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量子力學(11)

  具體原因用比喻來說明:假設你用低能量的、1米波長的光子去測量電子,就像你用乒乓球(光子)去撞擊一個運動著的臺球(電子)一樣,由于乒乓球對臺球的真實位置的撞擊力很小,就是你就會盡最大限度地、更准確地測量到臺球的真實速度。但是當你用高能量的1毫米波長的光子去測量電子時,就如同是用一個鉛球(高能量的光子)去撞擊一個臺球一樣,由于被鉛球撞擊的力量過大,以至于你無法真實測量到臺球的真實位置,只能測量到臺球被鉛球撞擊推移後所處的位置,也就是臺球被強力幹擾後的位置。

  例如,這時假設你用高能量的光子(如同鉛球)測量反饋給你的電子(如同臺球)的位置在150.01米處,這樣雖然對電子的最終位置獲得了更准確的信息,但是,電子受光子撞擊前的真實位置在100.00~150.01米之間就變得不確定了。就是說,這種對于電子的真實位置更精確的測量帶來的結果是對電子真實速度測定的不確定性,因而對電子的動量的測量也就變得更加不確定了。

  這真是一個兩難的選擇:爲了不對電子造成更大的擾動,准確測量到電子的動量,你就得用能量更小的光波,但是能量更小的光波所帶來的問題是其波長很長,因此對電子末位置的精准度測量就存在一個用來測量的光波波長區間的“不確定性”。這時,雖然對電子的動量的測量變得更准確,但是對電子的真實位置就變得不准確了——不確定。

  如果你爲了更精准地測量電子的精確位置(例如精准在1毫米以內),你就得用更短波長的光子去測量,但是因爲更短波長的光子攜帶的能量更大,因此你測得的永遠是被攜帶高能量光子撞擊後的電子的末位置。因爲無法更准確測量到電子的真實位置,只能測量到電子被撞擊後的位置,這樣對電子動量的測定又變得不准確了。

  以上就是不能同時准確測量電子的位置和速度的原因。如果你對其中一項測量得越准確,對另一項的測量就越不准確。換句話說,你不可能同時知道電子在哪裏以及它往哪裏走。

  之所以會存在不確定性原理,根本原因就在于你用來測量電子的光子是個波,波不是一個無限小的點的東西,而是一個有著空間區間跨度的運動態勢。如果說水波是水分子的運動態勢,那麼光波不是任何物質的運動態勢,光波只是一種對虛無過程的表示法。不但光子是如此,電子也是如此,質子也是如此,原子也是如此!簡單地說,不確定性原理是量子力學的根本原理,它保護著量子力學。不確定性原理直接帶給我們的結果是,一切物質本質上都只是一種虛無的波動!

  (叁)概率

  1. 概率計算

  概率是對隨機發生事件可能性的度量。例如,當你投擲一枚硬幣時,你是無法確定硬幣的哪個面會朝上的(見圖1-31)。因爲硬幣只有兩面:正面、反面,因此你只能計算每次投擲硬幣正面或反面朝上的概率各是50%。假設你去投擲骰子,因爲骰子有六個面,所以每一次投擲,其中一個面朝上的概率就是六分之一,即16.66%(見圖1-32)。

  圖1-31 投擲出的一枚硬幣,其正面或背面朝上的概率各是50%

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