量子物理實(shí)驗(yàn)表明 海森堡在某種意義上對(duì)不確定性是正確的

“不確定”這個(gè)詞在量子力學(xué)中被廣泛使用。一種思想流派認(rèn)為，這意味著世界上有一些我們不確定的東西。但大多數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為大自然本身是不確定的。

內(nèi)在的不確定性是德國(guó)物理學(xué)家Werner Heisenberg(現(xiàn)代量子力學(xué)的創(chuàng)始人之一)提出這一理論的核心。

他提出了不確定性原理，表明我們無(wú)法同時(shí)知道粒子的所有屬性。

例如，測(cè)量粒子的位置可以讓我們知道它的位置。但是這種測(cè)量必然會(huì)干擾其速度，其量與位置測(cè)量的精度成反比。

海森堡錯(cuò)了嗎?

海森堡使用不確定性原理來(lái)解釋測(cè)量如何破壞量子力學(xué)的經(jīng)典特征，即雙縫干涉模式(下面將詳細(xì)介紹)。

但早在20世紀(jì)90年代，一些著名的量子物理學(xué)家聲稱已經(jīng)證明可以確定粒子穿過(guò)的兩個(gè)狹縫中的哪一個(gè)，而不會(huì)明顯擾亂它的速度。

這是否意味著海森堡的解釋一定是錯(cuò)的?在剛剛發(fā)表在“科學(xué)進(jìn)步”雜志上的工作中，我的實(shí)驗(yàn)同事和我已經(jīng)表明，跳到這個(gè)結(jié)論是不明智的。

我們展示了一種速度擾動(dòng) - 從不確定性原理預(yù)期的大小 - 在某種意義上總是存在的。

但在進(jìn)入細(xì)節(jié)之前，我們需要簡(jiǎn)要解釋一下雙縫實(shí)驗(yàn)。

雙縫實(shí)驗(yàn)

在這種類型的實(shí)驗(yàn)中，存在具有兩個(gè)孔或狹縫的屏障。我們還有一個(gè)量子粒子，其位置不確定性足以覆蓋兩個(gè)狹縫，如果它在屏障上發(fā)射。

因?yàn)槲覀儫o(wú)法知道粒子穿過(guò)哪個(gè)狹縫，所以它就像穿過(guò)兩個(gè)狹縫一樣。這就是所謂的“干涉圖案”：在狹縫之外的遠(yuǎn)場(chǎng)屏幕上可能發(fā)現(xiàn)粒子的位置分布的漣漪，這意味著在狹縫之外有很長(zhǎng)的距離(通常是幾米) 。

但是，如果我們?cè)谄琳细浇胖靡粋€(gè)測(cè)量裝置來(lái)找出粒子穿過(guò)哪個(gè)狹縫怎么辦?我們還會(huì)看到干涉模式嗎?

我們知道答案是否定的，海森堡的解釋是，如果位置測(cè)量足夠精確，可以判斷出粒子穿過(guò)哪個(gè)狹縫，它會(huì)對(duì)其速度產(chǎn)生隨機(jī)干擾，這個(gè)干擾足以影響它在遠(yuǎn)場(chǎng)的最終位置。 ，從而洗掉干擾的漣漪。

眾所周知的量子物理學(xué)家意識(shí)到，找出粒子經(jīng)過(guò)哪個(gè)狹縫并不需要進(jìn)行位置測(cè)量。任何根據(jù)粒子通過(guò)哪個(gè)狹縫得到不同結(jié)果的測(cè)量都可以。

他們想出了一種裝置，它對(duì)粒子的影響不是隨機(jī)速度的影響。因此，他們認(rèn)為，海森堡的不確定性原則不是解釋干擾的損失，而是其他一些機(jī)制。

正如海森堡預(yù)測(cè)的那樣

我們沒(méi)有必要進(jìn)入他們所聲稱的破壞干擾的機(jī)制，因?yàn)槲覀兊膶?shí)驗(yàn)已經(jīng)證明了粒子速度的影響，只是海森堡預(yù)測(cè)的大小。

我們看到了其他人遺漏的東西，因?yàn)榱Ｗ油ㄟ^(guò)測(cè)量裝置時(shí)不會(huì)發(fā)生這種速度擾動(dòng)。相反，它會(huì)延遲，直到粒子遠(yuǎn)離狹縫，在通向遠(yuǎn)場(chǎng)的路上。

這怎么可能?好吧，因?yàn)榱孔恿Ｗ訉?shí)際上不僅僅是粒子。它們也是波浪。

實(shí)際上，我們實(shí)驗(yàn)背后的理論是波和粒子性質(zhì)都表現(xiàn)出來(lái)的理論 - 根據(jù)理論物理學(xué)家大衛(wèi)博姆(海森堡之后的一代)所引入的解釋，波引導(dǎo)粒子的運(yùn)動(dòng)。

我們來(lái)試驗(yàn)吧

在我們最新的實(shí)驗(yàn)中，中國(guó)的科學(xué)家們采用了我在2007年提出的一項(xiàng)技術(shù)來(lái)重建量子粒子的假設(shè)運(yùn)動(dòng)，從兩個(gè)狹縫的許多不同的可能起點(diǎn)，以及兩種測(cè)量結(jié)果。

他們比較了沒(méi)有測(cè)量裝置時(shí)的速度隨時(shí)間的變化，并確定了測(cè)量結(jié)果導(dǎo)致的速度變化。

實(shí)驗(yàn)表明，在顆粒清除測(cè)量裝置本身之后，測(cè)量對(duì)顆粒速度的影響持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，距離它只有5米。

到那時(shí)，在遠(yuǎn)場(chǎng)中，平均速度的累積變化足夠大，以清除干涉圖案中的波紋。

因此，最終，海森堡的不確定性原則取得了勝利。

帶回家的消息?在你考慮了原理的所有理論表述之前，不要對(duì)什么原則可以或不能解釋現(xiàn)象做出深遠(yuǎn)的主張。

是的，這是一個(gè)抽象的消息，但它的建議可以應(yīng)用于遠(yuǎn)離物理學(xué)的領(lǐng)域。