物理力学小论文

众所周知，1927年3月，海森堡在他的论文《量子理论的运动学和动力学的感性内容》中提出了量子力学的另一个测不准关系。海森堡认为，当科学研究的宏观领域进入微观领域时，测量仪器和研究对象之间就会产生矛盾。在微观世界，对于质量极小的粒子，宏观仪器与微观相反。因此，在微观系统中，微观粒子的位置和动量、时间和能量无法同时用实验手段精确测量。从数学中推导出来，海森堡给出了一个测不准关系:。对于微观粒子来说，一些成对的物理量，这里指的是位置和动量，时间和能量，不可能同时有确定的值。其中一个越确定，另一个就越不确定。所谓测不准关系，主要是由于普朗克常数h，使得量子结果不同于经典结果。如果h为零，对测量没有根本的限制，这是经典观点；如果h很小，动量和位置或能量和时间的关系在宏观情况下仍然可以很精确地同时测量，但在微观情况下却不能同时测量。实验表明，微观系统的未来行为只能由观测结果的概率决定，不确定关系已经被认为是微观粒子的客观特性。

海森堡提出测不准关系后，立即在哥本哈根学派引起强烈反响。泡利欢呼“这是量子力学的曙光”，玻尔试图从哲学上加以概括。1927年9月，玻尔在与意大利科莫举行的国际物理学大会上提出了著名的“互补原理”，用以解释量子现象基本特征的波粒二象性。它认为量子现象的时空坐标、动量守恒定律和能量守恒定律不能同时在同一个实验中表述，只能在互斥的实验条件下体现，不能统一统一，只能用波和粒子这些互斥的经典概念来体现。虽然波和粒子这两个概念是互斥的，但它们在描述量子现象时都是不可或缺的。所以玻尔认为它们是互补的，量子力学是量子现象的终极理论。“互补原理”本质上是一个哲学原理，被称为量子力学的“哥本哈根解释”。20世纪30年代后，它成为量子力学的“正统”解释，波恩称之为“现代科学哲学的巅峰”

1927 10在布鲁塞尔举行的第五届索尔卡物理学大会上，量子力学的哥本哈根解释被许多物理学家接受，但也遭到爱因斯坦等一些人的强烈反对。爱因斯坦为此精心设计了一系列理想实验，企图超越测不准关系的局限来揭露量子力学理论的逻辑矛盾。玻尔、海森堡等人将量子论与相对论相比较，有利地反驳了爱因斯坦。1930年6月第六届索尔卡物理学大会上，爱因斯坦绞尽脑汁，提出了“光子箱”的理想实验。

这对量子力学提出了严峻的挑战。光子箱的结构很简单。一个盒子挂在弹簧秤上，一个类似照相机快门的装置控制着盒子里的光子发射。每次光子发射的时间由快门控制，弹簧可以读取光子发射减少的整个盒子的质量。根据著名的爱因斯坦质能关系，得出光子的能量，所以原则上不存在时间和能量不能同时确定的问题。

据说玻尔看到这个装置时口吐白沫。经过紧急抢救时的输氧和彻夜苦思，玻尔终于对救世主动了心。呵呵，原来是爱因斯坦自己的广义相对论。发射光子后，可以精确测量光子盒的质量减少，但弹簧秤收缩，引力势能减小。根据广义相对论的引力理论，盒子里的钟会变慢，归根结底，时间是不确定的。

这次轮到爱因斯坦吐血三天了。他费尽心思找到的实验，竟然是量子力学测不准关系的绝妙证明，还被玻尔等人公开载入他们的论文。

既然微观状态存在测不准关系，那么宏观状态是否存在测不准关系？我们应该能够得出结论，当然，不确定性是存在的。我们做实验的时候，一旦到了要处理实验数据的时候，就要同时计算相应的不确定度。这是为什么呢？测量结果存在误差，误差自始至终存在于所有的科学实验和测量过程中。任何测量仪器、测量环境、测量方法、观测者都不可能做到绝对严谨，不可避免地会产生测量误差。因此，对测量中可能出现的各种误差进行分析，尽可能地消除其影响，并对测量结果中无法消除的误差进行估计是必不可少的。但是，我们只能尽力减少误差，却无法消除误差。

从上面可以看出，世界上没有什么东西是可以精确测量的。俗话说，世界是辩证统一的，事物是相互影响的，既有相对性，也有绝对性。事物的不确定关系是因为它既是相对的，也是绝对的，而我们通常所说的看似绝对的数据，其实是相对的。在一定时间内，一个物体趋向于某个值的概率是最大的，所以我们称这个值为这段时间内相对准确的值，这样就无法准确测量。事物之间是有相互作用的，所以因为相互作用是具体的，所以是有限的，具有一定的认知意义；而本体是抽象的，所以是无限的，不具有任何确定的认知意义。所以，世界上没有确定性。

参考资料:

张三辉，大学物理清华大学出版社，2000年8月，第二版，34页，35页。

李世本、张力学、王晓峰，《自然科学简明教程》，第一版，浙江大学出版社，2006年2月，68页。

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