海森堡的矩陣則枯燥而且缺乏直觀圖景,不怎麽受待見。
因此,薛定諤方程名噪一時,大家幾乎忘掉了海森堡的矩陣。
天才終歸是天才,不久後(1927年),海森堡便拋出了一個“不確定性原理”,震驚物理界。
如前所述,海森堡將原子中電子的位置x(t)及動量p(t)用“表格”,也就是矩陣來描述,但矩陣的乘法不同於一般兩個“數”的乘法。具體來說,就是不對易:x(t)xp(t)不等於 p(t)xx(t),或者簡單地寫成:xp ≠ px。這種不相等的特性可以用它們的差表示出來,叫做對易關係:[x,p]=xp-px=i?。
從對易關係再進一步,可以寫成不等式的形式:ΔpΔx≥?\/2。這被稱為不確定性原理。
根據海森堡的不確定性原理,對於一個微觀粒子,不可能同時精確地測量出其位置和動量。將一個值測量越精確,另一個的測量就會越粗略。如圖2a所示,如果位置被測量的精確度是Δx,動量被測量的精確度是Δp的話,兩個精確度之乘積將不會小於?\/2,即:ΔpΔx≥?\/2,這裏的?是約化普朗克常數(h\/2π)。
精確度是什麽意思?精確度越小,表明測量越精確。如果Δx等於0,說明位置測量是百分之百地準確。但是因為不確定原理,Δp就會變成無窮大,也就是說,測定的動量將在無窮大範圍內變化,亦即完全不能被確定。
海森堡討厭波動力學,但也想要給自己的理論配上一幅直觀的圖象,他用了一個直觀的例子來解釋不確定性原理,以迴應薛定諤的波動力學。
如何測量粒子的位置?我們需要一定的實驗手段,比如說,可以借助於光波。如果要想準確地測量粒子的位置,必須使用波長更短、頻率更高的光波。使用波長比較長的光波,幾乎探測不到粒子的存在,隻有光波的波長可以與粒子的大小相比較的時候,才能進行測量。光的波長越短,便可以將粒子的位置測量得越準確。
於是,海森堡認為,要想精確測量粒子的位置,必須提高光的頻率,也就是增加光子的能量,這個能量將作用在被測量的粒子上,使其動量發生了一個巨大的改變,因而不可能同時準確地測量粒子的動量。
如上所述的當時海森堡對不確定原理的解釋,是基於測量的準確度,似乎是因為測量幹預了係統而造成兩者不能同時被精確測量。後來,大多數的物理學家對此持有不同的看法,認為不確定性原理是類波係統的內秉性質,微觀粒子的不確定原理,是由其波粒二象性決定的,與測量具體過程無關。
事實上,從現代數學的觀念,位置與動量之間存在不確定原理,是因為它們是一對共軛對偶變量,在位置空間和動量空間,動量與位置分別是彼此的傅立葉變換。因此,除了位置和動量之外,不確定關係也存在於其他成對的共軛對偶變量之間。比如說,能量和時間、角動量和角度之間,都存在類似的關係。
因此,薛定諤方程名噪一時,大家幾乎忘掉了海森堡的矩陣。
天才終歸是天才,不久後(1927年),海森堡便拋出了一個“不確定性原理”,震驚物理界。
如前所述,海森堡將原子中電子的位置x(t)及動量p(t)用“表格”,也就是矩陣來描述,但矩陣的乘法不同於一般兩個“數”的乘法。具體來說,就是不對易:x(t)xp(t)不等於 p(t)xx(t),或者簡單地寫成:xp ≠ px。這種不相等的特性可以用它們的差表示出來,叫做對易關係:[x,p]=xp-px=i?。
從對易關係再進一步,可以寫成不等式的形式:ΔpΔx≥?\/2。這被稱為不確定性原理。
根據海森堡的不確定性原理,對於一個微觀粒子,不可能同時精確地測量出其位置和動量。將一個值測量越精確,另一個的測量就會越粗略。如圖2a所示,如果位置被測量的精確度是Δx,動量被測量的精確度是Δp的話,兩個精確度之乘積將不會小於?\/2,即:ΔpΔx≥?\/2,這裏的?是約化普朗克常數(h\/2π)。
精確度是什麽意思?精確度越小,表明測量越精確。如果Δx等於0,說明位置測量是百分之百地準確。但是因為不確定原理,Δp就會變成無窮大,也就是說,測定的動量將在無窮大範圍內變化,亦即完全不能被確定。
海森堡討厭波動力學,但也想要給自己的理論配上一幅直觀的圖象,他用了一個直觀的例子來解釋不確定性原理,以迴應薛定諤的波動力學。
如何測量粒子的位置?我們需要一定的實驗手段,比如說,可以借助於光波。如果要想準確地測量粒子的位置,必須使用波長更短、頻率更高的光波。使用波長比較長的光波,幾乎探測不到粒子的存在,隻有光波的波長可以與粒子的大小相比較的時候,才能進行測量。光的波長越短,便可以將粒子的位置測量得越準確。
於是,海森堡認為,要想精確測量粒子的位置,必須提高光的頻率,也就是增加光子的能量,這個能量將作用在被測量的粒子上,使其動量發生了一個巨大的改變,因而不可能同時準確地測量粒子的動量。
如上所述的當時海森堡對不確定原理的解釋,是基於測量的準確度,似乎是因為測量幹預了係統而造成兩者不能同時被精確測量。後來,大多數的物理學家對此持有不同的看法,認為不確定性原理是類波係統的內秉性質,微觀粒子的不確定原理,是由其波粒二象性決定的,與測量具體過程無關。
事實上,從現代數學的觀念,位置與動量之間存在不確定原理,是因為它們是一對共軛對偶變量,在位置空間和動量空間,動量與位置分別是彼此的傅立葉變換。因此,除了位置和動量之外,不確定關係也存在於其他成對的共軛對偶變量之間。比如說,能量和時間、角動量和角度之間,都存在類似的關係。