不确定性原理是因为观察者仪器本身被限制的原因,还是说系统本身就是不确定的?

cles


答案是系统本身的不确定。

说不确定都有些不恰当,事实是对于一个量子系统,这个系统所有的状态是共存,叠加在一起的。

举个例子:假设一个粒子的运动状态有A、B两种形式,则在没观察之前,这个粒子同时处于A+B两种状态的叠加,一旦对这个系统观察,这个粒子就会从A+B这种叠加状态中“随机”选一个状态呈现出来。

关于这一点,爱因斯坦和薛定谔表示全是扯淡,爱因斯坦抛出“上帝不掷骰子”来反驳量子力学的不确定性,而薛定谔则抛出了“薛定谔的猫”这一经典思考实验。

然而,这种现象看起来很玄幻违背常理,但这确实是事实。

我们拿薛定谔的猫来举例子

假设现在又一个黑匣子,里面有一只猫,一瓶毒药和一个放射性物质,其中放射性物质有一半概率衰变,衰变之后毒药会被触发。如果这个放射性物质衰变了,则毒药会被释放、猫就会死,反之则存活。

现在将他们关在一起,当我们把他们看作一个整体时,在我们未对这个系统观察时,由于我们不知道放射性物质的衰变情况,则它应该处于即衰变又没衰变的叠加态,所以猫也应该处于生和死这两种状态的叠加。

薛定谔的猫原本用来讽刺量子力学的不确定性,但他确实帮助人们更好的理解了叠加态这一奇怪的现象。

这种叠加态近来已经得到了应用,比如当下人气高涨的“量子计算机”,传统计算机一次性只能记录0或1其中一个信息,而有了叠加性质的量子计算机可以将0和1叠加在一起同时记录,这就大大提升了计算机的计算能力,这也是量子计算机成为未来一大趋势的原因之一。

目前,中国的量子计算机在世界处于领先水平。

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我先说一下十五年前一位日本科学家的工作,他叫小泽正直,2003年小泽正直提出了一个不等式,该不等式推广了量子力学的不确定性关系,对量子力学的不确定性做出了修正。该不等式表明,一些特殊条件下是可以准确测量粒子的坐标和动量的,从而指出了量子力学不确定性关系的局限性!

基于小泽不等式,我可以对题主的问题做出回答。系统本身具有不确定性,同时仪器也会影响系统。但是要记住一点,仪器本身是没有问题的,它带来只是测量误差,而不是系统本身的误差。

回到传统量子力学,传统量子力学认为,两个算符的不对易性会导致两个算符之间存在测量不确定性,该不对易性在经典力学一样存在,但是由于经典力学没有概率解释,导致这种不对易性不表现为体系的不确定性。

所谓测量的不确定性,并不是测不准,而是测量得到的各个精确数值之间存在差异,物理学称之为涨落。记住一件事情,每次测量都是精确的,但是每次测量的数值都不尽相同。测量的不确定性来自于体系本身的随机性——不能叫“体系是不确定性的”,因为体系的动力学方程、体系的初始条件等一切都是确定的。这里面就引出了量子力学的一个问题:确定的动力学方程和初始条件为什么会导致随机性出现?但是要注意,这个问题无论是传统量子力学的不确定性关系还是小泽不等式都无法解释。

量子力学的概率问题可以说是量子力学最大的问题,这个问题如果不能给出合理的解释——目前一切关于量子力学概率的解释都存在瑕疵——那么量子力学就不能算得上一个完美的理论。爱因斯坦质疑量子力学的合理性,其实和这个问题有很大关系。


科学联盟


没有仪器本身被限制这个说法。

不确定性有两种解释,一种是观察行为会对粒子产生扰动,确认过眼神的他,和没有确认过眼神之前的他,其实不是一个人了。人们只能观察到扰动过的对象,至于对象原本是什么样子,不能确定。这种解释与之前哲学上的观点:人们只能知道被自己感知的东西相类似。

另一种解释就是,不确定性是粒子的基本性质,客观世界的性质就是这样的。这又牵涉到了时间,空间,质量,能量这些物理学上最本质的问题,这些问题,自相对论和量子力学诞生以来,越来越让人们迷惑了。


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