量子力學一:形式體系

海森堡測不準原理(Heisenberg uncertainty principle)

/ HYE-zen-berg /

你無法同時把「粒子在哪裡」與「它跑多快」都釘死。這不是你儀器或技術的缺陷;它是量子世界的一項結構性特徵。海森堡測不準原理(Heisenberg uncertainty principle)說某些成對的性質根本不相容——把一個磨得更銳利,必然使另一個更模糊——因為一個態不可能同時是兩者的本徵態。

對位置與動量,陳述是 sigma_x sigma_p >= hbar/2,其中 sigma 是測量結果在一相同製備之系綜上的標準差(散布)。一般版本,羅伯森關係(Robertson relation),把任意兩個可觀測量繫到它們的對易子:sigma_A sigma_B >= (1/2)|<[A, B]>|,故位置-動量的下界不過就是 [x, p] = i hbar 的偽裝。更深的原因是傅立葉:在位置上狹窄的波函數在動量上必然寬闊,因為位置與動量波函數互為傅立葉變換,而沒有任何函數能在一個變數及其變換中同時尖銳地局域化。

兩點誠實的澄清。其一,此原理是關於一個量子態內稟散布的陳述——是態如何被製備的性質——而非主要關於測量對系統的擾動(海森堡原始的顯微鏡啟發把兩者混為一談;擾動版本是另一個更細緻的陳述)。其二,能量-時間關係 Delta E Delta t >= hbar/2 性質不同,因為時間是參數而非算符;那裡的 Delta t 意指態發生顯著變化的特徵時間尺度,而不是某個時間可觀測量的不確定量。

把一個電子束縛在原子尺度的區域 Delta x 約 1e-10 m,會迫使動量散布 Delta p >= hbar/(2 Delta x),給出電子伏特量級的動能——正是這種零點運動使電子不至於螺旋墜入原子核。

不確定性不是麻煩,而是原子得以穩定並具有大小的原因。

它(透過對易子)界定的是一個已製備態的內稟散布,與「測量擾動系統」並非同一陳述;能量-時間關係又不相同,因為時間不是算符。

又称
uncertainty relationindeterminacy principle不確定性原理測不準關係