海森堡不确定性原理.ppt

海森堡不确定性原理,物理学史吕倞,海森堡,韦纳海森堡（Werner Heisenberg）德国理论物理和原子物理学家、量子力学的创立者，1932年诺贝尔物理学奖获得者，“哥本哈根学派”代表性人物，,主要贡献,他对物理学的主要贡献是给出了量子力学的矩阵形式（矩阵力学），提出了“测不准原理”（又称“不确定性原理”）和S矩阵理论等。他的量子论的物理学基础是量子力学领域的一部经典著作。,韦纳海森堡 - 履历,1901年12月5日生于维尔兹堡； 1923年在慕尼黑大学A.索末菲的指导下获博士学位，同年赴格丁根随尼尔斯.玻尔研究3年； 19271941年任莱比锡大学教授； 19421945年任柏林威廉物理研究所所长； 第二次世界大战后任普朗克物理和天体物理研究所所长； 1976年2月1日卒于慕尼黑。,韦纳海森堡 - 研究,海森堡不确定性原理（Heisenberg uncertainty principle）又名“测不准原理”、“不确定关系”是量子力学的一个基本原理，由德国物理学家海森堡于1927年提出。 该原理表明：一个微观粒子的某些物理量（如位置和动量，或方位角与动量矩，还有时间和能量等），不可能同时具有确定的数值，其中一个量越确定，另一个量的不确定程度就越大。测量一对共轭量的误差的乘积必然大于常数 h/2 （h是普朗克常数），它反映了微观粒子运动的基本规律，是物理学的重要原理。,海森堡不确定性原理 - 历史,1925年6月，维尔纳海森堡发表了论文Quantum-Theoretical Re-interpretation of Kinematic and Mechanical Relations，从而创立了矩阵力学。旧量子论渐渐式微，现代量子力学正式开启。矩阵力学大胆地假设，粒子的量子运动并不明确。在原子里的电子并不是移动于明确的轨道，而是模糊不清，无法直接观察的轨域。其对于时间的傅里叶变换只涉及离散的频率。 海森堡在论文里提出，只有在实验里能够观测到的物理量才有物理意义，才可以用理论描述其物理行为，其它的都是无稽之谈。因此，他避开任何涉及粒子运动轨道的详细计算，例如，粒子随着时间而改变的运动位置。因为，这运动轨道是无法直接观测到的。他专注于研究电子跃迁时，所发射的光的离散频率和强度。他计算出代表位置与动量的无限矩阵。因电子跃迁而产生的发射光波的强度，能够正确地用这些矩阵来预测。,1925年6月，海森堡的上司马克斯玻恩，在阅读了海森堡交给他发表的论文后，发觉了位置与动量无限矩阵有一个很显著的性质，那就是，它们不互相对易，称为正则对易关系。那时，物理学家还没能很清楚地了解这重要的结果。因此，无法给予一个合理的物理诠释。 1926年5 月，海森堡被任聘为哥本哈根大学玻尔理论物理学院（Bohrs Institute） 的讲师，帮尼尔斯玻尔做研究。1927年，海森堡发现了不确定性原理，从而为后来知名的哥本哈根诠释奠定了的坚固的基础。海森堡证明，对易关系可以导引出不确定性，或者，使用玻尔的术语，互补性（complementarity）。 1929年，罗伯森研究出，怎样在一般状况下，从对易关系求出不确定关系式。,海森堡不确定性原理 - 实验认证,不确定性原理是通过一些实验来论证的。设想用一个射线显微镜来观察一个电子的坐标，因为射线显微镜的分辨本领受到波长的限制，所用光的波长越短，显微镜的分辨率越高，从而测定电子坐标不确定的程度q就越小，所以q。但另一方面，光照射到电子，可以看成是光量子和电子的碰撞，波长越短，光量子的动量就越大，所以有p1/。经过一番推理计算，海森伯得出：qp=h/4。,在位置被测定的一瞬，即当光子正被电子偏转时，电子的动量发生一个不连续的变化，因此，在确知电子位置的瞬间，关于它的动量我们就只能知道相应于其不连续变化的大小的程度。于是，位置测定得越准确，动量的测定就越不准确，反之亦然。 海森伯还通过对确定原子磁矩的斯特恩-盖拉赫实验的分析证明，原子穿过偏转所费的时间T越长，能量测量中的不确定性E就越小。再加上德布罗意关系=h/p，海森伯得到ETh，并且作出结论：能量的准确测定如何，只有靠相应的对时间的测不准量才能得到。,海森堡测不准原理也许将被打破,研究人员认为，在不久的未来量子存储器出现之后，利用量子存储器一对纠缠态的粒子能够被同时精确测量位置和动量。,根据发表在自然物理学杂志的一篇论文，研究人员声称一种量子存储器或能打破海森堡测不准原理的限制。研究人员指出，当两个粒子纠缠，对其中一个粒子的一个变量的阅读会导致这对粒子的波函数坍缩，从而给予所有变量有限的值选择。因此，通过利用量子纠缠的过程，使用两个粒子去计算出一个粒子的完整量子态是完全可能的，他们可以测量出不能同时精确测量的位置和动量值。测量也许不是十分精确，但这无疑打破了海森堡测不准原理的限制。,矩阵力学 - 矩阵力学,矩阵力学是海森堡博士提出的主要由海森伯、约尔丹、玻恩、泡利、玻尔发展，他用观察量原子辐射出来的光的频率、强度等，就等于知道了电子在原子中的轨道的模型，以比较简单的线性谐振子作为提出新理论为出发点，按经典力学，任意一个单一的周期性系统，（其坐标可用傅里叶级数展开）用数集坐标（qmk=Amke(imkt)来表示满足原子光谱组合原则. qmkAv与坐标qkn=A相乘可用如下列数集表示：Cmneiwmnt=AmkAkne i（mk+kn）t-mk,kn为下标 或者Cmn =AmkAkn。-mn,mk,kn为下标。这正是代数中的矩阵。所以叫矩阵力学，在矩阵力学中 用量子力学的泊松括号表示量子力学的运动方程，即q=q，H，P=P，H，其中H为量子体系的哈密顿矩阵。,总之，矩阵力学讲的是如下内容 任何物理量都用一个厄密矩阵表示。物理系统的哈密顿量也用一个厄密矩阵表示，并为坐标和动量矩阵的函数。 坐标矩阵X和动量