为什么只能用概率波来描述粒子的状态?

量子力学的奠基人之一波尔曾经说过这样一句话:第一次接触到量子力学,如果你没有感到困惑,你肯定没有搞懂量子力学到底讲了些什么。

为什么只能用概率波来描述粒子的状态?

事实上,不要说普通的吃瓜群众了,连物理学界大佬至今都没有弄清楚量子力学的底层逻辑。物理学家们只是发现了量子世界里真实存在的诡异现象,但不知道这些诡异现象背后的本质。

量子力学之所以如此诡异,因为它完全违背了我们的生活常识,颠覆了我们的宇宙观。最简单的一点,光既是粒子又是波,这在我们看来确实很难理解,一个东西如何可能又是粒子又是波呢?

而更诡异的现象还在后面。

在研究一个物体的运动状态时,通常我们会把物体本身视为一个质点,这样更方便计算理解。比如说上学时我们学的质量,速度,力的相互作用等,都会把物体看做质点。这也是经典物理的直接体现,我们都非常熟悉。

在经典物理学体系下,我们可以清楚地计算出物体的运动时间,在某个时间点的速度,加速度,还有物体的质量等。

在我们的经典世界里,万物都是可描述的,都是确定的,也是可预测的。

但是量子力学的横空出世彻底打破了人们的这种传统认知,统治物理学界几百年的经典物理学轰然倒塌,让我们看到了一个很难理解的诡异世界。

最典型的现象就是电子双缝干涉实验,一个让所有人感到恐怖的实验。相信很多人都听说过这个实验,这里就长话短说,不再啰嗦了。

简单讲就是,单个电子可以同时穿过两条狭缝,然后自己与自己干涉,产生干涉条纹。如果我们想知道电子是怎么同时穿过两条狭缝的,就必须进行观测,这样才能确定电子的位置和速度。

如何观测呢?

电子很小,需要用到显微镜,而且必须是高端的显微镜才行。显微镜发射光子到电子上,发生反射,反射回来的光子就会携带电子的某些信息。

如果要测量电子的位置,发射普通的光子是不行的。因为电子很小,要测量电子的位置就必须用波长更短的光子才行。如果光子的波长太长,两个波峰的间距就会很大,测量出来的误差自然会变大。

不过用波长更短的光子也会产生新的问题,这样的光子频率更大,能量也就更大。能量更大的光子击中电子,会改变电子的速度。

为什么只能用概率波来描述粒子的状态?

也就是说,用波长更短的光子击中电子,能测量出电子更准确的位置,但电子的速度却改变很大,我们不能获得电子的准确速度了。

而如果想测量电子的速度,就需要用波长更长能量更小的光子,但是问题又来了,这样就不能更准确测量出电子的位置了。

这样的结果与测量仪器没有任何关系,不管多么高级的测器都是这样的结果!

那么,我们该怎么同时确定电子的位置和速度呢?这就需要换一种思维方式:概率!

为什么只能用概率波来描述粒子的状态?

用波长较短的光子测量电子的位置,用Δx表示,当多次测量之后,就会得到电子位置的分布图,在某个点上出现的概率。

类似的方法,用波长较长的光子测量电子速度,用Δv表示,多次测量后,就能得到电子速度的分布图。

从图中可以看出,虽然我们无法同时获知电子的位置和速度信息,但可以用概率来描述。并且物理学家们发现了电子位置和速度不确定性的关系式ΔxΔv≥h/2m,而速度又体现为动量,公式也可以改成ΔxΔp≥h/4π。

为什么只能用概率波来描述粒子的状态?

这个公式就是量子力学不确定性,更早的时候也被称为测不准原理,但由于这个名字容易给人带来误导,会让人觉得是测量的问题导致测不住的,所有用不确定性原理更严谨。

不仅仅是光子,电子,所有的微观粒子都遵循不确定性原理,我们不可能同时获得微观粒子的位置和速度信息,只能用概率去描述。

为什么只能用概率波来描述粒子的状态?

不确定性也是微观粒子的内在本质属性,我们只能用概率描述粒子的信息,这就好像上帝一直在掷骰子一样,我们不知道最终的结果会是怎样。

爱因斯坦等人非常反感量子力学的不确定性,认为那并不是量子世界的底层逻辑,肯定有隐藏得更深的大自然法则没被发现,他也一直强调“上帝不会掷骰子”。

不过,起码截止目前为止,量子力学的不确定性越来越被主流科学界认为,量子力学的诡异特性早就应用在我们日常生活中。

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