為什麼在量子力學中,知道一個粒子的位置就不知道其速度,知道其速度就不知道其位置?

未來探索菌


這個是量子力學中著名的海森堡不確定原理,可以認為來自於粒子的波動性。

在量子力學中,一個自由粒子可以寫成一個平面波exp{i(Px+Et)},裡面動量P(質量x速度)和位置座標x是等價的,因此量子力學可以採用兩種相互對偶的表象,一種是座標表象,另一種是動量表象,根據平面波的性質,二者可以直接做傅里葉變換。

動量空間中的一個點,在座標空間中就是一個分佈在全座標空間的波,即知道速度就不知道位置。同理,在座標空間中的一個點,在動量空間中也是一個分佈在全動量空間的波,即知道位置不知道速度,這是極端的情況。中間的情況,當這個平面波在動量空間中有一個範圍分佈時,在座標空間也有一個範圍分佈,反之亦然,如圖。

由於平面波的P和x需要符合非對易關係,這就導致它們兩個的分佈範圍乘積必然大於h/2,即普朗克常數的一半,這就是海森堡不確定原理的來源,詳細的證明可參考任意一本物理系用的量子力學教材。


九維空間


我可以從很多很多不同的層次來回答這個問題,比如海森堡自己的一個簡單的解釋就是:對粒子的位置的測量會影響粒子的動量,造成動量(速度)測量上的不確定性,因此越精確地知道位置,則越不精確地知道動量,反之亦然。這個理解其實非常直觀,但這個解釋其實是有問題的,因為這個說法似乎把不確定性的產生看成是由於測量方法所帶來的誤差,沒有表現出這是原子量子力學的一種本質特徵。

這裡我給出一個從信號處理的角度出發的理解。

假如我們現在有一段信號,比如一段語音,通過傅里葉變換,可以將它變成頻率的信號,例如一個簡單的正弦波,在時域裡,它是一段無限延伸的正弦函數,而在頻域裡,它就是一個標準的δ函數,在頻率空間裡,它是完全確定的,而在實空間裡,這段聲音是不斷延伸的。也就是說,頻率空間內的不確定性跟實空間內的不確定性之間存在著對偶的關係,單一頻率對應的是一個在時空中不斷延伸的信號,而在時空中非常局域的信號,它又會是許多頻率疊加的結果。

如果可以理解傅里葉變換中的不確定關係,那麼理解量子力學的不確定關係也變得不再困難了,因為按照德布羅意的物質波理論,量子力學本來就是把各種事物看成「波動」,所以本質上來看,它也就是在處理傅里葉變換的問題。


傅渥成


對,因為我們測出了他的位置,那麼他的速度就會越測不準。因為我們得用工具測量。例如我們用光子來測量一個粒子的位置。我們用頻率大的波段去測量,我們越準確測出他的位置。但是他的速度我們就會對其有更大的影響。因為頻率大了,能量就大了,對粒子的速度影響越明顯。如果用頻率小的光子去測量,它的速度測準確了,但是位置越來越不準確。所以說呢,我們的測量是有侷限性的,我們只能用粒子去測量粒子。我們的誤差是不可避免的。但是呢,科學家對這種現象也給出了公式,既測不準原理!也許有一天,我們發現了一種新的粒子,這種粒子在運動時也不具備質量,如萬有引力子,也許我們就能準確的同時測出粒子的速度和位置。到時候測不準公式就不再有意義了!如果你能發現萬有引力子,毫無疑問,諾貝爾物理學獎肯定是你的!


機器人做官


我還是比較喜歡常規尺度的世界,衛星可以每秒公里表述、子彈可以每秒米表述,眼前的茶杯茶壺可用可手可熱來判斷。僅眼前餐桌上物品,不知道由多少億億萬個原子分子組成。

我欣賞超大尺寸光年來做尺度研究的宇宙現象,向空間探索者致以最崇高的敬意;

我讚歎用超級微小尺寸波段波長來探索世界者,致以無限的敬意!向能量與物質的本性進軍者充滿最高的敬意。

我只是不明白:為什麼總是有人試圖把超大尺寸和超微尺寸的世界總想納入一個模式。納入了一個模式其意義何在?不納入一個模式人類又損失了什麼。


海雲青


是數學得出的結論,這是海森堡的重要發現。

測量就是用尺子去度量,尺子的最小刻度必須小於被側物體才行。對於小如量子的尺寸--普朗克尺寸,它小於我們尺子的最小刻度。這就需要用更小刻度的尺子,就必須使用頻率更好,波長更短的射線,但頻率越高,射線的能量越大,當射線接觸被測量子時,被測量子就被他踢飛到不知哪裡去了。無法測量。

所以不可能同時知道量子的動量和位置,知一便一定不知二。


山巔雲邊


學過高等數學的就知道,只要精確知道一個函數在某一點的導數,就可以重構整個函數。 如果粒子的位置和動量都可以無限精確地確定,那麼就粒子的過去和未來運動軌跡就可以確定,世界就是機械的、確定的、決定論的。 已經實驗證明,量子世界是幾率的、非決定論的。


手機用戶3503570243


簡單來說,就因為現在人類的觀測技術還相對微觀世界還很薄弱。

因為能夠觀測到的“粒子”,都是在一個極小微觀範圍內運動的,這種運動速度是人類現階段無法測量的。反之,能夠測出“粒子速度”的時候,是因為這一粒子出現了“微光、熱源”現象,人類通過類似測量儀器才能測出,但是由於其速度與“光子”相當,因此無法跟蹤測試,也就無法定位了。


自然科學理論研究者


測不準原理是和微觀波粒子的波粒兩相性有關,波、粒兩種形態中,首先是波的形態,其次才是粒子形態,這一點已經在雙縫實驗中得到確認。這兩種形態如同一枚硬幣的兩面,你想看到正面,就必須放棄另一面。之所以測不準也是同樣道理,人們總是站在自己的立場,認為可以依靠先進觀察手段認識事物,但是在面對微觀波粒子時,這樣的自信失去作用,就像微觀波粒子在問你:你是想看到我的正面還是反面?


手機用戶56948517968


量子之間只存在區域不存在速度和距離!何來的速度?還有整個宇宙所有點都是一個重疊平面,也就是說不管是什麼東西能量越純對應點越多!不過這些真的沒用了!這些點原本只為一個存在,這個存在沒意義了這個宇宙中生命也就沒意義了!準備最後一次播種,拿回所有的一切!


用戶8289137475541


如果按這理論問題就來了:潘建偉不是能發射單光子了嗎?光子的速度是可知的,如果連光子的位子都不知道他發射出來幹嘛的!


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