第負三節:專有名詞的解釋(2 / 3)

主觀驗證能對我們產生影響,主要是因為我們心中想要相信。如果想要相信一件事,我們總可以搜集到各種各樣支持自己的證據。就算是毫不相幹的事情,我們還是可以找到一個邏輯讓它符合自己的設想。

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海森堡測不準原理:

不確定性原理(Uncertainty

principle),又稱“測不準原理”、“不確定關係”,是量子力學的一個基本原理,由德國物理學家海森堡(Werner

Heisenberg)於1927年提出。

本身為傅立葉變換導出的基本關係:若複函數f(x)與F(k)構成傅立葉變換對,且已由其幅度的平方歸一化(即f*(x)f(x)相當於x的概率密度;F*(k)F(k)/2π相當於k的概率密度,*表示複共軛),則無論f(x)的形式如何,x與k標準差的乘積ΔxΔk不會小於某個常數(該常數的具體形式與f(x)的形式有關)。

意義

該原理表明:一個微觀粒子的某些物理量(如位置和動量,或方位角與動量矩,還有時間和能量等),不可能同時具有確定的數值,其中一個量越確定,另一個量的不確定程度就越大。

測量一對共軛量的誤差(標準差)的乘積必然大於常數h/2π(h是普朗克常數)是海森堡在1927年首先提出的,它反映了微觀粒子運動的基本規律——以共軛量為自變量的概率幅函數(波函數)構成傅立葉變換對;以及量子力學的基本關係(E=h/2π*ω,p=h/2π*k),是物理學中又一條重要原理。

該原理表明:一個微觀粒子的某些物理量(如位置和動量,或方位角與動量矩,還有時間和能量等),不可能同時具有確定的數值,其中一個量越確定,另一個量的不確定程度就越大。

測量一對共軛量的誤差(標準差)的乘積必然大於常數h/2π(h是普朗克常數)是海森堡在1927年首先提出的,它反映了微觀粒子運動的基本規律——以共軛量為自變量的概率幅函數(波函數)構成傅立葉變換對;以及量子力學的基本關係(E=h/2π*ω,p=h/2π*k),是物理學中又一條重要原理。

海森伯的測不準原理得到了玻爾的支持,但玻爾不同意他的推理方式,認為他建立測不準關係所用的基本概念有問題。雙方發生過激烈的爭論。玻爾的觀點是測不準關係的基礎在於波粒二象性,他說:“這才是問題的核心。”

而海森伯說:“我們已經有了一個貫徹一致的數學推理方式,它把觀察到的一切告訴了人們。在自然界中沒有什麼東西是這個數學推理方式不能描述的。”玻爾則說:“完備的物理解釋應當絕對地高於數學形式體係。”

玻爾更著重於從哲學上考慮問題。1927年玻爾作了《量子公設和原子理論的新進展》的演講,提出著名的互補原理。他指出,在物理理論中,平常大家總是認為可以不必幹涉所研究的對象,就可以觀測該對象,但從量子理論看來卻不可能,因為對原子體係的任何觀測,都將涉及所觀測的對象在觀測過程中已經有所改變,因此不可能有單一的定義,平常所謂的因果性不複存在。對經典理論來說是互相排斥的不同性質,在量子理論中卻成了互相補充的一些側麵。波粒二象性正是互補性的一個重要表現。測不準原理和其它量子力學結論也可從這裏得到解釋。

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宿命論與量子假設:

決定論:

科學理論,特別是牛頓引力論的成功,使得法國科學家拉普拉斯侯爵在19世紀初論斷,宇宙是完全被決定的。他認為存在一組科學定律,隻要我們完全知道宇宙在某一時刻的狀態,我們便能依此預言宇宙中將會發生的任一事件。例如,假定我們知道某一個時刻的太陽和行星的位置和速度,則可用牛頓定律計算出在任何其他時刻的太陽係的狀態。

這種情形下的宿命論是顯而易見的,但拉普拉斯進一步假定存在著某些定律,它們類似地製約其他每一件東西,包括人類的行為。 宿命論:

很多人強烈地抵製這種科學宿命論的教義,他們感到這侵犯了上帝幹涉世界的自由。但直到20世紀初,這種觀念仍被認為是科學的標準假定。這種信念必須被拋棄的一個最初的征兆,是由英國科學家瑞利勳爵和詹姆斯·金斯爵士所做的計算,他們指出一個熱的物體——例如恒星——必須以無限大的速率輻射出能量。按照當時我們所相信的定律,一個熱體必須在所有的頻段同等地發出電磁波(諸如無線電波、可見光或X射線)。

例如,一個熱體在1萬億赫茲到2萬億赫茲頻率之間發出和在2萬億赫茲到3萬億赫茲頻率之間同樣能量的波。而既然波的頻譜是無限的,這意味著輻射出的總能量必須是無限的。

量子假設:

為了避免這顯然荒謬的結果,德國科學家馬克斯·普郎克在1900年提出,光波、X射線和其他波不能以任意的速率輻射,而必須以某種稱為量子的形式發射。並且,每個量子具有確定的能量,波的頻率越高,其能量越大。這樣,在足夠高的頻率下,輻射單獨量子所需要的能量比所能得到的還要多。因此,在高頻下輻射被減少了,物體喪失能量的速率變成有限的了。

量子假設的意義

量子假設可以非常好地解釋所觀測到的熱體的發射率,但直到1926年另一個德國科學家威納·海森堡提出著名的不確定性原理之後,它對宿命論的含義才被意識到。為了預言一個粒子未來的位置和速度,人們必須能準確地測量它現在的位置和速度。顯而易見的辦法是將光照到這粒子上,一部分光波被此粒子散射開來,由此指明它的位置。

然而,人們不可能將粒子的位置確定到比光的兩個波峰之間距離更小的程度,所以必須用短波長的光來測量粒子的位置。現在,由普郎克的量子假設,人們不能用任意少的光的數量,至少要用一個光量子。這量子會擾動這粒子,並以一種不能預見的方式改變粒子的速度。

而且,位置測量得越準確,所需的波長就越短,單獨量子的能量就越大,這樣粒子的速度就被擾動得越厲害。換言之,你對粒子的位置測量得越準確,你對速度的測量就越不準確,反之亦然。海森堡指出,粒子位置的不確定性乘上粒子質量再乘以速度的不確定性不能小於一個確定量——普郎克常數。

並且,這個極限既不依賴於測量粒子位置和速度的方法,也不依賴於粒子的種類。海森堡不確定性原理是世界的一個基本的不可回避的性質。

影響

不確定性原理對我們世界觀有非常深遠的影響。甚至到了50多年之後,它還不為許多哲學家所鑒賞,仍然是許多爭議的主題。不確定性原理使拉普拉斯科學理論,即一個完全宿命論的宇宙模型的夢想壽終正寢:如果人們甚至不能準確地測量宇宙的現在的態,就肯定不能準確地預言將來的事件了!

我們仍然可以想像,對於一些超自然的生物,存在一組完全地決定事件的定律,這些生物能夠不幹擾宇宙地觀測它現在的狀態。然而,對於我們這些芸芸眾生而言,這樣的宇宙模型並沒有太多的興趣。