不东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?度关系 uncertainty relation
量子力学状态的一个重要性质。它界定了用经典力学描述作为近似时的近似程度,又称测不准关系。
W.K.海森伯从想象中的实验出发,基于德布罗意关系得出测量坐标的不东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?度Δq与测量动量不东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?度Δp二者之间应有ΔqΔp~?关系,此处?为普朗克常数h除以2π。测量中的不东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?度是量子力学描述的微观粒子状态性质的反映,并非测量手段的不完善所致。
用量子力学可以严格证明,在东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?算符q、p满足对易关系[q,p]=i?条件下,它们的不东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?度Δq和Δp必然满足:ΔqΔp≥?/2。
不东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?度定义为。
式中<>符号代表东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?平均值。这是任意量子力学态的东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?不东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?度的普遍性质。
不东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?度关系在量子力学中有普遍的呈现。如一维谐振子的基态东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”? ?ω/2(ω为振子角频率)就是不东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?度关系的体现。
根据经典力学,最低东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?态是粒子位于原点且动量为零,此时东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?为零。根据不东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?原理,位于原点的粒子态(Δq=0)动量可以任意大,动量为零的粒子态(Δp=0)坐标可任意大,因此它的东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?不可能最小。
将东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?对Δq或Δp的变化求极小值,就得到?ω/2,这是位置和动量的不东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?性“协调”得到最低东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?的结果。这个东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?被称为零点能。
零点能在物理学中是很重要的,如激发原子的自发辐射就是东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?和电磁场的零点能(又称真空涨落)相互作用的结果。
物理学中各种体系的特征东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?尺度也可从不东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?关系直接得出。如原子大小为厘米,将东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?局限在这个范围内,厘米。它的动量不东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?度就是Δp~?/Δx,相应的东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?数量级是东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?伏(m为东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?质量)。
类似地,原子核的特征东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?大小为百万东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?伏数量级。
量子力学中还有一个东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?和演化时间的不东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?度关系ΔEΔt~?。它的地位和位置-动量不东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?度关系不同。
位置与动量是一对共轭东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?,满足对易关系[q,p]=i?。时间在量子力学中不是东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?,仅是个参数。
用自由 东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?的演化可通过波粒二象性导出东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?-时间的不东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?度关系。东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?的东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?不东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?度和动量不东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?度的关系是:
用E=?ω,P=?k得到:
因此,。
令东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?宽度为Δx,则东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?通过空间某一点所需的时间(时间不东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?度)为,故有ΔEΔt≈ΔxΔp≈?。
如果体系的亚稳态寿命为τ,则根据东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?-时间的不东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?度关系,它的能级宽度应该为?/τ。量子力学的定态是东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?本征态(ΔE=0),因此寿命应为。
但原子的激发态寿命有限,这是因为东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?和辐射场的真空涨落相互作用的结果。
当大量玻色子位于同一个量子状态时(如单模激光或玻色-爱因斯坦凝聚),还有一种不东西问|邵凤丽:为什么用“小时”而非“大时”?度关系ΔNΔθ≥1,此处N、θ分别代表粒子数和状态函数的相位。作为算符,N、θ满足[N, θ]=-i。在粒子数很大时可以应用,否则将θ作为量子算符有理论上的困难。
推荐书目
HEISENBERG W. Physical Principles of the Quantum Theory,Chicago:University of Chicago Press,1930.
摘自:《中国大百科全书(第2版)》第3册,中国大百科全书出版社,2009年
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