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:海森堡不确定性原理经典解释被实验推翻

2012-09-13 10:15:01 来源: 环球科学-科学美国人中文版
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核心提示:一项新实验证实,对一个量子系统的测量不一定会导致不确定性。研究推翻了大量关于量子世界为何如此不可知的解释,但可探测的最小尺度的基本极限仍然不变。

海森堡不确定性原理经典解释被实验推翻

不确定性原理限制了我们对一个量子系统的了解,但结果的不确定性并不完全是测量行为导致的。(供图:C·达金/科技图片图书馆)

和学生们所学的相反,旁观者并不总能感觉到量子不确定性。一项新实验证实,对一个量子系统的测量不一定会导致不确定性。研究推翻了大量关于量子世界为何如此不可知的解释,但可探测的最小尺度的基本极限仍然不变。

海森堡测不准原理是量子力学的一块基石。简单地说,这个原理导致我们对量子世界的探索有一个基本的极限。例如,你越是确定某个粒子的位置,就越不能确定它的动量,反之亦然。这个极限被表述为一个方程,在数学上很容易证明。

海森堡有时把测不准原理称为进行测量的一个难题。他最著名的思想实验是对一个电子拍照。为了拍摄照片,科学家可能要向电子的表面发射一颗光子。这会暴露电子的位置,但光子也会把能量传递给电子,使它发生位移。探测电子的位置会不确定地改变它的速率,而测量行为引发的不确定性足以让这个原理成立。

物理系学生在入门课上仍然在通过学习测量干扰来理解测不准原理,但人们发现这不一定是对的。加拿大多伦多大学的艾弗瑞·斯坦恩博格(AephraimSteinberg)和他的团队对光子进行了测量,发现测量行为引发的不确定性可能小于海森堡测不准原理的要求。不过,我们对光子性质的整体了解中包含的不确定性仍然高于海森堡原理的下限。

巧妙的测量

斯坦恩博格的团队并没有测量光子的位置和动量,而是两个不相干的性质:光子的偏振状态。在这种情况下,在一个面上的偏振本质上是和另一个面上的偏振状态相互联系的,根据海森堡测不准原理,我们对这两种状态的确定了解有一个极限。

研究者“稍微”测量了光子在一个面上的偏振状态,这种测量既不会干扰光子,又足以大致了解它的偏振方向。然后,他们测量了光子在另一个平面上的偏振状态。最后,他们精确测量了光子在第一次测量的平面上的偏振状态,看看它是否受到了第二次测量的干扰。

多次进行实验之后,研究者发现测量一个偏振状态对另一个状态造成的干扰不一定像测不准原理预言那么多。在最有利的情况下,干扰是测不准原理所预言的一半。

斯坦恩博格说:别太激动——测不准原理还是对的。“最后,你还是无法同时准确得知两种量子态。”但实验显示,测量行为不一定是导致结果不确定的原因。他说:“如果系统中本身就包含了很多不确定性,那测量结果的不确定性不一定全部是测量行为导致的。”

最新实验第二次进行了小于不确定极限的测量。今年早些时候,奥地利的维也纳科技大学的一位物理学家长谷川宇治(YujiHasegawa)测量了中子的自旋,结果的不确定性小于假设系统中所有的不确定性都由测量导致的预测结果。

但最新的研究成果最清晰地解释了海森堡原理解释的错误。澳大利亚布里斯班的格里菲斯大学的一位理论物理学家霍华德·维斯曼(HowardWiseman)说:“这是海森堡测量干扰不确定原理的最直接的实验证明。这很可能对教科书的作者们有用,让他们知道简单地把测量和干扰联系起来是错误的。”

不过,要动摇古老的“测量导致不确定”的解释也许很难。甚至在进行实验之后,斯坦恩博格仍然在最近留给学生的一份作业中提出了一个测量如何导致不确定的问题。他说:“直到批改作业的时候,我才意识到我的题目是错的。现在我要小心点了。”

董凌 本文来源:环球科学-科学美国人中文版 责任编辑:王晓易_NE0011
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