海森堡不確定性原理經典解釋被實驗推翻

2012-09-13 10:15:01　來源: 環球科學-科學美國人中文版(北京)　

　　核心提示：一項新實驗證實，對一個量子系統的測量不一定會導致不確定性。研究推翻了大量關於量子世界為何如此不可知的解釋，但可探測的最小尺度的基本極限仍然不變。

　　

　　不確定性原理限制了我們對一個量子系統的了解，但結果的不確定性並不完全是測量行為導致的。（供圖：C·達金/科技圖片圖書館）

　　和學生們所學的相反，旁觀者並不總能感覺到量子不確定性。一項新實驗證實，對一個量子系統的測量不一定會導致不確定性。研究推翻了大量關於量子世界為何如此不可知的解釋，但可探測的最小尺度的基本極限仍然不變。

　　海森堡測不準原理是量子力學的一塊基石。簡單地說，這個原理導致我們對量子世界的探索有一個基本的極限。例如，你越是確定某個粒子的位置，就越不能確定它的動量，反之亦然。這個極限被表述為一個方程，在數學上很容易證明。

　　海森堡有時把測不準原理稱為進行測量的一個難題。他最著名的思想實驗是對一個電子拍照。為了拍攝照片，科學家可能要向電子的表面發射一顆光子。這會暴露電子的位置，但光子也會把能量傳遞給電子，使它發生位移。探測電子的位置會不確定地改變它的速率，而測量行為引發的不確定性足以讓這個原理成立。

　　物理系學生在入門課上仍然在通過學習測量干擾來理解測不準原理，但人們發現這不一定是對的。加拿大多倫多大學的艾弗瑞·斯坦恩博格（AephraimSteinberg）和他的團隊對光子進行了測量，發現測量行為引發的不確定性可能小於海森堡測不準原理的要求。不過，我們對光子性質的整體了解中包含的不確定性仍然高於海森堡原理的下限。

　　巧妙的測量

　　斯坦恩博格的團隊並沒有測量光子的位置和動量，而是兩個不相干的性質：光子的偏振狀態。在這種情況下，在一個面上的偏振本質上是和另一個面上的偏振狀態相互聯繫的，根據海森堡測不準原理，我們對這兩種狀態的確定了解有一個極限。

　　研究者「稍微」測量了光子在一個面上的偏振狀態，這種測量既不會幹擾光子，又足以大致了解它的偏振方向。然後，他們測量了光子在另一個平面上的偏振狀態。最後，他們精確測量了光子在第一次測量的平面上的偏振狀態，看看它是否受到了第二次測量的干擾。

　　多次進行實驗之後，研究者發現測量一個偏振狀態對另一個狀態造成的干擾不一定像測不準原理預言那麼多。在最有利的情況下，干擾是測不準原理所預言的一半。

　　斯坦恩博格說：別太激動——測不準原理還是對的。「最後，你還是無法同時準確得知兩種量子態。」但實驗顯示，測量行為不一定是導致結果不確定的原因。他說：「如果系統中本身就包含了很多不確定性，那測量結果的不確定性不一定全部是測量行為導致的。」

　　最新實驗第二次進行了小於不確定極限的測量。今年早些時候，奧地利的維也納科技大學的一位物理學家長谷川宇治（YujiHasegawa）測量了中子的自旋，結果的不確定性小於假設系統中所有的不確定性都由測量導致的預測結果。

　　但最新的研究成果最清晰地解釋了海森堡原理解釋的錯誤。澳大利亞布里斯班的格里菲斯大學的一位理論物理學家霍華德·維斯曼（HowardWiseman）說：「這是海森堡測量干擾不確定原理的最直接的實驗證明。這很可能對教科書的作者們有用，讓他們知道簡單地把測量和干擾聯繫起來是錯誤的。」

　　不過，要動搖古老的「測量導致不確定」的解釋也許很難。甚至在進行實驗之後，斯坦恩博格仍然在最近留給學生的一份作業中提出了一個測量如何導致不確定的問題。他說：「直到批改作業的時候，我才意識到我的題目是錯的。現在我要小心點了。