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(guó)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(jiǎng)獲得者，“哥本哈根學(xué)派”代表性人物，,主要貢獻(xiàn),他對(duì)物理學(xué)的主要貢獻(xiàn)是給出了量子力學(xué)的矩陣形式（矩陣力學(xué)），提出了“測(cè)不準(zhǔn)原理”（又稱“不確定性原理”）和S矩陣?yán)碚摰?。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(zhǎng)； 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(zhǎng)； 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(cè)不準(zhǔn)原理”、“不確定關(guān)系”是量子力學(xué)的一個(gè)基本原理，由德國(guó)物理學(xué)家海森堡于1927年提出。 該原理表明：一個(gè)微觀粒子的某些物理量（如位置和動(dòng)量，或方位角與動(dòng)量矩，還有時(shí)間和能量等），不可能同時(shí)具有確定的數(shù)值，其中一個(gè)量越確定，另一個(gè)量的不確定程度就越大。測(cè)量一對(duì)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(yùn)動(dòng)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(kāi)啟。矩陣力學(xué)大膽地假設(shè)，粒子的量子運(yùn)動(dòng)并不明確。在原子里的電子并不是移動(dòng)于明確的軌道，而是模糊不清，無(wú)法直接觀察的軌域。其對(duì)于時(shí)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(shí)驗(yàn)里能夠觀測(cè)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(wú)稽之談。因此，他避開(kāi)任何涉及粒子運(yùn)動(dòng)軌道的詳細(xì)計(jì)算，例如，粒子隨著時(shí)間而改變的運(yùn)動(dòng)位置。因?yàn)?，這運(yùn)動(dòng)軌道是無(wú)法直接觀測(cè)到的。他專注于研究電子躍遷時(shí)，所發(fā)射的光的離散頻率和強(qiáng)度。他計(jì)算出代表位置與動(dòng)量的無(wú)限矩陣。因電子躍遷而產(chǎn)生的發(fā)射光波的強(qiáng)度，能夠正確地用這些矩陣來(lái)預(yù)測(cè)。,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(jué)了位置與動(dòng)量無(wú)限矩陣有一個(gè)很顯著的性質(zhì)，那就是，它們不互相對(duì)易，稱為正則對(duì)易關(guān)系。那時(shí)，物理學(xué)家還沒(méi)能很清楚地了解這重要的結(jié)果。因此，無(wú)法給予一個(gè)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(lái)知名的哥本哈根詮釋奠定了的堅(jiān)固的基礎(chǔ)。海森堡證明，對(duì)易關(guān)系可以導(dǎo)引出不確定性，或者，使用玻爾的術(shù)語(yǔ)，互補(bǔ)性（complementarity）。 1929年，羅伯森研究出，怎樣在一般狀況下，從對(duì)易關(guān)系求出不確定關(guān)系式。,海森堡不確定性原理 - 實(shí)驗(yàn)認(rèn)證,不確定性原理是通過(guò)一些實(shí)驗(yàn)來(lái)論證的。設(shè)想用一個(gè)射線顯微鏡來(lái)觀察一個(gè)電子的坐標(biāo)，因?yàn)樯渚€顯微鏡的分辨本領(lǐng)受到波長(zhǎng)的限制，所用光的波長(zhǎng)越短，顯微鏡的分辨率越高，從而測(cè)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(zhǎng)越短，光量子的動(dòng)量就越大，所以有p1/。經(jīng)過(guò)一番推理計(jì)算，海森伯得出：qp=h/4。,在位置被測(cè)定的一瞬，即當(dāng)光子正被電子偏轉(zhuǎn)時(shí)，電子的動(dòng)量發(fā)生一個(gè)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(dòng)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(cè)定得越準(zhǔn)確，動(dòng)量的測(cè)定就越不準(zhǔn)確，反之亦然。 海森伯還通過(guò)對(duì)確定原子磁矩的斯特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)的分析證明，原子穿過(guò)偏轉(zhuǎn)所費(fèi)的時(shí)間T越長(zhǎng)，能量測(cè)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(cè)定如何，只有靠相應(yīng)的對(duì)時(shí)間的測(cè)不準(zhǔn)量才能得到。,海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理也許將被打破,研究人員認(rèn)為，在不久的未來(lái)量子存儲(chǔ)器出現(xiàn)之后，利用量子存儲(chǔ)器一對(duì)糾纏態(tài)的粒子能夠被同時(shí)精確測(cè)量位置和動(dòng)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(chǔ)器或能打破海森堡測(cè)不準(zhǔn)原理的限制。研究人員指出，當(dāng)兩個(gè)粒子糾纏，對(duì)其中一個(gè)粒子的一個(gè)變量的閱讀會(huì)導(dǎo)致這對(duì)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(guò)利用量子糾纏的過(guò)程，使用兩個(gè)粒子去計(jì)算出一個(gè)粒子的完整量子態(tài)是完全可能的，他們可以測(cè)量出不能同時(shí)精確測(cè)量的位置和動(dòng)量值。測(cè)量也許不是十分精確，但這無(wú)疑打破了海森堡測(cè)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(lái)的光的頻率、強(qiáng)度等，就等于知道了電子在原子中的軌道的模型，以比較簡(jiǎn)單的線性諧振子作為提出新理論為出發(fā)點(diǎn)，按經(jīng)典力學(xué)，任意一個(gè)單一的周期性系統(tǒng)，（其坐標(biāo)可用傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)）用數(shù)集坐標(biāo)（qmk=Amke(imkt)來(lái)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(hào)表示量子力學(xué)的運(yùn)動(dòng)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(gè)厄密矩陣表示。物理系統(tǒng)的哈密頓量也用一個(gè)厄密矩陣表示，并為坐標(biāo)和動(dòng)量矩陣的函數(shù)。 坐標(biāo)矩陣X和動(dòng)量