還沒有完。

讓我們回到那戰(zhàn)火紛飛的年代,二戰(zhàn)期間,誰先造出核武器就意味著誰掌握了戰(zhàn)爭(zhēng)的主動(dòng)權(quán),當(dāng)時(shí)大家紛紛跑到了美國(guó),但是海森堡卻留下來為德國(guó)制造核武器,為什么呢?

沒人知道,海森堡曾說過,他當(dāng)時(shí)曾和老師玻爾約好,咱們誰也不造出原子彈,因?yàn)檫@種武器會(huì)敲響人類的喪鐘,所以啊,我在德國(guó),你在美國(guó),咱們聯(lián)手保護(hù)人類。不過這種說法并沒有得到玻爾證實(shí)。

但是德國(guó)最后也沒有造出原子彈來,為什么?。窟€記得剛才那個(gè)知識(shí)點(diǎn)嗎?因?yàn)楹I?shù)學(xué)差啊,他算錯(cuò)了數(shù),當(dāng)然,也可能是他故意算錯(cuò)的,不過,真相已經(jīng)淹沒在了歷史的迷霧中。

不過,在1970年,海森堡獲得了以他的老師玻爾名字命名的“玻爾國(guó)際獎(jiǎng)?wù)隆保@個(gè)獎(jiǎng)?wù)率菍iT獎(jiǎng)給在原子能和平利用上做出巨大貢獻(xiàn)的科學(xué)家的。

這是什么意思啊?太測(cè)不準(zhǔn)了吧,對(duì)這就是海森堡,他的一生和他的理論一樣充滿了不確定性。




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