海森伯不确定性原理_奇点天文奥秘

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海森伯不确定性原理_宇宙时间奥秘
 
 
在海森伯对量子力学的发展中,出现了另一个使人惊奇的特点。这就是他 1927 年提出的著名的“不确定性原理”。这一原理断言,自然界中存在一个测量精度的极限。设想一个像电子那样的物体从空间中飞过。按照经典物理学,它具有位置和动量,这两者可以被同时测量。而海森伯的原理简单说来,就是表明在亚原子领域,不可能同时精确地知道电子的位置和动量。如果想测量出某一时刻的准确位置,则它的动量(或者等效地,它的速度)就不能确定,反之亦然。
 
这个原理反映出波粒二象性佯谬:位置完全是一种粒子的典型性质,而波却没有准确的定位。波的特性知道得越多,可以谈论的粒子属性就越少。为了理解这一点,可以想象,当测量一个电子的位置时,会发生什么情况。例如,我们可以利用一个光子从电子处反射回来而做这个测量。虽然我们可以在某种确定的程度上,从光子最终的轨迹来推断电子的位置,但是,在这个过程中,我们已经把数量不明的动量从光子转移到了电子身上。日常生活中也有类似的例子:测量一只轮胎的压力时,必然会使得一些空气逸出,从而使压力发生了改变。
 
总的说来,不确定性原理意味着,我们对一个量测量得越准,则另一个“共轭”量的不确定性就越大。把这两个不确定性联系起来的常数,又是我们的老朋友普朗克常数。因为它是如此之小,所以对于宏观物体,例如像台球或者牛顿的苹果,它实际上相当于零。因此对于牛顿(以及相对论)力学所描述的物体,同时测量位置和速度并不受到限制。
 
海森伯的原理对时间的测量产生了一个后果。正如在任何情况下,
 
我们不可能同时知道一个亚原子粒子的位置和动量一样,当我们在一段
 
给定的时间间隔内测量能量时,这也有一个对测量精度的限制。按照不
 
确定性原理,能量与时间之间的关系,和位置与动量之间的关系是一样
 
的。对一个处在某一特定量子态的原子,能量的精确测量,必然要以原
 
子处在这个量子态的时间——也就是它的寿命——的不确定性作为代
 
价。反之,如果它的寿命已经知道得很准确,则它的能量就很不确定了。
 
能量—时间的不确定性原理,对于宇宙学会有重要影响,我们稍后会看
 
到这一点。有些人认为,这可能就是时间如何能够开始“滴答”的关键。
 
 

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