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量子力學兩大支柱之一如何提出 海森堡和其不確定性原理

海森堡的不確定性原理是量子力學的重要基石之一。它揭示了在微觀世界中,測量一個粒子的位置和動量的準確值是不可能同時得到的。這個原理的發現可以追溯到1926年,由德國物理學家維爾納·卡爾·海森堡提出。

海森堡是量子力學的主要創始人之一,他的矩陣力學為量子力學的發展做出了重要貢獻。海森堡的理論受到了其他物理學家的質疑,特別是與薛定諤的波動力學相比較時。

在一次與愛因斯坦的長時間對話中,愛因斯坦提出了“是理論決定了我們能看到什么”的觀點,而海森堡則頗有感觸地提出了“是理論決定了我們看不到什么”的思考。他開始思考自己的矩陣力學為何無法給出微觀粒子連續的軌跡,而是提供了抽象的量子躍遷。

1927年,當海森堡獨自思考時,他突然想到了一個關鍵點:他的矩陣力學解釋了為什么我們無法同時準確地知道粒子的位置和動量。他通過進一步的計算,得出了測不準原理:測量粒子的位置和動量的誤差乘積大于等于一個常數。

換言之,海森堡認識到我們無法精確測量粒子的位置和動量,測量一個屬性會對另一個屬性產生干擾。例如,如果要準確測量一個電子的位置,就需要使用波長更短的伽瑪射線,但這會導致電子的動量產生大的不確定性。反過來,如果我們想要測量電子的準確動量,就需要使用波長較長的光子,但這會使我們無法確定電子的位置。

海森堡于1927年3月將測不準原理寫成了一篇論文,并寄給了他的同事波爾。波爾在度假期間提出了互補原理,解決了波粒二象性的矛盾。根據互補原理,波動性和粒子性在描述微觀粒子時是互斥的,但在更高層次上是統一的。

海森堡的不確定性原理和波爾的互補原理共同構成了量子力學的基礎。它們揭示了微觀世界的奇特性質和人類認知的局限性。這些原理的發現改變了我們對物質世界的理解,推動了現代物理學的發展。

盡管海森堡的矩陣力學在當時受到了冷落,但不確定性原理的提出以及后來的量子力學理論,為我們揭示了微觀世界的奧秘。今天,不確定性原理仍然是量子力學的重要基石之一,也是我們認識和探索自然界的重要窗口。

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