海森堡不確定性原理.ppt

海森堡不確定性原理,物理學(xué)史呂倞,海森堡,韋納海森堡（Werner Heisenberg）德國理論物理和原子物理學(xué)家、量子力學(xué)的創(chuàng)立者，1932年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者，“哥本哈根學(xué)派”代表性人物，,主要貢獻,他對物理學(xué)的主要貢獻是給出了量子力學(xué)的矩陣形式（矩陣力學(xué)），提出了“測不準(zhǔn)原理”（又稱“不確定性原理”）和S矩陣理論等。他的量子論的物理學(xué)基礎(chǔ)是量子力學(xué)領(lǐng)域的一部經(jīng)典著作。,韋納海森堡 - 履歷,1901年12月5日生于維爾茲堡； 1923年在慕尼黑大學(xué)A.索末菲的指導(dǎo)下獲博士學(xué)位，同年赴格丁根隨尼爾斯.玻爾研究3年； 19271941年任萊比錫大學(xué)教授； 19421945年任柏林威廉物理研究所所長； 第二次世界大戰(zhàn)后任普朗克物理和天體物理研究所所長； 1976年2月1日卒于慕尼黑。,韋納海森堡 - 研究,海森堡不確定性原理（Heisenberg uncertainty principle）又名“測不準(zhǔn)原理”、“不確定關(guān)系”是量子力學(xué)的一個基本原理，由德國物理學(xué)家海森堡于1927年提出。 該原理表明：一個微觀粒子的某些物理量（如位置和動量，或方位角與動量矩，還有時間和能量等），不可能同時具有確定的數(shù)值，其中一個量越確定，另一個量的不確定程度就越大。測量一對共軛量的誤差的乘積必然大于常數(shù) h/2 （h是普朗克常數(shù)），它反映了微觀粒子運動的基本規(guī)律，是物理學(xué)的重要原理。,海森堡不確定性原理 - 歷史,1925年6月，維爾納海森堡發(fā)表了論文Quantum-Theoretical Re-interpretation of Kinematic and Mechanical Relations，從而創(chuàng)立了矩陣力學(xué)。舊量子論漸漸式微，現(xiàn)代量子力學(xué)正式開啟。矩陣力學(xué)大膽地假設(shè)，粒子的量子運動并不明確。在原子里的電子并不是移動于明確的軌道，而是模糊不清，無法直接觀察的軌域。其對于時間的傅里葉變換只涉及離散的頻率。 海森堡在論文里提出，只有在實驗里能夠觀測到的物理量才有物理意義，才可以用理論描述其物理行為，其它的都是無稽之談。因此，他避開任何涉及粒子運動軌道的詳細計算，例如，粒子隨著時間而改變的運動位置。因為，這運動軌道是無法直接觀測到的。他專注于研究電子躍遷時，所發(fā)射的光的離散頻率和強度。他計算出代表位置與動量的無限矩陣。因電子躍遷而產(chǎn)生的發(fā)射光波的強度，能夠正確地用這些矩陣來預(yù)測。,1925年6月，海森堡的上司馬克斯玻恩，在閱讀了海森堡交給他發(fā)表的論文后，發(fā)覺了位置與動量無限矩陣有一個很顯著的性質(zhì)，那就是，它們不互相對易，稱為正則對易關(guān)系。那時，物理學(xué)家還沒能很清楚地了解這重要的結(jié)果。因此，無法給予一個合理的物理詮釋。 1926年5 月，海森堡被任聘為哥本哈根大學(xué)玻爾理論物理學(xué)院（Bohrs Institute） 的講師，幫尼爾斯玻爾做研究。1927年，海森堡發(fā)現(xiàn)了不確定性原理，從而為后來知名的哥本哈根詮釋奠定了的堅固的基礎(chǔ)。海森堡證明，對易關(guān)系可以導(dǎo)引出不確定性，或者，使用玻爾的術(shù)語，互補性（complementarity）。 1929年，羅伯森研究出，怎樣在一般狀況下，從對易關(guān)系求出不確定關(guān)系式。,海森堡不確定性原理 - 實驗認證,不確定性原理是通過一些實驗來論證的。設(shè)想用一個射線顯微鏡來觀察一個電子的坐標(biāo)，因為射線顯微鏡的分辨本領(lǐng)受到波長的限制，所用光的波長越短，顯微鏡的分辨率越高，從而測定電子坐標(biāo)不確定的程度q就越小，所以q。但另一方面，光照射到電子，可以看成是光量子和電子的碰撞，波長越短，光量子的動量就越大，所以有p1/。經(jīng)過一番推理計算，海森伯得出：qp=h/4。,在位置被測定的一瞬，即當(dāng)光子正被電子偏轉(zhuǎn)時，電子的動量發(fā)生一個不連續(xù)的變化，因此，在確知電子位置的瞬間，關(guān)于它的動量我們就只能知道相應(yīng)于其不連續(xù)變化的大小的程度。于是，位置測定得越準(zhǔn)確，動量的測定就越不準(zhǔn)確，反之亦然。 海森伯還通過對確定原子磁矩的斯特恩-蓋拉赫實驗的分析證明，原子穿過偏轉(zhuǎn)所費的時間T越長，能量測量中的不確定性E就越小。再加上德布羅意關(guān)系=h/p，海森伯得到ETh，并且作出結(jié)論：能量的準(zhǔn)確測定如何，只有靠相應(yīng)的對時間的測不準(zhǔn)量才能得到。,海森堡測不準(zhǔn)原理也許將被打破,研究人員認為，在不久的未來量子存儲器出現(xiàn)之后，利用量子存儲器一對糾纏態(tài)的粒子能夠被同時精確測量位置和動量。,根據(jù)發(fā)表在自然物理學(xué)雜志的一篇論文，研究人員聲稱一種量子存儲器或能打破海森堡測不準(zhǔn)原理的限制。研究人員指出，當(dāng)兩個粒子糾纏，對其中一個粒子的一個變量的閱讀會導(dǎo)致這對粒子的波函數(shù)坍縮，從而給予所有變量有限的值選擇。因此，通過利用量子糾纏的過程，使用兩個粒子去計算出一個粒子的完整量子態(tài)是完全可能的，他們可以測量出不能同時精確測量的位置和動量值。測量也許不是十分精確，但這無疑打破了海森堡測不準(zhǔn)原理的限制。,矩陣力學(xué) - 矩陣力學(xué),矩陣力學(xué)是海森堡博士提出的主要由海森伯、約爾丹、玻恩、泡利、玻爾發(fā)展，他用觀察量原子輻射出來的光的頻率、強度等，就等于知道了電子在原子中的軌道的模型，以比較簡單的線性諧振子作為提出新理論為出發(fā)點，按經(jīng)典力學(xué)，任意一個單一的周期性系統(tǒng)，（其坐標(biāo)可用傅里葉級數(shù)展開）用數(shù)集坐標(biāo)（qmk=Amke(imkt)來表示滿足原子光譜組合原則. qmkAv與坐標(biāo)qkn=A相乘可用如下列數(shù)集表示：Cmneiwmnt=AmkAkne i（mk+kn）t-mk,kn為下標(biāo) 或者Cmn =AmkAkn。-mn,mk,kn為下標(biāo)。這正是代數(shù)中的矩陣。所以叫矩陣力學(xué)，在矩陣力學(xué)中 用量子力學(xué)的泊松括號表示量子力學(xué)的運動方程，即q=q，H，P=P，H，其中H為量子體系的哈密頓矩陣。,總之，矩陣力學(xué)講的是如下內(nèi)容 任何物理量都用一個厄密矩陣表示。物理系統(tǒng)的哈密頓量也用一個厄密矩陣表示，并為坐標(biāo)和動量矩陣的函數(shù)。 坐標(biāo)矩陣X和動量