正如愛因斯坦的E=mc2之於相對論,海森堡不確定性原理之於量子力學——不僅是一種深刻的見解,而且是一個標誌性的公式,甚至非物理學家也能認出它。該原理認為,我們無法完全詳細地瞭解世界的當前狀態,更不用說以絕對的精度預測未來。它標誌著與宇宙的經典決定論觀點的明確決裂。
然而,不確定性原理有兩種表面上相似的表述,即使是許多執業物理學家也傾向於混淆。維爾納·海森堡自己的版本是,在觀察世界時,我們不可避免地會擾亂它。維也納技術大學的一個研究團隊現在生動地證明了這是錯誤的。
在羽賀裕二(Yuji Hasegawa)的領導下,該團隊製備了一束中子,並同時測量了每個中子的兩個自旋分量,直接違反了海森堡版本的原理。然而,另一種變體仍然成立。該團隊於1月15日在自然物理學雜誌上報告了他們的結果。(大眾科學是自然出版集團的一部分。)
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海森堡在1927年透過他著名的思想實驗推斷出他的公式,在實驗中他想象使用伽馬射線顯微鏡測量電子的位置。他推匯出的公式是 ε(q)η(p) ≥ h/4π。這個不等式表示,當您以誤差 ε(q) 測量電子的位置時,您不可避免地會將電子的動量改變 η(p) 的量。實驗者不可能同時精確地知道位置和動量;他或她必須做出權衡。“因此,所有被觀察到的事物都是從大量的可能性中選擇出來的,並且是對未來可能性的限制,”海森堡寫道。
同年,一位不太知名的物理學家厄爾·肯納德(Earle Kennard)推匯出了不同的公式,後來霍華德·羅伯遜(Howard Robertson)將其推廣:σ(q)σ(p) ≥ h/4π。這個不等式表示,您不能同時將位置 σ(q) 和動量 σ(p) 的量子漲落抑制到低於某個極限。漲落的存在與是否被測量無關,並且不等式沒有說明執行測量時會發生什麼。
因此,肯納德的公式與海森堡的公式完全不同。但是許多物理學家,可能包括海森堡本人,一直誤以為這兩個公式描述的是幾乎相同的現象。物理學家在日常研究中使用並稱之為海森堡不確定性原理的實際上是肯納德的公式。它具有普遍適用性,並且牢固地紮根於量子理論。如果它在實驗中被違反,那麼整個量子力學都會崩潰。然而,海森堡的公式是作為猜想提出的,因此量子力學不會因其違反而動搖。
2003年,名古屋大學的小澤正直(Masanao Ozawa)開發了一個新的誤差-擾動不確定性公式,海森堡旨在表達這種不確定性,但這次的基礎更加穩固。新公式從量子測量理論數學推導而來,描述了誤差和擾動以及漲落:ε(q)η(p) + σ(q)η(p) + σ(p)ε(q) ≥ h/4π. 羽賀裕二的團隊是第一個證明海森堡不等式被違反和小澤不等式有效性的團隊。他們透過直接測量自旋分量觀測中的誤差和擾動來實現的。即使誤差或擾動源之一保持接近於零,另一個仍然是有限的。
名古屋大學的谷村省吾(Shogo Tanimura)說:“我認為,對於實驗物理學來說,尤其重要的是,在小澤的公式中,測量誤差和擾動與量子漲落明顯區分開來。”谷村省吾獨立於小澤的團隊。“物理學家認為,減少誤差的唯一方法是抑制漲落。但是,小澤的不等式表明,還有另一種方法可以透過允許物件系統具有更大的漲落來減少誤差,儘管這聽起來可能自相矛盾。”
小澤的公式證實了探測物理學基礎的新興趨勢:密切關注實驗者在實驗室中直接看到的東西——一種所謂的“操作方法”。東京工業大學的理論物理學家細谷曉夫(Akio Hosoya)說:“誤差-擾動不確定性關係比漲落的不確定性關係重要得多,因為在物理學中,最終決定權來自實驗驗證。” 海森堡會很高興,他旨在表達的關於我們對世界的認知的侷限性,這次透過新的嚴格的、實驗驗證的公式得到了清晰的揭示。測量誤差和擾動之間的新不確定性關係不再僅僅是猜想,而是物理定律。