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能量、時間,與轉瞬即逝的狀態

能量—時間不確定性關係,以及為什麼短命的狀態擁有模糊、界定不清的能量。

原理的第二張面孔

到目前為止,不確定性講的都是位置與動量——兩個你在同一瞬間測量的東西。但還有第二對、同樣重要的搭檔,而且它帶著一種不同的氣味:能量時間。它的陳述看上去像是第一條的「表親」:一個系統能量的彌散,乘以它發生變化所歷經的時間跨度,同樣至少約為 ℏ/2。換成大白話就是:一個只持續很短一會兒的狀態,無法擁有界定得很尖銳的能量;而一個能量銳利如刀的狀態,則必須幾乎永遠地持續下去。

ΔE · Δt  ≳  ℏ / 2

  ΔE = spread (uncertainty) in energy
  Δt = characteristic time the state lasts / takes to change

  short-lived state (small Δt)  ->  fuzzy energy (large ΔE)
  sharp energy     (small ΔE)   ->  long-lived state (large Δt)
能量—時間不確定性關係:一個狀態越短暫,它的能量就越模糊。

再一次回到音樂

最乾淨的直覺,是第一篇裡那個音樂類比,如今要完完全全地照字面去理解。在量子力學裡,一個狀態的能量*就是*它的波在時間中振盪的頻率——能量越高,振盪越快。而下面這一點,是關於任何波的普適事實:要精確地測出一個頻率,你就得長時間地觀察這個波。一個只奏響轉瞬一刻的音符,沒有界定明確的音高;讓它響上幾秒,音高就變尖銳;永遠地觀察下去,音高就變得完全精確。

把「音高」換成「能量」,把「音符響多久」換成「狀態持續多久」,你就一字不差地得到了能量—時間關係。一個只苟活一閃的量子狀態,根本沒有振盪足夠多的次數,讓它的頻率——它的能量——被釘住。這能量是真真切切地被抹開了,原因和一記一毫秒的「嗶」聲沒有清晰音符是同一個。這又一次正是傅立葉不確定性——把位置和動量聯繫起來的那同一條定理,如今把時間和能量聯繫了起來。一個數學事實,兩條著名的物理原理。

為什麼「永恆之態」擁有唯一精確的能量

把這套邏輯推到極限,你會抵達一個優美的想法。那些*確實*擁有單一、完全尖銳能量的狀態,恰恰就是那些永不改變的狀態——它們將原封不動地永遠鳴響下去(Δt 無窮大,於是 ΔE 為零)。這些就是定態,也叫能量本徵態:那些穩定的、原地駐立的波形,只是待在原處振盪,年復一年看上去都一個樣。它們的能量之所以精確,恰恰是因為它們是永恆的。原子那些乾淨、固定的能級就是這些狀態;它們的尖銳與它們的永恆,是同一枚硬幣的兩面。

反過來這一面同樣發人深省。現實世界裡幾乎沒有什麼是永恆的。一個停在原子高能級上的電子,最終會掉下來,並放出光。正因為它在墜落之前只逗留了有限的一段時間,那個激發態*並非*完全永恆——於是按照這條關係,它的能量*並非*完全尖銳。它帶著一抹微小的內稟模糊,而這抹模糊是真實的、可測量的。

這一切,你能在真實的光裡看見

這並不是抽象的帳面記號——它會留下你在實驗室裡能測出來的指紋。當一個激發態原子透過自發輻射弛豫下來時,你或許會以為,它放出的光應當是一種精確的顏色(一份精確的能量)。然而,每一條譜線都有一個微小的、無法消除的*寬度*:在中心顏色周圍的一小片顏色彌散。那個寬度就是能量模糊 ΔE,它直接由那個激發態活了多久(Δt)所決定。壽命越短的狀態,譜線就明顯越寬。物理學家常常把這件事反過來用——測出一條譜線的寬度,就能讀出一個短暫到無法用其他任何辦法計時的狀態的壽命。

退後一步看,這個圖樣非常優雅。尖銳的能量與永恆相伴;模糊的能量與短暫相隨。不存在「短命卻擁有完全確定能量」的狀態,正如不存在「永恆卻能量被抹開」的狀態。同一套波的邏輯,曾經禁止一個位置尖銳的粒子擁有尖銳的動量,如今又禁止一個短命的狀態擁有尖銳的能量。這是同一條原理,穿著兩套戲服——而正如能量—時間不確定性這個名字所許諾的,它把一個事物的壽命,與它能量的清脆程度,繫在了一起。