為什麼量子力學不允許物體同時擁有明確的位置和動量?

只是一隻魚


我昨天剛發佈一篇關於光速不可超越的回答,裡面闡述了這個問題!談到量子力學,最大的神秘之處莫過於量子糾纏現象!因為量子糾纏可以超光速,超視距運動。例如用光傳輸信號,對於一光年外的地方傳輸一個信號,需要用一年時間,而量子糾纏可以基本無延時“傳輸"信號。之所以用信號把傳輸兩個字擴起來,是因為量子糾纏並不是以傳輸的形式進行信號改變的!我這裡提到一個假設,例如人類創造的世界,遊戲世界,由於都是採用電子數字信號進行運作,所以遊戲內的公屏,任何時候傳輸廣告和信息,都不可能超越光速,因為遊戲的內的世界是以電信號形式傳輸存在的!同樣我們人類也有可能生活在高維只會生命用超級計算機創造的模擬世界內,所以光速不可超越!而量子糾纏現象,我是這麼認為的,遊戲內唯一的超光速傳播信息方式,就是預先設定,例如遊戲內設定一個時間觸發情況,就是到什麼時間點,遊戲所有地方出現同一個變化!這樣就可以解決光速限制問題了!那麼量子糾纏現象,也許就是高維智慧生命預先設定好的一個觸發情況吧!


梵塵子


為什麼量子力學不允許物體同時擁有明確的位置和動量?

不是量子力學不允許,而是量子力學發現了微觀世界的粒子有這個特性,這或許就是我們世界的一種規律。

這個世界任何人任何理論都不不能夠決定這個世界的規律,只能發現、利用和運用規律。

打個比方,人們經過長期實踐,認識到打雷是因為積雨雲的放電現象,放電時發出閃光,釋放出巨大熱量,而熱量使周圍空氣急速膨脹,形成壓力推擠周邊空氣,就產生巨大震波,這就是雷聲。

閃電和雷聲差不多同時發生,但由於光速快聲速慢,所以我們就往往先看到閃電,再聽到雷聲。

而打雷是會劈死人的。

這些就是自然規律,人們知道了這個規律,並不能阻止改變雷會劈死人的規律,但可以利用規律避免這種事情發生。

比如就建造避雷針,將電荷通過尖端放電消除,以減少雷電的危害;人們也知道在雷雨天氣盡量不要在野外或者樹底下活動或躲雨,避免雷電傷害。

但我們不能說,科學為什麼規定雷雨天一定要打雷呢?打雷一定要劈死人呢?

科學能規定這個嗎?

量子力學發現了微觀世界一些特異現象,並不能代表宏觀現象。

比如說位置和速度不能夠同時確定,只是指微觀粒子,而不是指任何“物體”。

我們既不能夠用微觀的事物來描述宏觀事物,也不能用宏觀的思維去解釋微觀事物。

愛因斯坦與哥本哈根派的世紀之爭,以愛因斯坦為代表包括薛定諤等一幫科學家,就是以宏觀理論來判別量子的奇異特性,認為世界的一切事物都有規律可循,量子世界的不確定性原理只不過是人們還沒有找到其中隱含的可變量而已。

最終哥本哈根派勝出,不確定性原理、量子糾纏等理論成為量子力學的正統理論。

不確定性原理就是描述量子世界粒子運動規律的,這個理論認為在粒子世界,人們不可能同時知道一個粒子的位置和它的速度。

因為粒子位置的不確定性,必然會大於或等於普朗克常數除以4π(ΔxΔp≥h/4π),微觀世界的粒子行為與宏觀物質很不一樣。

這個理論是德國物理學家海森堡在1927年提出,這種不確定性來自兩個因素,其中主要的是,測量某個東西必然會對那個東西發生擾動,從而改變其狀態。

人觀察事物必須利用到光,光是具有波粒二象性的事物。

在觀察宏觀事物時,我們通過光看到了這些事物,而光照射到這些東西身上的力是很微弱的,雖然從微觀上也改變了這個物體的一些狀態,但這種改變需要用電子顯微鏡才能夠看到。

我們看到一個杯子,或這一個人一頭豬,是通過光的反射看到的,由於對它們的改變很小,我們既能夠看到這個物體的位置,也能夠看到這個物體的速度。

但在微觀粒子世界,就不一樣了。

我們觀測電子,也必須通過光來看,但一個光子打在電子上,電子就獲得了能量,就會改變其運動狀態。

光波是有尺度的,將光照射粒子來測量其位置速度,一部分光波必然被粒子散射開來,由此才能夠指明位置。

但人們不可能將粒子位置確定到比光兩個波峰之間距離更小的程度,因此為了更精確測出粒子位置,採用的光波就越短越好。

越小尺度的光波能量越強,就越能夠看清粒子的位置,但對粒子的動量就越大,由此對其速度測量不確定性就越大。

位置的不確定性與動量的不確定性遵守不等式:

其中,h 是普朗克常數。

因此,量子力學不確定性原理,是描述量子現象的一種理論,是科學研究對量子世界規律的一種認識,迄今為止,它是正確的。


時空通訊


不是不允許物體同時擁有明確的位置和動量,而是將觀測到的實驗現象進行了這樣的總結。這就是量子力學中的的一個非常重要的原理:海森堡不確定性原理。

由於這個原理極大違背了我們的日常感知,它也已演變成一種被廣泛應用於各種媒體流的東西,以處理哲學主題,如虛無主義和荒誕主義。或許是這個原理本身太模糊了,以至於大多數人都無法理解。

當然,這並不令人驚訝。量子力學本身就被喻為通往愛麗絲仙境的兔子洞,一個與宏觀世界完全不一樣的微觀世界。但我們可以儘量簡單地來理解下這個概念。

20世紀初,一股新的物理浪潮席捲了科學界。這場思想革命擊碎了經典物理學的基石——世界的確定性與連續性。

普朗克率先發現了能量並不是連續的,而是以一個個能量包的形式釋放與傳播,即所謂的“量子”。隨後量子的概念進一步被延展,擴展到了一切基本粒子。量子力學將物理學帶入了一個深不可測、五彩繽紛、神秘的微觀世界。

這個世界裡,一切物質的運動方式與我們所熟悉的宏觀世界中的運動完全不一樣,它們似乎遵循另外一套物理規則。

1927年,德國科學家沃納·海森堡(Werner Heisenberg)對基本粒子某些情況下的靈活性,給出了一個開創性的描述。

海森堡意識到,在微觀世界中,要以高精度同時知道粒子的兩個性質是不可能的。換句話說,你可以非常肯定地知道電子的位置,但不知道它的動量,反之亦然。

這本質上是因為電子同時具有粒子和波的性質,這種“波粒二象性”已經成為量子力學的基石。當我們測量一個電子的位置時,我們把它當作一個粒子在空間中的一個特定點,但它卻有一個不確定的波長。當我們測量它的動量時,我們把它當作一個波,這意味著我們可以知道它的波長的振幅,卻無法獲取它作為一個點的位置。

簡單來理解,不確定性來自於粒子在量子尺度上的類波行為,其實即使在經典情況下我們也很難精確測量波的物理位置。我們在說一個物體位置的時候,潛意識上就是把它近似為一個點在描述。


你能準確描述波的位置嗎?

另一種更容易理解,但卻不那麼準確的解釋是。任何東西只有通過反射光子,才能被我們看到,但當一個物體小到粒子的程度,一旦有光子撞擊上它,撞擊點就是我們能確定的位置,但光子有能量就必定改變其動量。一旦我們要確定其動量,就不能用光子去撞擊它,這樣我們就無法產生一個代表位置的撞擊點。

因此那些所謂的不確定性原理意味著觀測決定一切的意識論,其實是一種荒誕主義。即便早期的物理學界也曾提出過這樣的一些理論,但那是基於在量子研究的初期,對量子性質的不瞭解。

拋出一個位置與動量的共軛關係式:ΔxΔp≥h/4π。

h是普朗克常數:6.62607015×10^(-34) J·s,它與π都是一個定值,位置的變化值Δx與動量的變化值Δp的乘積大於等於一個定值,就意味Δx與Δp一定是一個此消彼長的關係。

而對於宏觀物體,Δx與Δp這兩個值永遠都是極大的,因為本質上來說宏觀物體的位置與動量都是近似值,而h/4π卻是一個極小的一個值,所以這個不等式永遠成立。

然而,隨著Δx與Δp任意一個值的減小,進入微觀世界的尺度,情況就大不一樣了。當Δx與Δp中任意一個值越小(意味著越確定),則另一個值就肯定越大(意味著越不確定)。

當然對於懷疑論者,你可以不認同這個不等式,而且所有新理論都可以來挑戰這個不等式,不過至今為止它還未嘗一敗。目前關於微觀世界運動描述的擂主還是它,而科學界是一個PK出真知的地方,不管那條理論,只要被擊倒就下臺,而誰站在擂臺上就誰說了算,畢竟拳頭硬才是硬道理,在哪都一樣。

最後,海森堡的不確定原理當然不僅僅只是描述位置與動量關係這麼簡單,它同時蘊含著能量與時間關係的深刻認知,它甚至被用來解釋宇宙大爆炸。這個說來就又話長了,之前曾簡單回答過類似問題,就不再這贅述了。

有興趣可以看看:

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

總結一下:

在我看來,不確定原理重點反而不是微觀世界運動狀態的不確定性,而是在於讓我們接受萬物的矛盾統一,至少在根源上是矛盾統一的。波與粒子看似矛盾,實則統一。

這種矛盾原本只存在於形而上的哲學概念中,如今微觀領域的物理學中呈現在了這種矛盾。我們如何接納這種矛盾才是未來科學發展的突破。科學一直以簡潔為美,無可厚非,因為簡潔才能被更高效地應用,而科學的本質是服務於應用。不像哲學這樣純粹的思辨。

但簡潔,或者說簡單性只適合於應用,簡潔的線性邏輯在根源上永遠無法自證,就像數學中的公理,哲學中的悖論。只有認可底層的矛盾與混沌,才可能出現有秩序的上層建築。

矛盾、混沌、不確定是一切活力的源頭,而它們又可以通過疊加相互抵消無序性,形成確定的秩序,這才是完美的世界結構。

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