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第三十二集不确定性原理
不确定
我们又一次遇到了这个讨厌的词儿
还是那句话
这个词儿在物理学中是不受欢迎的
如果物理学什么都不能确定
那我们还要他来干什么呢
本来波恩的概率解释已经够让人烦恼的了
即使给定全部条件也无法预测结果
现在海森堡干的更绝
给定全部条件这个前提本身都是不可能的
给定了其中一部分条件
另外一部分条件就要变得模糊不清
无法确定
给定了p
那么我们就要对q说拜拜了
这可不太美妙
一定有什么地方搞错了
我们测量了p
就无法测量q
我倒不死心
非要来试试看到底行不行
好吧 海森堡
接招
还记得威尔逊
云氏吧
你当初不就是为了这个问题苦恼吗
透过云视
我们可以看见电子运动的轨迹
那么通过不断的测量它的位置
我们当然能够计算出它的瞬时速度来
这样不就可以同时追到它的动量了吗
这个问题
海森堡笑道
我终于想通了
电子在云室里留下的并不是我们理解中的精细的轨迹
事实上
那只是一连串凝结的水珠
你把它放大了看
那是不连续的一团一团的虚线
根本不可能精确的得出位置的概念
更谈不上违反不确定原理
哦 是这样啊
那么我们就仔细一点
把电子的精细轨迹找出来不就行了
我们可以用一个大一点的显微镜来干这活儿啊
理论上不是不可能
对了 显微镜
海森堡兴致勃勃的说
我正想说显微镜这事儿呢
就让我们来做一个思维实验
想象我们有一个无比强大的显微镜吧
不过
再厉害的显微镜也有它的基本原理呀
要知道
不管怎样
如果我们用一种波去观察比它的波长还要小的事物的话
那就根本谈不上精确了
就像用粗笔画不出细线一样
如果我们想要观察电子这般微小的东西
我们必须要采取波长很短的光
普通光不行
要用紫外线
x射线甚至伽马射线才行
好吧
反正是思维实验
用不着花钱
我们就假设上头破天荒的拨了巨款
给我们造了一台最先进的伽马射线显微镜吧
那么现在我们不就可以准确的看到电子的位置了吗
可是
海森堡指出
你难道忘了吗
任何探测到电子的波
必然给电子本身造成扰动
波长越短的波
它的频率就越高是吧
大家都应该还记得普朗克的公式
一等于HV
频率一高的话
能量也就相应的增强
这样给电子的扰动也就越厉害
同时我们就更加无法了解它的动量了
你看
这完美的满足不确定性原理
你这是狡辩呐
好吧
我们接受现实啊
每当我们用一个光子去探测电子的位置
就会给它造成强烈的扰动
让它改变方向速度
向另外一个方向飞去
可是
我们还是可以采用一些聪明的迂回的方法来实现我们的目的呀
比如
我们可以测量这个反弹回来的光子的方向速度
从而推导出它对电子产生了何等的影响
进而导出电子本身的方向速度啊
怎样
这不就破解了你的把戏吗
还不行
海森堡摇头说
为了达到那样高的灵敏度
我们的显微镜必须有一块很大直径的透镜才行
你知道
透镜把所有方向来的光都聚集在一个焦点上
这样我们根本就无法分辨出反弹回来的光子究竟来自何方
假如我们缩小透镜的直径
以确保光子不被聚焦
那么显微镜的灵敏度又要变差而无法胜任此项工作
所以啊
你的小聪明还是不走效
真是邪门啊
那么这观察显微镜本身的反弹怎样呢
一样道理呀
要观察这样细微的效应
就要用波长短的光
所以它的能量就大
就给显微镜本身造成抹去一切的扰动
等等
我们并不死心
好吧
我们承认
我们的观测器材是十分的粗糙
我们的实指笨拙
我们的文明才几千年历史
现代科学更是仅创立了三百多年
我们承认
就我们目前的科技水平来说
我们没法同时观测到一个细小电子的位置和动量
因为我们的仪器又傻又笨
可是
这并不表明电子不同时具有位置和动量啊
也许在将来
哪怕遥远的将来
我们会发展出一种尖端科技
我们会发明极端精细的仪器
从而准确的测量出电子的位置和动量呢
你不能否认这种可能性啊
话不是这样说的
海森堡若有所思的说
这里的问题是理论限制了我们能够观测到的东西
而不是实验导致的误差
同时测量到准确的动量和位置
在原则上都是不可能的
不管位置多发达都一样
就像你永远造不出永动机
你也永远造不出可以同时探测到p和q的显微镜来
不管今后我们创立了什么理论
他们都必须服从不确定性原理
这是一个基本原则
所有的后续理论都要在他的监督下才能取得合法性
海森堡的这一论断是不是太霸道了点啊
而且这样一来
物理学家的脸不是都给丢尽了吗
想象一下公众的表现吧
什么
你是一个物理学家
哦
我真为你们惋惜
你们甚至不知道一个电子的重量和位置
我们家的汤米至少还知道他的皮球在哪里呢
不过啊
我们还是要摆事实
讲道理
以德服人
一个又一个的思想实验被提出来
可是我们就是没办法既精准的测量出电子的动量
同时又精确的得到它的位置
两者的误差之乘积
必定要大于那个常数
也就是h除以四派
幸运的是
我们都记得
h非常小
只有六点六二六乘以十的负三十四次方焦耳秒
那么假如德耳塔p和德耳塔q的量级差不多
它们各自便都在十的负十七次方这个数量级上
我们现在可以安慰一下不明真相的群众啊
事情啊
并不是那么糟糕
这种效应只有在电子和光子的尺度上才变得十分明显
对于汤米玩的皮球啊
十的负十七次方
那简直是微不足道到了极点
根本就没法感觉出来
汤米呢
可以安心的拍他的皮球
不必担心因为测不准他的位置而把他弄丢了
不过
对于电子尺度的世界来说呢
那可就大大不同了
在上一章的最后呢
我们曾经假想自己缩小到了电子大小
取一探原子里的奥秘
那时我们的身高只有十的负十八次方米
现在妈妈对于我们淘气的行为感到担心
想测量一下我们到了哪里
不过他们注定要失望了
测量的误差达到了十的负十七次方米
是我们本身高度的十倍啊
如果他们同时还想把我们的动量测得更准确一点的话
位置的误差更要成倍的增长
测不准变得名副其实了
在任何时候呢
大自然都固执的坚守着这一底线
绝不让我们有任何机会可以同时得到位置和动量的精确值
任凭我们机关算尽
花样百出
他总是比我们高明一筹
每次都狠狠的把我们的小聪明击败
不能测量电子的位置和动量
我们来设计一个极小极小的容器
它的内部只能容纳一个电子
不留下任何多余的空间
这下如何呢
电子不能乱动了吧
可是
首先
这种容器肯定是造不出来的
因为它本身也必定由电子组成
所以它本身也必然要有位置的起伏
使内部的空间涨涨落落
退一步来说
就算可以
在这种情况下
电子也会神秘的渗过容器壁
出现在容器外面
像传说中穿墙而过的崂山道士
不确定性原理赋予它这种神奇的能力
冲破一切束缚
还有一种办法
降温
我们都知道啊
原子在不停的震动
温度是这种震动的宏观表现
当温度下降到绝对零度
理论上原子就完全静止了
那时候动量确定为零
只要测量位置就可以了吧
可惜啊
一方面能斯特等人早就证明无法通过有限的循环过程来达到绝对灵度
退一步来说
就算真的到达t等于零
我们的阵子也不会完全停止
从量子力学中可以计算
哪怕在到达绝对零度的时候呢
任何镇子仍然保有一个极其微小的能量
也就是半个量子的大小
你再也无法把这个内柄的能量消除
打个比方来说
就像你的银行账户里面还剩下半分钱
你永远也没有办法用现金把它提走啊
所以说
你无论如何不会变得一无所有
这种内柄的能量呢
早在一九一二年就由普朗克在一个理论中提出
虽然这个理论呢
整体上是错的
但是e等于HV除以r的概念却被保留了下来
后来更进一步的为实验所证实
这个基本能量被称作零点能
它就是量子处在基态时的能量
我们的宇宙空间呢
在每一点上
其实都充满了大量的零点能
这就给未来的星际航行提供了取之不尽的能源
也许科幻作家对此会充满兴趣吧
回到正题上来啊
动量p和位置q
他们真正的是不共戴天
只要一个量出现在宇宙中
另外一个就神秘的消失
要么两个都以一种模糊不清的面目出现
海森堡很快又发现了另外一对类似的仇敌
他们是能量e和时间t
只要能量e测量的越准确
时刻t就愈加模糊
反过来
时间t测量的越准确
能量e就开始大规模的起伏不定
而且他们之间的关系遵守类似的不确定性规则
德耳塔e乘以delta大于h
各位看官啊
我们的宇宙已经变得非常奇妙了
各种物理量都遵循着海森堡的这种不确定性原理
此起彼伏
向神秘的大海中不断升起和破灭的泡沫
在古人看来
空就是空荡荡
什么都看不见
不过呢
后来人们知道
了
看不见的空气中也有无数分子
空应该是指抽空了空气的真空
再后来
人们觉得
各种场
从引力场到电磁场
也应该排除在空的概念之外
它应该仅仅只是空间本身而已
但现在
这个概念又开始混乱了
首先
爱因斯坦的相对论告诉我们
空间本身也能扭曲变形
事实上
引力只不过是它的弯曲而已
而海森堡的不确定性原理呢
展现了更奇特的场景
我们知道
t测量的越准确
意义就越不确定
所以
在非常短的一刹那
也就是t非常确定的一瞬间
即使真空中也会出现巨大的能量起伏
这种能量完全是靠着不确定性而凭空出现的
它的确违反了能量守恒定律
但是
这一刹那极短
在人们还没有来得及发现以前
它又神秘消失
使得能量守恒定律在整体上得以维持
间隔越短
t就越确定
e就越不确定
可以凭空出现的能量也就越大
所以啊
我们的真空其实无时无刻不在沸腾着
到处有神秘的能量产生并消失
由于智能在本质上是相同的东西
所以在真空中
即使不停的有一些幽灵物质在出没
只不过在我们没有抓住它们之前
它们就又消失在了另一世界
真空本身就是提供这种掌落的最好介质
现在
如果我们谈论空
应该明确的说啊
没有物质
没有能量
没有时间
也没有空间
这才是什么都没有
他根本不能够想象
你能想象没空间是什么样子吗
对吧 不过啊
大有人说啊
这也不算空
因为那空间和时间本身
似乎可以通过某种机制从一无所有中被创造出来
我可真的是要发疯了啊
那究竟怎样才算空呢
今天这个饭后闲话啊
我们来聊聊无中生有
曾几何时啊
所有的科学家都认为啊
这无中生有是绝对不可能的
物质不能被凭空制造
能量也不能被凭空制造
遑论时空本身呐
但是不确定原理的出现呢
把这一切旧观念都摧枯拉朽一般的粉碎了
海森堡告诉我们
在极小的空间和极短的时间里啊
什么都是有可能发生的
因为我们对时间非常确定
所以反过来
对能量就非常的不确定
能量物质呢
可以逃脱物理定律的束缚
自由自在的出现和消失
但是这种自由的代价就是它只能限定在那一段极短的时间内
当时刻一到
灰姑娘就要现出原形
这些神秘的物质能量便要消失
以维护智能守恒定律在大尺度上不被破坏
不过
二十世纪六十年代末呢
有人想到了一种可能性
引力的能量是负数啊
因为引力是吸力
假设无限远的势能是零的话
那么当物体靠近后
因为引力做功
使得其势能为负值
所以在短时间内凭空生出的物质能量
它们之间呢
又可以形成引力场
其产生的负能量正好和它们本身抵消
使得总能量仍然保持为零
不破坏守恒定律
这样
物质就真的从一无所有中产生了
许多人都相信呢
我们的宇宙本身就是通过这种机制产生的量子效应
使得一小块时空突然从根本没有时空中产生
然后因为各种力的作用
它突然指数级的膨胀起来
再瞬间扩大到整个宇宙的尺度
MIP的科学家阿伦
古斯在这种想法上出发
创立了宇宙的暴涨理论
在宇宙创生的极早期
各块空间都以难以想象的惊人速度暴涨
这使得宇宙的总体积增大了许多许多倍
这就可以解释为什么今天它的结构在各个方向看来都是均匀统一的
暴涨理论创立以来呢
也已经出现了多个版本
虽然很难确定的证实这个理论究竟是否正确
但大多数物理学家对其还是偏爱的
认为这是一个有希望的理论
一九九八年
古斯还出版了一本通俗的介绍暴涨的书
他最爱说的一句话是
宇宙本身就是一顿免费午餐
意思是
宇宙是从一无所有中而来的
值得一提的是
nasa啊
也就是美国国家航空航天局在一九八九年发射了刻b卫星
以观测宇宙的背景辐射
他最近发回的数据图像
和暴长理论所预言的基本上是符合的
这也算是对暴涨理论的一个初步支持
当然
要想彻底证实他呢
我们还有很多的工作要做
不过
假如再苛刻一点
这还不能算严格的无中生有
因为就算没有物质
没有时间
空间
我们还有一个前提
存在着物理定律
相对论和量子论的各种规则
比如不确定原理本身
又是如何从无中生出的呢
或者他们不言而喻的存在
我们越说越悬了
这就打住吧
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