量子力學(xué)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(xué)的重要基石之一。它揭示了在微觀世界中，測(cè)量一個(gè)粒子的位置和動(dòng)量的準(zhǔn)確值是不可能同時(shí)得到的。這個(gè)原理的發(fā)現(xiàn)可以追溯到1926年，由德國(guó)物理學(xué)家維爾納·卡爾·海森堡提出。

海森堡是量子力學(xué)的主要?jiǎng)?chuàng)始人之一，他的矩陣力學(xué)為量子力學(xué)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。海森堡的理論受到了其他物理學(xué)家的質(zhì)疑，特別是與薛定諤的波動(dòng)力學(xué)相比較時(shí)。

在一次與愛(ài)因斯坦的長(zhǎng)時(shí)間對(duì)話中，愛(ài)因斯坦提出了“是理論決定了我們能看到什么”的觀點(diǎn)，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(kāi)始思考自己的矩陣力學(xué)為何無(wú)法給出微觀粒子連續(xù)的軌跡，而是提供了抽象的量子躍遷。

1927年，當(dāng)海森堡獨(dú)自思考時(shí)，他突然想到了一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：他的矩陣力學(xué)解釋了為什么我們無(wú)法同時(shí)準(zhǔn)確地知道粒子的位置和動(dòng)量。他通過(guò)進(jìn)一步的計(jì)算，得出了測(cè)不準(zhǔn)原理：測(cè)量粒子的位置和動(dòng)量的誤差乘積大于等于一個(gè)常數(shù)。

換言之，海森堡認(rèn)識(shí)到我們無(wú)法精確測(cè)量粒子的位置和動(dòng)量，測(cè)量一個(gè)屬性會(huì)對(duì)另一個(gè)屬性產(chǎn)生干擾。例如，如果要準(zhǔn)確測(cè)量一個(gè)電子的位置，就需要使用波長(zhǎng)更短的伽瑪射線，但這會(huì)導(dǎo)致電子的動(dòng)量產(chǎn)生大的不確定性。反過(guò)來(lái)，如果我們想要測(cè)量電子的準(zhǔn)確動(dòng)量，就需要使用波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光子，但這會(huì)使我們無(wú)法確定電子的位置。

海森堡于1927年3月將測(cè)不準(zhǔn)原理寫(xiě)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(bǔ)原理，解決了波粒二象性的矛盾。根據(jù)互補(bǔ)原理，波動(dòng)性和粒子性在描述微觀粒子時(shí)是互斥的，但在更高層次上是統(tǒng)一的。

海森堡的不確定性原理和波爾的互補(bǔ)原理共同構(gòu)成了量子力學(xué)的基礎(chǔ)。它們揭示了微觀世界的奇特性質(zhì)和人類認(rèn)知的局限性。這些原理的發(fā)現(xiàn)改變了我們對(duì)物質(zhì)世界的理解，推動(dòng)了現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展。

盡管海森堡的矩陣力學(xué)在當(dāng)時(shí)受到了冷落，但不確定性原理的提出以及后來(lái)的量子力學(xué)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(xué)的重要基石之一，也是我們認(rèn)識(shí)和探索自然界的重要窗口。