宇宙是无中生有的吗?海森堡不确定性原理和量子隧穿效应如何理解?(上)

作者: admin 分类: 科学 发布时间: 2021-09-09 15:23

        各位同学大家好,我是李勇的老师。说说咱们上一回啊讲了量子力学的基本问题,确定和方程怎么去理解,以及电子的双缝干涉实验。有小朋友就追着我问不确定性原理。那么今天呢咱们就一起来研究一下不确定性原理,不确定性原理啊,应该说是这个宇宙中最深刻的物理道理之一了。我们的宇宙很有可能啊,就是由于不去定性原理才诞生的。

        那为什么这么说呢?我们首先来了解一下什么是不确定性啊,在上个世纪初的时候啊,在物理学中呢实证主义。逐渐的开始流行了。什么叫实证主义呢?所谓实证主义,大概的意思就是说只有可以测量的物体,只有可以测量的。物理量才是存在的,可以测量的。物理量才存在。啊,以前呢有一个著名的哲学观点叫做存在,即被感知。什么叫做存在?只有他能够被别人感知到,他才存在。

        如果有一个人他不能被任何人感知到,那么这个人就是不存在的,是吧?这就是所谓的实证主义。在物理学上嘛,很多人也秉承这个观点啊,于是呢最开始波尔的一些观点,人们就认为是不对的。波尔认为电子有轨道,但是这轨道你又看不见你。你能看见的是什么呢?是电子跃迁过程中发的光。于是有人说轨道这个东西根本就不存在。对于轨道不存在这个观点,爱因斯坦是不认可的。

        爱因斯坦说,你看我们明明有实验可以证。这个粒子的轨道是存在的,这个实验呢就是威尔逊云室啊,云室。什么叫云室呢?云室啊,就是这里边充有一大堆的叫过饱和的蒸汽。过饱和蒸汽啊,这个过饱和蒸汽啊,按说它马上就要液化了,但是它没有液化,那它临界状态。这个时候呢假如有一个例子射入了这个云是。那么这个时候在粒子经过的路径上就会有小液滴出现,于是我们就能看见这个粒子的轨迹了。啊,然后比如说阿尔法粒子,阿尔法粒子呢它个头比较大,而且能量也比较高。所以呢它。

        它经过云视之后发出的这个线呢是粗且直的。再比如说贝塔粒子啊,贝塔粒子就是电子。那贝塔粒子在经过这个云市的时候啊,它这个线非常的细,而且是弯的那。不管怎么说吧,反正我是看见了这个粒子的轨迹。所以爱因斯坦说你看粒子轨迹我看见了,所以粒子是存在的。

        但是呢当时有一个年轻人非常不认可这个观点。这个年轻人呢就是哥本哈根学派的第三位代表。海森堡这个海森堡,他说呀说这个阿尔法粒子的轨迹其实并不是阿尔法粒子的轨迹,它只是云室中的蒸汽液化形成的,对吧?那么这个粒子到底在哪儿呢?在这儿也能形成这样的轨迹,液化在这儿也能形成液化。在这一。进行液化。所以其实你没有办法确定这个阿尔法粒子到底它的位置在什么位置,你看到的实际上是液化的情况,不是阿尔法粒子,对不对啊,基于这种思考啊在。

        1925年的时候,1925年海森堡啊很年轻啊,这个海森堡呢他就提出了一种啊海森堡就提出了一种处理量子。物理问题的方法。这个方法呢我们现在称之为矩阵力学。矩阵力学,大家可能对矩阵这个名字还有点陌生啊,咱们打个比方,什么是矩阵呢?比如说啊现在很多公交车它是分段计价的,是吧?假如有这么三个站啊。啊,这三个站呢叫做啊ABC。啊,这个ABC3个站,那么。

        你从ABC任何一个站出发,你都可以到另外一个站啊,另外一个站啊,然后呢票价是不一样的。所以如果你从A站出发,就到A站下车,那你得交一块钱啊。你要是从A站出发到B站下车,你叫两块,你从A站出发到C站下车,你就交三块。同样你到B站出发,从A站下车,你交两块B站出发,B站下车,一块B站出发,C站下车交两块。是吧离得近啊。同样后面这一列我可以写作什么呢?321。好,这个呢就构成了一个矩阵。

        那么你通过这个矩阵你能干什么呢?你可以知道,假如我就从B站出发,我要到C站去,我这么一找,唉,这是二对吧?老师,我要加两块钱,对不对?所以通过矩阵可以描述一些信息啊,于是呢海森堡就说我们的很多物理量啊,你可以通过矩阵进行计算,比如说。动量我想了解一个物体的动量,我就可以写一个动量矩阵啊,比如位置啊,这个位置我有一个矩阵叫位置矩阵。如果呀我想知道这个物体的动量,我就用动量矩阵作用在这个物体的不函数上。如果我想知道位置的话,我就把位置矩阵作用在这个物体的波函数上,我就得到位置了。这个过程就叫什么?就叫测量。所以啊海森堡把一个测量过程看作了是把矩阵。作用在一个波函数这样的一个过程。我们现在具体的一些举证力学就是这么大概这么个意思。不过呢海森堡发现啊说这个动量和位置这两个矩阵把作用在同一个物体的上的时候会出现一些问题。什么问题呢?就是这两个算符啊,它不对应什么叫不对应呢?我们用现在的语言说啊就可以这么理解,叫不满足交换律,不满足交换律。

        啊,也就是说假如你先去测量物体的动量,测完了之后你再去测量物体的位置,它会得到一个结果,一个动量,一个位置,对吧?反过来说,如果你先去测位置,然后再去测动量,你也会得到一个。位置和一个动量。但是你会发现你的测量结果是不一样的,这就是所谓的不对应性。这个不对应啊,咱们可以打一个比方啊,什么比方呢,比如说我们这里有一本书。这本书啊上面写了个F啊这本书。我们呢可以让这本书发生旋转,绕两个轴,一个轴叫X轴,我可以让它绕X轴旋转绕X轴是这样转转90度,我还可以让它沿着这个轴转。这个叫外轴,我也可以让它绕外轴转90度。但是你转的顺序不一样,结果就不一样。比如啊我先让你沿着X轴转90度,转90度就变啥样了。很显然啊它是变成这个样子,对吧?这本书就变这个样子了。

        好,我再让它沿外轴,我再让它转90度,这样转,对吧?转完了之后什么样横过来了吧。这F啊是朝下的这个样子的。好。这就是我先绕X轴转,再绕Y轴转。现在反过来,我先让它绕外轴转90度,大家看什么样绕外轴转90度之后它就变这样了。啊,就是这样的,这个侧向是朝我们的这样的。这样是吧。好,我们再让它沿着X轴再转90度,你看X转90度,那么一立什么样啊,就变这样了。大家看。就变成了这个样子。

        总而言之,你先X加Y和先Y和加X他俩结果是不一样的,这就说明什么?说明旋转这种操作它是不对应的。同样道理啊,海森堡就是说说动量和位置这两种测量操作它也是不对应的。你先测动量和前侧位置,结果是不一样的,对吧?那好,我就想问了,假如我就想同时去测量动量和位置,行不行啊啊,海森堡经过长期的研究就明白了。动量和位置如果同时进行测量的话,就会出问题。什么问题啊,哪一个你也测不准,这就是他在1927年的时候提出的观点。那一年开索尔维会议那。他和波尔波恩共同提出的量子力学的三个假说。那么其中他所提出的呢就是不确定性原理。他说呀一个物体它的动量。还有位置,这两个量你可以一先一后的进行测量,但是测量结果会不一样。

        如果你要同时测呢,不能同时精确确定。不能同时精确确定啊,如果同时测,那你哪个也测不准,这就是所谓的不确定性原理。啊,如果用公式来写啊,就是动量的不确定度叫delta p位置的不确定度叫data x乘积大于等于一个值,这个值叫二分之。H8呢它是等于普朗克常数除以二派,而普朗克常数就是6.63乘以10的负34次方,交20秒从。这公式我们能看出来啊,就是动量的不确定度和位置的不确定度乘积要大于等于一个值。你如果啊使动量变得更加确定,那你位置就会变得非常不确定。而如果位置变得非常确定,动量就会变得非常不确定,这就是所谓的不确定性原理。那我们宏观世界中为什么有体现出来呢?因为他们的不确定度非常小,他们乘起来大于等于一的话,普朗克常数除以2,而这个普朗克常数6663乘10的-3-34。相比于宏观世界来讲非常微小啊,但是在微观世界来讲,不确定性是不能忽略的。

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