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量子物理的概率

Fred_He
2018-02-06 10:56:18

在科学思想的最初 2000 年左右,理论解释基于通常的经验和直觉之上。随着我们改善技术,扩展可观测的现象范围,我们开始发现自然行为的方式和我们的日常经验越来越不一致,例如巴基球试验,只能通过量子物理来描述。

在发现牛顿理论不足以描述在原子和亚原子水平上的自然之后,20 世纪的前期发展了量子物理的原理。牛顿的经典理论是在反映日常经验的框架的基础上建立的。物体在其中具有单独的存在,处于确定的位置,遵循确定的路径等。量子物理为理解自然在原子和亚原子尺度下的运行提供框架,它要求完全不同的概念纲要,在那里物体的位置、路径甚至过去和未来都不能被精密确定。

我们以及我们周围是由多得无法想象的原子组成的复合结构,作为组成部分的原子服从量子物理原理,而牛顿定律很好的近似描述由那些量子成分构成的宏观物体的行为方式。

量子物理的一个主要原理是1926年由海森堡表述的不确定性原理,即测不准原理。它告诉我们,我们同时测量某些相关数据的能力是有限的,比如在测量一个粒子的位置和速度时就是这样,也就是说,你把速度测量得越精确,你就只能把位置测量得越不精确,反之亦然。例如,如果你要把位置的不确定性减半,你就不得不

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在科学思想的最初 2000 年左右,理论解释基于通常的经验和直觉之上。随着我们改善技术,扩展可观测的现象范围,我们开始发现自然行为的方式和我们的日常经验越来越不一致,例如巴基球试验,只能通过量子物理来描述。

在发现牛顿理论不足以描述在原子和亚原子水平上的自然之后,20 世纪的前期发展了量子物理的原理。牛顿的经典理论是在反映日常经验的框架的基础上建立的。物体在其中具有单独的存在,处于确定的位置,遵循确定的路径等。量子物理为理解自然在原子和亚原子尺度下的运行提供框架,它要求完全不同的概念纲要,在那里物体的位置、路径甚至过去和未来都不能被精密确定。

我们以及我们周围是由多得无法想象的原子组成的复合结构,作为组成部分的原子服从量子物理原理,而牛顿定律很好的近似描述由那些量子成分构成的宏观物体的行为方式。

量子物理的一个主要原理是1926年由海森堡表述的不确定性原理,即测不准原理。它告诉我们,我们同时测量某些相关数据的能力是有限的,比如在测量一个粒子的位置和速度时就是这样,也就是说,你把速度测量得越精确,你就只能把位置测量得越不精确,反之亦然。例如,如果你要把位置的不确定性减半,你就不得不把速度的不确定性加倍。

按照量子物理,不管我们得到多少信息,也不管我们计算能力有多强,因为物理过程的结果不能无疑地被确定,所以不能无疑地被预言。相反地,在系统的给定初始状态下,自然通过一个根本不确定的过程来确定它的未来状态。换言之,自然允许众多不同的可能结果,每一种结果具有确定的实现的可能性。用爱因斯坦的话说,好像上帝以投骰子来决定每一个物理过程的结果。这个思想使爱因斯坦苦恼,因此尽管他是量子物理的创始人之一,后来却成为其批评者。

量子物理的概率不像日常生活中的概率。例如观察运动员瞄准靶心投掷飞镖累积的弹孔,飞镖落在中心附近的机会最大,随着离开中心概率就减小下来。我们说飞镖具有打到不同点的某一概率,但这只是因为我们对投射条件的知识不完整。如果我们确切地知道运动员投射的方式,其角度、旋转和速度等,那么在原则上,我们就能要多准确就能多准确地预言中镖之处。因此,在日常生活中我们使用概率的说法来描述事件的结果,无关过程的内在性质,只是我们对它某些方面无知的反映。量子理论中的概率是不同的。它们反映了自然中的基本随机性。

量子物理引领我们去接受决定论的新形式:给定系统在某一瞬间的状态,自然定律确定各种将来和过去概率,而非肯定地确定将来和过去。在牛顿理论中,过去被假定是作为明确的事件系列而存在。事实上,给定关于此刻的完备数据,牛顿定律允许我们计算出过去的完整图像。这和我们的直观理解符是一致的, 世界有一明确的过去。也许没有人看到过,但过去确实地存在。量子物理告诉我们,不管我们现在多么彻底地进行观测,不被观测的过去正如将来一样是不确定的,只能作为一连串的概率而存在。根据量子物理,宇宙没有一个单独的过去、单独的历史。

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