量子不確定性從何而來？

【博科園-科學科普】（前方高能燒腦~文科生慎入）如果你想知道物體在哪裡，你只需測量它的精度。可以給你卡尺，顯微鏡，甚至是更短波波長的單個微粒。然而你越準確地測量一個物體的位置，你對它的動量知識就越不準確。這不僅僅是我們儀錶的失敗，這種不確定性是宇宙的根本。物理上被稱為海森堡測不準原理。

宇宙的量子性質告訴我們，某些物理量存在固有的不確定性，而這些物理量之間存在著相互關聯的不確定性。圖片：NASA/CXC/M.Weiss

那麼量子不確定性從何而來？

解釋從量子力學交換關係中得到什麼信息，這不僅僅是我們不能同時測量兩個屬性。然而這是真的：你不能同時測量兩個屬性。

電子通過雙狹縫的波模式，如果你測量「哪個狹縫」電子經過，你就會破壞這裡展示的量子干涉圖。注意需要不止一個電子來揭示干涉圖樣。圖片：Dr. Tonomura and Belsazar of Wikimedia Commons

當你在學習數學的時候你可能聽說過一些性質例如：關聯，分配和交換。交換性是例如「3 + 4 = 4 + 3」相同的加法性，或者「3×4 = 4×3」。在經典物理學中，所有變數：你測量位置，動量，動量，位置都不重要，你得到的答案是一樣的。但在量子物理中，存在固有的不確定性，測量位置，然後動量從根本上不同於測量動量和位置。

QCD的可視化說明了粒子/反粒子對在量子真空中是如何在很小的時間內跳出來的，這是海森堡不確定性的結果，如果你有一個大的不確定性在能源(ΔE)，粒子的壽命(Δt)(s)創建一定很短。圖片：Derek B. Leinweber

如果你想知道一個粒子的位置(比如說x)的方向和它在同一個方向上的動量，你得到的取決於你的操作的不同，量子力學對易關係說的是如果你的「位置和動量」與「動量和位置，」兩個答案將由完全不同的數量ℏ，是根號(1)，和ℏ普朗克常數。它以這種方式來表示位置和動量因為它們是彼此的傅里葉變換。

某些系統中有編碼的信息，它們看起來非常不同，取決於你是否在測量一個方面(例如頻率)或其傅里葉變換(例如。時間)但在兩個表示中都編碼了相同的信息。圖片：Robert Triggs / Android Authority

當你考慮到這個數量關係時，你會發現存在一個物理不確定性，但這並不是測量兩個變數的不確定性，而是在每個變數中。特別是你總是有一個位置的不確定性(Δx)，而你總是有動量的不確定性(Δp)，無論你如何準確衡量任何一個。此外這些不確定性的產品(ΔxΔp)必須大於或等於ℏ/ 2。我們不可能知道任何一個量，它服從於任意精度的量子關係。

在量子級的位置和動量之間的內在不確定性之間的圖解。圖片：E. Siegel / Wikimedia Commons user Maschen

它也不局限於位置和動量，在量子物理學中有大量的物理量，通常是由於深奧的原因，它們之間存在著同樣的不確定性關係，這發生在每一對共軛變數上，就像位置和動量一樣，它們包括:

1、能量(ΔE)和時間(Δt)

2、電勢或電壓(Δφ)和自由電荷(Δq)

3、角動量(ΔL)和取向或角位置(Δθ)

通過一個特定類型的磁鐵，通過兩個可能的自旋結構的粒子將會導致粒子分裂成+和-自旋狀態。圖片：Theresa Knott / Tatoute of Wikimedia Commons

想象你有一個粒子，你知道粒子本身固有的，它的內在角動量(或旋轉)ℏ/ 2，這正是一個電子。你決定用一個特定的方向來測量它的旋轉，也許是通過一個特殊的磁場。粒子要麼向上轉移(如果他們的自旋+ℏ/ 2)或向下(如果是-ℏ/ 2)，沒有其他的可能性。因此已經很好地確定了這些方向。

沒錯，如果你把所有的旋轉+ℏ/ 2粒子和它們穿過另一個相同的磁鐵，他們向上轉移。但是如果你旋轉磁鐵，一個垂直的方向,這個方向的信息被毀於第一次測量,這樣他們就可以分左右(+ℏ/ 2)或(-ℏ/ 2)50/50的概率。更糟糕的是什麼？如果你隨後的結果進一步拆分的，他們通過另一個磁鐵與原來的方向，他們會再次分裂+ℏ/ 2 -ℏ/ 2,向上和向下的方向。

多個連續的斯特恩－蓋拉赫實驗將導致與最近測量的垂直方向的進一步分裂，但在同一方向上沒有額外的分裂。圖片：Francesco Versaci of Wikimedia Commons

換句話說當你將一個變數的不確定性最小化時，你最大化了它的共軛變數的不確定性。不確定性的存在，不確定性的量，以及不確定性之間發生的變數，是量子力學交換關係告訴你的。這並不是沒有它的用處！你可以推導出原子的大小和穩定性——為什麼電子從來沒有在原子的原子核上，從這種關係中得到。你可以從這個得到波粒二象性和量子限制。而且值得注意的是從磁力和角動量的例子中，你可以發展出核磁共振成像(MRI)。

一個現代的高級臨床MRI掃描儀。核磁共振成像機是當今最大的氦醫學或科學使用，並利用亞原子粒子的量子躍遷。圖片：Wikimedia Commons user KasugaHuang

這是真的：當一個適當配置的磁鐵會導致一個粒子的分裂依賴於它的角動量，一個以正確的方式隨時間而改變的磁場將迫使一個粒子進入一個旋轉的結構。這些時變的場使量子系統在這兩個狀態之間振蕩，這就是磁共振成像的「共振」。同樣的原理也在原子鐘、氫微波激射器（微波頻率激光器）和原子躍遷的超精細分裂中發揮作用。對於一個簡單的關係來說「AB不等於BA」對於正確的量子設置來說是不錯的。事實上有比「我們不能同時測量兩個屬性」更多的東西，有一個完整的現代量子宇宙發現了這個結果！【博科園-科學科普】

作者：Ethan Siegel

來自：forbes

編譯：卿君側

審校：博科園

本文為作者原創，未經授權不得轉載