有什麼科學原理指出,對任何物體的測量都會影響該物體——也就是說,不可能獲得完美的測量?是誰提出了這個想法,並且可以對其進行測試嗎?

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布法羅河管理基金會的傑西·戈登提出了以下回應

“您指的是20世紀初由維爾納·海森堡推匯出的‘不確定性原理’。海森堡意識到量子物理學的一個含義是,測量行為總是會擾亂被測量的物體。不確定性原理適用於所有物體,但僅在原子或亞原子水平上才顯著。在這樣的尺度上,我們對物體位置的確定性存在明顯的限制。

“這種不確定性背後的物理原因是,測量本質上需要使用某種能量——例如,將光照射到要測量的物體上。光由離散的能量單位或量子組成,稱為光子。將光照射到電子上意味著用光子轟擊它,每個光子都會對電子產生很大影響。”


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海森堡和他的量子先驅們認識到,能量非常高的光子可以更準確地讀取電子的位置,但它們也更具破壞性。因此,存在一種權衡:我們在測量時越精確地瞭解物體的位置,我們對它當前位置的瞭解就越少。這種不確定性不能透過設計更好的儀器來消除;它固有的存在於量子物理定律中。

戈登然後考慮了問題的第二部分:“海森堡原理的一個重要測試可以用哲學的角度來思考:假設我們可以無限精確地測量每個亞原子粒子的位置和速度。那麼我們就可以測量你身體中每個粒子的位置和速度,並預測你身體中每個粒子在未來的位置和速度。換句話說,我們可以準確地預測你在無限的未來將要做什麼;你將擁有一個決定論的世界,從而排除自由意志。不確定性原理是自由意志存在的物理原因。即使使用無限精確的儀器,我們也無法預測亞原子粒子的未來行為,因此我們也無法預測宏觀粒子(如人)的未來。”

在更實際的層面上,不確定性原理解釋了許多真實觀察到的物理效應,例如量子隧穿。有時,電子會“隧穿”到根據經典物理學它永遠不可能出現的位置。這種現象構成了掃描隧道顯微鏡的基礎,它使科學家能夠繪製出單個原子位置的圖譜

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