正如爱因斯坦的E=mc2之于相对论,海森堡不确定性原理之于量子力学——不仅是一种深刻的见解,而且是一个标志性的公式,甚至非物理学家也能认出它。该原理认为,我们无法完全详细地了解世界的当前状态,更不用说以绝对的精度预测未来。它标志着与宇宙的经典决定论观点的明确决裂。
然而,不确定性原理有两种表面上相似的表述,即使是许多执业物理学家也倾向于混淆。维尔纳·海森堡自己的版本是,在观察世界时,我们不可避免地会扰乱它。维也纳技术大学的一个研究团队现在生动地证明了这是错误的。
在羽贺裕二(Yuji Hasegawa)的领导下,该团队制备了一束中子,并同时测量了每个中子的两个自旋分量,直接违反了海森堡版本的原理。然而,另一种变体仍然成立。该团队于1月15日在自然物理学杂志上报告了他们的结果。(大众科学是自然出版集团的一部分。)
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海森堡在1927年通过他著名的思想实验推断出他的公式,在实验中他想象使用伽马射线显微镜测量电子的位置。他推导出的公式是 ε(q)η(p) ≥ h/4π。这个不等式表示,当您以误差 ε(q) 测量电子的位置时,您不可避免地会将电子的动量改变 η(p) 的量。实验者不可能同时精确地知道位置和动量;他或她必须做出权衡。“因此,所有被观察到的事物都是从大量的可能性中选择出来的,并且是对未来可能性的限制,”海森堡写道。
同年,一位不太知名的物理学家厄尔·肯纳德(Earle Kennard)推导出了不同的公式,后来霍华德·罗伯逊(Howard Robertson)将其推广:σ(q)σ(p) ≥ h/4π。这个不等式表示,您不能同时将位置 σ(q) 和动量 σ(p) 的量子涨落抑制到低于某个极限。涨落的存在与是否被测量无关,并且不等式没有说明执行测量时会发生什么。
因此,肯纳德的公式与海森堡的公式完全不同。但是许多物理学家,可能包括海森堡本人,一直误以为这两个公式描述的是几乎相同的现象。物理学家在日常研究中使用并称之为海森堡不确定性原理的实际上是肯纳德的公式。它具有普遍适用性,并且牢固地扎根于量子理论。如果它在实验中被违反,那么整个量子力学都会崩溃。然而,海森堡的公式是作为猜想提出的,因此量子力学不会因其违反而动摇。
2003年,名古屋大学的小泽正直(Masanao Ozawa)开发了一个新的误差-扰动不确定性公式,海森堡旨在表达这种不确定性,但这次的基础更加稳固。新公式从量子测量理论数学推导而来,描述了误差和扰动以及涨落:ε(q)η(p) + σ(q)η(p) + σ(p)ε(q) ≥ h/4π. 羽贺裕二的团队是第一个证明海森堡不等式被违反和小泽不等式有效性的团队。他们通过直接测量自旋分量观测中的误差和扰动来实现的。即使误差或扰动源之一保持接近于零,另一个仍然是有限的。
名古屋大学的谷村省吾(Shogo Tanimura)说:“我认为,对于实验物理学来说,尤其重要的是,在小泽的公式中,测量误差和扰动与量子涨落明显区分开来。”谷村省吾独立于小泽的团队。“物理学家认为,减少误差的唯一方法是抑制涨落。但是,小泽的不等式表明,还有另一种方法可以通过允许对象系统具有更大的涨落来减少误差,尽管这听起来可能自相矛盾。”
小泽的公式证实了探测物理学基础的新兴趋势:密切关注实验者在实验室中直接看到的东西——一种所谓的“操作方法”。东京工业大学的理论物理学家細谷曉夫(Akio Hosoya)说:“误差-扰动不确定性关系比涨落的不确定性关系重要得多,因为在物理学中,最终决定权来自实验验证。” 海森堡会很高兴,他旨在表达的关于我们对世界的认知的局限性,这次通过新的严格的、实验验证的公式得到了清晰的揭示。测量误差和扰动之间的新不确定性关系不再仅仅是猜想,而是物理定律。