为什么量子力学不允许物体同时拥有明确的位置和动量?

只是一只鱼


我昨天刚发布一篇关于光速不可超越的回答,里面阐述了这个问题!谈到量子力学,最大的神秘之处莫过于量子纠缠现象!因为量子纠缠可以超光速,超视距运动。例如用光传输信号,对于一光年外的地方传输一个信号,需要用一年时间,而量子纠缠可以基本无延时“传输"信号。之所以用信号把传输两个字扩起来,是因为量子纠缠并不是以传输的形式进行信号改变的!我这里提到一个假设,例如人类创造的世界,游戏世界,由于都是采用电子数字信号进行运作,所以游戏内的公屏,任何时候传输广告和信息,都不可能超越光速,因为游戏的内的世界是以电信号形式传输存在的!同样我们人类也有可能生活在高维只会生命用超级计算机创造的模拟世界内,所以光速不可超越!而量子纠缠现象,我是这么认为的,游戏内唯一的超光速传播信息方式,就是预先设定,例如游戏内设定一个时间触发情况,就是到什么时间点,游戏所有地方出现同一个变化!这样就可以解决光速限制问题了!那么量子纠缠现象,也许就是高维智慧生命预先设定好的一个触发情况吧!


梵尘子


为什么量子力学不允许物体同时拥有明确的位置和动量?

不是量子力学不允许,而是量子力学发现了微观世界的粒子有这个特性,这或许就是我们世界的一种规律。

这个世界任何人任何理论都不不能够决定这个世界的规律,只能发现、利用和运用规律。

打个比方,人们经过长期实践,认识到打雷是因为积雨云的放电现象,放电时发出闪光,释放出巨大热量,而热量使周围空气急速膨胀,形成压力推挤周边空气,就产生巨大震波,这就是雷声。

闪电和雷声差不多同时发生,但由于光速快声速慢,所以我们就往往先看到闪电,再听到雷声。

而打雷是会劈死人的。

这些就是自然规律,人们知道了这个规律,并不能阻止改变雷会劈死人的规律,但可以利用规律避免这种事情发生。

比如就建造避雷针,将电荷通过尖端放电消除,以减少雷电的危害;人们也知道在雷雨天气尽量不要在野外或者树底下活动或躲雨,避免雷电伤害。

但我们不能说,科学为什么规定雷雨天一定要打雷呢?打雷一定要劈死人呢?

科学能规定这个吗?

量子力学发现了微观世界一些特异现象,并不能代表宏观现象。

比如说位置和速度不能够同时确定,只是指微观粒子,而不是指任何“物体”。

我们既不能够用微观的事物来描述宏观事物,也不能用宏观的思维去解释微观事物。

爱因斯坦与哥本哈根派的世纪之争,以爱因斯坦为代表包括薛定谔等一帮科学家,就是以宏观理论来判别量子的奇异特性,认为世界的一切事物都有规律可循,量子世界的不确定性原理只不过是人们还没有找到其中隐含的可变量而已。

最终哥本哈根派胜出,不确定性原理、量子纠缠等理论成为量子力学的正统理论。

不确定性原理就是描述量子世界粒子运动规律的,这个理论认为在粒子世界,人们不可能同时知道一个粒子的位置和它的速度。

因为粒子位置的不确定性,必然会大于或等于普朗克常数除以4π(ΔxΔp≥h/4π),微观世界的粒子行为与宏观物质很不一样。

这个理论是德国物理学家海森堡在1927年提出,这种不确定性来自两个因素,其中主要的是,测量某个东西必然会对那个东西发生扰动,从而改变其状态。

人观察事物必须利用到光,光是具有波粒二象性的事物。

在观察宏观事物时,我们通过光看到了这些事物,而光照射到这些东西身上的力是很微弱的,虽然从微观上也改变了这个物体的一些状态,但这种改变需要用电子显微镜才能够看到。

我们看到一个杯子,或这一个人一头猪,是通过光的反射看到的,由于对它们的改变很小,我们既能够看到这个物体的位置,也能够看到这个物体的速度。

但在微观粒子世界,就不一样了。

我们观测电子,也必须通过光来看,但一个光子打在电子上,电子就获得了能量,就会改变其运动状态。

光波是有尺度的,将光照射粒子来测量其位置速度,一部分光波必然被粒子散射开来,由此才能够指明位置。

但人们不可能将粒子位置确定到比光两个波峰之间距离更小的程度,因此为了更精确测出粒子位置,采用的光波就越短越好。

越小尺度的光波能量越强,就越能够看清粒子的位置,但对粒子的动量就越大,由此对其速度测量不确定性就越大。

位置的不确定性与动量的不确定性遵守不等式:

其中,h 是普朗克常数。

因此,量子力学不确定性原理,是描述量子现象的一种理论,是科学研究对量子世界规律的一种认识,迄今为止,它是正确的。


时空通讯


不是不允许物体同时拥有明确的位置和动量,而是将观测到的实验现象进行了这样的总结。这就是量子力学中的的一个非常重要的原理:海森堡不确定性原理。

由于这个原理极大违背了我们的日常感知,它也已演变成一种被广泛应用于各种媒体流的东西,以处理哲学主题,如虚无主义和荒诞主义。或许是这个原理本身太模糊了,以至于大多数人都无法理解。

当然,这并不令人惊讶。量子力学本身就被喻为通往爱丽丝仙境的兔子洞,一个与宏观世界完全不一样的微观世界。但我们可以尽量简单地来理解下这个概念。

20世纪初,一股新的物理浪潮席卷了科学界。这场思想革命击碎了经典物理学的基石——世界的确定性与连续性。

普朗克率先发现了能量并不是连续的,而是以一个个能量包的形式释放与传播,即所谓的“量子”。随后量子的概念进一步被延展,扩展到了一切基本粒子。量子力学将物理学带入了一个深不可测、五彩缤纷、神秘的微观世界。

这个世界里,一切物质的运动方式与我们所熟悉的宏观世界中的运动完全不一样,它们似乎遵循另外一套物理规则。

1927年,德国科学家沃纳·海森堡(Werner Heisenberg)对基本粒子某些情况下的灵活性,给出了一个开创性的描述。

海森堡意识到,在微观世界中,要以高精度同时知道粒子的两个性质是不可能的。换句话说,你可以非常肯定地知道电子的位置,但不知道它的动量,反之亦然。

这本质上是因为电子同时具有粒子和波的性质,这种“波粒二象性”已经成为量子力学的基石。当我们测量一个电子的位置时,我们把它当作一个粒子在空间中的一个特定点,但它却有一个不确定的波长。当我们测量它的动量时,我们把它当作一个波,这意味着我们可以知道它的波长的振幅,却无法获取它作为一个点的位置。

简单来理解,不确定性来自于粒子在量子尺度上的类波行为,其实即使在经典情况下我们也很难精确测量波的物理位置。我们在说一个物体位置的时候,潜意识上就是把它近似为一个点在描述。


你能准确描述波的位置吗?

另一种更容易理解,但却不那么准确的解释是。任何东西只有通过反射光子,才能被我们看到,但当一个物体小到粒子的程度,一旦有光子撞击上它,撞击点就是我们能确定的位置,但光子有能量就必定改变其动量。一旦我们要确定其动量,就不能用光子去撞击它,这样我们就无法产生一个代表位置的撞击点。

因此那些所谓的不确定性原理意味着观测决定一切的意识论,其实是一种荒诞主义。即便早期的物理学界也曾提出过这样的一些理论,但那是基于在量子研究的初期,对量子性质的不了解。

抛出一个位置与动量的共轭关系式:ΔxΔp≥h/4π。

h是普朗克常数:6.62607015×10^(-34) J·s,它与π都是一个定值,位置的变化值Δx与动量的变化值Δp的乘积大于等于一个定值,就意味Δx与Δp一定是一个此消彼长的关系。

而对于宏观物体,Δx与Δp这两个值永远都是极大的,因为本质上来说宏观物体的位置与动量都是近似值,而h/4π却是一个极小的一个值,所以这个不等式永远成立。

然而,随着Δx与Δp任意一个值的减小,进入微观世界的尺度,情况就大不一样了。当Δx与Δp中任意一个值越小(意味着越确定),则另一个值就肯定越大(意味着越不确定)。

当然对于怀疑论者,你可以不认同这个不等式,而且所有新理论都可以来挑战这个不等式,不过至今为止它还未尝一败。目前关于微观世界运动描述的擂主还是它,而科学界是一个PK出真知的地方,不管那条理论,只要被击倒就下台,而谁站在擂台上就谁说了算,毕竟拳头硬才是硬道理,在哪都一样。

最后,海森堡的不确定原理当然不仅仅只是描述位置与动量关系这么简单,它同时蕴含着能量与时间关系的深刻认知,它甚至被用来解释宇宙大爆炸。这个说来就又话长了,之前曾简单回答过类似问题,就不再这赘述了。

有兴趣可以看看:

https://www.wukong.com/answer/6746464613103042823/

总结一下:

在我看来,不确定原理重点反而不是微观世界运动状态的不确定性,而是在于让我们接受万物的矛盾统一,至少在根源上是矛盾统一的。波与粒子看似矛盾,实则统一。

这种矛盾原本只存在于形而上的哲学概念中,如今微观领域的物理学中呈现在了这种矛盾。我们如何接纳这种矛盾才是未来科学发展的突破。科学一直以简洁为美,无可厚非,因为简洁才能被更高效地应用,而科学的本质是服务于应用。不像哲学这样纯粹的思辨。

但简洁,或者说简单性只适合于应用,简洁的线性逻辑在根源上永远无法自证,就像数学中的公理,哲学中的悖论。只有认可底层的矛盾与混沌,才可能出现有秩序的上层建筑。

矛盾、混沌、不确定是一切活力的源头,而它们又可以通过叠加相互抵消无序性,形成确定的秩序,这才是完美的世界结构。

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