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完整写下来就是:
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我们现在将考虑特殊情况,其中钟群的大小Δx远小于距离x。这就是说,我们希望粒子跃到远离其初始领域的地方。在这种情形中,从上一个式子中直接推出的钟不完全抵消的条件是:
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如果你懂一点数学,就能由打开括号项并忽略掉包含(Δx)2的所有项,得到这个结果。这是一个有效的近似,因为之前说过Δx和x相比非常小,而小量的平方是小上加小。
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这个式子就是在X处钟不完全抵消的条件。我们知道,如果在某处,钟不完全抵消,则很有可能会在那里找到粒子。因此我们发现,如果粒子在起初位于大小为Δx的钟群中,只要满足上述方程,则在t时间后,在与钟群相距x的较远位置找到粒子的机会不低。此外,这个距离随时间增加,因为它在式子中要除以t。换句话说,随着时间流逝,在距离初始位置更远处找到粒子的机会增加。这看似就像是粒子正在移动。还要注意到,在很远处找到粒子的机会也会随Δx减小(即随初始位置不确定性的减小)而增加。换句话说,我们将粒子固定得愈准确,它从初始位置移开得就愈快。现在这看起来很像是海森伯的不确定性原理。
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为了最终达成联系,我们来对方程变形。请注意,对于在t时间内离开钟群到达位置X的粒子,它必须跃过距离x。如果你真的在X处测量到粒子,就会自然得出结论,粒子运动的速度是x/t。还有,要记得质量乘以粒子的速度是其动量,所以mx/t就是测得的粒子动量。现在我们可以继续简化前式,得到:
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其中p是动量。这个方程可以变形成:
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pΔx<h
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图4.5:一小群随时间扩大的钟,对应一个初始时在局域而随时间前行离域的粒子。
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而这个式子真的十分重要,值得进一步讨论,因为它看起来非常像海森伯的不确定性原理。
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数学部分暂告一段落,如果你没有用心跟上,应该能从这里重新跟上讨论。
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如果一个粒子从一个局域在大小为Δx的斑点内出发,则根据刚刚发现的结果,在一段时间后,粒子可以在大小为x的更大斑点内的任何位置被找到。图4.5描述的正是这种情形。精确地说,这意味着如果我们在刚开始时寻找粒子,则我们在内侧斑点内部找到的机会较大。如果没有测量,而是等一会儿,则稍后能在较大斑点内部某处找到它的机会较大。这就是说,粒子可以从初始的小斑点内的某处移动到较大斑点内的某处。它不一定非得移动不可,仍然有一定概率继续留在尺寸为Δx的较小区域中。但是测量很有可能显示,粒子已经移动到了较大斑点的边缘[109]。如果测量证实了这种极限情形,则我们会得出结论,粒子的动量由我们刚刚导出的式子给出(如果你没有跟上数学推导,只要相信这个结果就好),即p=h/Δx。
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现在,我们可以再次从头开始,将一切恢复如初,则粒子再次位于大小为Δx的较小初始斑点中。如果测量粒子,可能发现它位于较大的斑点内部某处,而不是在极限的边缘。我们会得出结论,粒子的动量比极限值小。
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想象我们多次重复这个实验,对于开始时位于大小为Δx的小钟群内部的粒子测量其动量,则我们通常会测得动量p的值在零到极限值h/Δx之间。也就是说“如果你重复多次做这项实验,那么我预测,你测得的动量会在零到h/Δx之间”就意味着“粒子动量的不确定度是h/Δx ”。和位置的不确定度类似,物理学者用符号Δp表示这种不确定度,写作ΔpΔx~h。“~”符号表明,位置和速度的不确定度之积大致等于普朗克常数;有可能大一点或者小一点。更细致的数学推导可以得到严格正确的式子。结果会依赖于初始钟群的细节,但没必要为此额外花时间,因为我们所做的已经足够抓住关键思想。
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粒子位置的不确定性乘以其动量的不确定性,(近似)等于普朗克常数,这句陈述也许是海森伯不确定性原理的最为人所熟悉的形式。它告诉我们,如果我们知道粒子在某个初始时刻位于某个区域,而在稍后时刻对粒子位置进行测量,就会发现粒子此时的动量值不能比“介于零与h/Δx之间的某个值”更准确地被预测。换句话说,如果我们一开始时,把粒子限制在愈来愈小的区域内,那么它就会有一种趋势,要愈来愈远地跃离这个区域。这一点非常重要,值得再三重申:愈是精确地知道粒子在某个瞬间的位置,就会愈不清楚它的运动快慢,因此也就愈不清楚稍后时刻它会在哪里。
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这正是海森伯对不确定原理的陈述。它位于量子理论的核心;但应该要清楚,它本身并不是一条模糊的陈述。它是一条关于我们无法精确追踪粒子的陈述;量子魔法的这种威力并不比牛顿魔法的更大。在前面几页中我们所做的是,从量子物理学的基本规则中推导海森伯不确定性原理;这些规则体现在钟的旋转、收缩和相加里。的确,原理的起源就在于我们的提议认为粒子在测量其位置后,可以位于宇宙中的任何地方。我们最初提出的这条狂野的提议——认为粒子可以处于宇宙中的任何和所有的地方,已经被“量子干涉的狂欢”所驯服;而不确定性原理,在某种意义上,就是起初的无序状态的全部遗存。
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在转到下个话题之前,关于如何诠释不确定性原理,笔者还有一些非常重要的事情要说。我们不能犯这种错误,认为粒子实际上位于某个特定的单一位置,而初始钟的传播,其实是反映了我们理解上的某种局限性。如果这样想,就无法正确地利用不确定性原理做计算;因为如果这样想,我们就不会承认,必须要在初始钟群的每一个可能的位置上取一块钟,依次把它们移到一个遥远的位置X,再把它们全部加起来。正是因为执行下面这种做法才给出了我们的结果,即我们必须假设,粒子通过许多可能路线的叠加,才到达了X。我们将在以后的一些实际例子中,用到海森伯的原理。而现在,我们只用到了一些简单的虚钟操作,就推导出了量子理论的关键结论之一,这着实不错。
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我们来向式子中插入几个数,更好地感受一下。要等多久,沙粒才能有合理的概率跃出火柴盒?我们假设火柴盒边长为3厘米,而沙粒重1毫克。回忆一下,沙粒有合理的概率跃过给定距离的条件是:
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其中Δx是火柴盒的大小。我们来计算,如果想让沙粒跳过x=4厘米,一个超过火柴盒大小的距离,t应该是多少。
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