2.1 测不准原理!

文化   2025-02-01 06:35   山东  


1908年2月1日,俞德浚

植物分类学家和园艺学家俞德浚(1908.2.1—1986.7.14)1931年毕业于北京师范大学生物系,早年从事植物资源调查和植物标本的采集工作,对中国高等种子植物,特别是蔷薇科、豆科、秋海棠科的分类与分布有广泛深入的研究,对园艺植物起源和品种分类、植物引种驯化、栽培选育有较深入的研究;1980年当选为中国科学院学部委员(院士)。

俞德浚长期从事植物学考察、采集及分类研究,编著出版了《中国果树分类学》,为果树种质资源的开发利用及引种栽培奠定了基础;主编出版了《中国植物志》36、37、38卷,记载了已发现的中国全部蔷薇科植物,是国内外著名的蔷薇科植物分类专家。他创建了北京植物园,参加了国内10多个植物园的建园规划设计,为我国植物园事业做出了重大贡献。



1976年2月1日,沃纳·海森堡

德国物理学家沃纳·卡尔·海森堡(Werner Karl Heisenberg,1901.12.5-1976.2.1)1920年中学毕业后考入慕尼黑大学直接读研究生,在索末菲、维恩等指导下攻读物理学,后来又前往哥廷根大学,在玻恩和希尔伯特的指导下学习物理;1923年写出了题为《关于流体流动的稳定和湍流》这篇流体力学的博士论文,详细研究了非线性理论的近似性,年终取得了慕尼黑大学的哲学博士学位;因为“创立量子力学以及由此导致的氢的同素异形体的发现”而荣获1932年诺贝尔物理学奖。

第二次世界大战期间,当爱因斯坦等科学家受到纳粹迫害时,海森堡因其对德国的热爱而留在德国,并尽可能地挽救德国的科学;1941年被任命为柏林大学物理学教授和凯泽·威廉皇家物理所所长,成为德国研制原子弹核武器的领导人,与核裂变的发现者之一哈恩共同研制核反应堆。随着战争进程的推进,海森堡很快发现自己陷入矛盾之中:他热爱自己的祖国,但又对纳粹的暴行非常不满。

海森堡1946年与同事一道在哥廷根重建了哥廷根大学物理研究所(1948年易名为马克斯·普朗克物理研究所),从事物理学和天文物理学研究并担任所长;1956年被聘为慕尼黑大学的物理教授,研究所也迁入慕尼黑,并改名为马克斯·普克物理及天文物理研究所。

第二次世界大战后,海森堡在促进原子能和平应用上做出了很大贡献,1957年参与德国科学家联合反对用核武器武装德国军队;与日内瓦国际原子物理学研究所密切合作,成为第一任委员会主席。

这位天才的物理学家永远不会放弃学术上的不断努力,1953年后海森堡把重点转向基本粒子理论的研究,1958年4月提出了非线性旋量理论,基础是4个非线性微分方程及其包括引力子在内的所谓“宇宙公式”。这些方程系运用于自然界中,能体现出普遍对称性的基本形式的微分系统,而且能解释高能碰撞中产生的基本粒子的多样性。海森堡以他的研究不断推动现代物理向前发展。

海森堡对物理学的主要贡献是给出了量子力学的矩阵形式(矩阵力学),在1927年提出了“测不准原理”和S矩阵理论等;《量子论的物理学基础》是量子力学领域的一部经典著作;在美国学者麦克·哈特所著的《影响人类历史进程的100名人排行榜》中名列第43位。

海森堡在创立矩阵力学时,仍然使用“坐标”、“速度”等词汇,当然这些词汇已经不再等同于经典理论中的意义。但是,应该如何理解这些词汇新的物理意义呢?海森堡抓住云室实验中观察电子径迹的问题反复思考,意识到关键在于电子轨道。人们看到的径迹并不是电子的真正轨道,也许人们只能观察到一系列电子的不确定的位置。因此,在量子力学中,一个电子只能以一定的不确定性处于某一位置,同时也只能以一定的不确定性具有某一速度。可以把这些不确定性限制在最小的范围内,但不能等于零。

1927年3月22日,海森堡在《量子论中运动学和动力学的可观测内容》论文一开头就说:“如果谁要阐明‘一个物体的位置’(例如一个电子的位置)这个短语的意义,那么他就要描述一个能够测量‘电子位置’的实验,否则这个短语就根本没有意义。”在谈到诸如位置与动量,或能量与时间这样一些正则共轭量的不确定关系时说:“这种不确定性正是量子力学中出现统计关系的根本原因。”

海森堡通过一些实验来论证不确定原理:“在位置被测定的一瞬,即当光子正被电子偏转时,电子的动量发生一个不连续的变化,因此,在确知电子位置的瞬间,关于它的动量我们就只能知道相应于其不连续变化的大小的程度。于是,位置测量得越准确,动量的测定就越不准确,反之亦然。”

测不准原理一般又叫做“不确定性原理”,是说你不可能同时知道一个粒子的位置和它的速度,粒子位置的不确定性,必然大于或等于普朗克常数除以4π(ΔxΔp≥h/4π),这表明微观世界的粒子行为与宏观物质很不一样。此外,不确定原理涉及很多深刻的哲学问题,用海森堡自己的话说:“在因果律的陈述中,即‘若确切地知道现在,就能预见未来’,所得出的并不是结论,而是前提。我们不能知道现在的所有细节,是一种原则性的事情。”

测不准原理对宏观和微观现象都适用,但由于普朗克常数是一个很小的数值,日常现象因量子效应很小,所以我们感觉不到它的作用。在诸如亚原子粒子(基本粒子)等微观领域,测不准原理所反映的物理现象则非常明显。

测不准原理和误差是不同的概念,具有更深刻的物理意义,是与微观粒子的波粒二象性相联系的。测不准原理不仅适用于位置和动量,还适用于其他一些成对的可测量,如能量与时间。

海森堡的不确定原理得到了波尔的支持。在波尔提出互补原理之后,这一批物理学家关于量子力学的诠释不断发展,形成了对二十世纪物理学和哲学影响极大的哥本哈根学派。

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