新實驗表明:不確定性原則並不像我們想像的那樣不確定

2019-06-17     技術力量

「不確定」這個詞在量子力學中被廣泛使用。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。但大多數物理學家認為自然本身就是不確定的。

內在的不確定性是德國物理學家維爾納·海森堡(Werner Heisenberg)(現代量子力學的創始人之一)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的經典特徵,即雙縫干涉模式(下面將詳細介紹)。

但早在20世紀90年代,一些知名的量子物理學家聲稱已經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?在剛剛發表在《科學進步》雜誌上的的研究報告宣稱,這個結論是不正確的。

澳大利亞格里菲斯大學量子動力學中心主任霍華德·懷斯曼(Howard Wiseman)的研究團隊做的最新實驗表明:速度擾動(不確定性原理預期的大小) 在某種意義上總是存在的。

但在進入細節之前,我們需要簡要解釋一下雙縫實驗。

雙縫實驗

雙縫實驗

雙縫實驗是一種「雙路徑實驗」。在更廣義的實驗里,微觀物體可以同時通過兩條路徑或通過其中任意一條路徑,從初始點抵達最終點。這兩條路徑的程差促使描述微觀物體物理行為的量子態發生相移,因此產生干涉現象。

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

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」:在狹縫之外的遠場螢幕上可能發現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麼辦?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,它會對其速度產生隨機干擾,這個干擾足以影響它在遠場的最終位置,從而清除掉干擾的漣漪。

量子物理學家意識到,找出粒子經過哪個狹縫並不需要進行位置測量。任何根據粒子通過哪個狹縫得到不同結果的測量都可以。

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。

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

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。

這怎麼可能?因為量子粒子實際上不僅僅是粒子,它們也是波。

在懷斯曼研究團隊最新的實驗中,中國的科學家們採用了懷斯曼在2007年提出的一項技術來重建量子粒子的假設運動,從兩個狹縫的許多不同的可能起點,以及兩種測量結果。

他們比較了沒有測量裝置時的速度隨時間的變化,並確定了測量結果導致的速度變化。

實驗表明,在粒子清除測量裝置本身之後,測量對顆粒速度的影響持續很長時間,距離它只有5米。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。

文章來源: https://twgreatdaily.com/zh-tw/CPCrGWwBmyVoG_1ZJZhw.html