量子物理實驗表明 海森堡在某種意義上對不確定性是正確的

“不確定”這個詞在量子力學(xué)中被廣泛使用。一種思想流派認為，這意味著世界上有一些我們不確定的東西。但大多數(shù)物理學(xué)家認為大自然本身是不確定的。

內(nèi)在的不確定性是德國物理學(xué)家Werner Heisenberg(現(xiàn)代量子力學(xué)的創(chuàng)始人之一)提出這一理論的核心。

他提出了不確定性原理，表明我們無法同時知道粒子的所有屬性。

例如，測量粒子的位置可以讓我們知道它的位置。但是這種測量必然會干擾其速度，其量與位置測量的精度成反比。

海森堡錯了嗎?

海森堡使用不確定性原理來解釋測量如何破壞量子力學(xué)的經(jīng)典特征，即雙縫干涉模式(下面將詳細介紹)。

但早在20世紀90年代，一些著名的量子物理學(xué)家聲稱已經(jīng)證明可以確定粒子穿過的兩個狹縫中的哪一個，而不會明顯擾亂它的速度。

這是否意味著海森堡的解釋一定是錯的?在剛剛發(fā)表在“科學(xué)進步”雜志上的工作中，我的實驗同事和我已經(jīng)表明，跳到這個結(jié)論是不明智的。

我們展示了一種速度擾動 - 從不確定性原理預(yù)期的大小 - 在某種意義上總是存在的。

但在進入細節(jié)之前，我們需要簡要解釋一下雙縫實驗。

雙縫實驗

在這種類型的實驗中，存在具有兩個孔或狹縫的屏障。我們還有一個量子粒子，其位置不確定性足以覆蓋兩個狹縫，如果它在屏障上發(fā)射。

因為我們無法知道粒子穿過哪個狹縫，所以它就像穿過兩個狹縫一樣。這就是所謂的“干涉圖案”：在狹縫之外的遠場屏幕上可能發(fā)現(xiàn)粒子的位置分布的漣漪，這意味著在狹縫之外有很長的距離(通常是幾米) 。

但是，如果我們在屏障附近放置一個測量裝置來找出粒子穿過哪個狹縫怎么辦?我們還會看到干涉模式嗎?

我們知道答案是否定的，海森堡的解釋是，如果位置測量足夠精確，可以判斷出粒子穿過哪個狹縫，它會對其速度產(chǎn)生隨機干擾，這個干擾足以影響它在遠場的最終位置。 ，從而洗掉干擾的漣漪。

眾所周知的量子物理學(xué)家意識到，找出粒子經(jīng)過哪個狹縫并不需要進行位置測量。任何根據(jù)粒子通過哪個狹縫得到不同結(jié)果的測量都可以。

他們想出了一種裝置，它對粒子的影響不是隨機速度的影響。因此，他們認為，海森堡的不確定性原則不是解釋干擾的損失，而是其他一些機制。

正如海森堡預(yù)測的那樣

我們沒有必要進入他們所聲稱的破壞干擾的機制，因為我們的實驗已經(jīng)證明了粒子速度的影響，只是海森堡預(yù)測的大小。

我們看到了其他人遺漏的東西，因為粒子通過測量裝置時不會發(fā)生這種速度擾動。相反，它會延遲，直到粒子遠離狹縫，在通向遠場的路上。

這怎么可能?好吧，因為量子粒子實際上不僅僅是粒子。它們也是波浪。

實際上，我們實驗背后的理論是波和粒子性質(zhì)都表現(xiàn)出來的理論 - 根據(jù)理論物理學(xué)家大衛(wèi)博姆(海森堡之后的一代)所引入的解釋，波引導(dǎo)粒子的運動。

我們來試驗吧

在我們最新的實驗中，中國的科學(xué)家們采用了我在2007年提出的一項技術(shù)來重建量子粒子的假設(shè)運動，從兩個狹縫的許多不同的可能起點，以及兩種測量結(jié)果。

他們比較了沒有測量裝置時的速度隨時間的變化，并確定了測量結(jié)果導(dǎo)致的速度變化。

實驗表明，在顆粒清除測量裝置本身之后，測量對顆粒速度的影響持續(xù)很長時間，距離它只有5米。

到那時，在遠場中，平均速度的累積變化足夠大，以清除干涉圖案中的波紋。

因此，最終，海森堡的不確定性原則取得了勝利。

帶回家的消息?在你考慮了原理的所有理論表述之前，不要對什么原則可以或不能解釋現(xiàn)象做出深遠的主張。

是的，這是一個抽象的消息，但它的建議可以應(yīng)用于遠離物理學(xué)的領(lǐng)域。