【量子通信】测不准原理？测不准你咋还有理了？

在宏观世界中，我们观测一个物体的运动状态，无论用仪器还是肉眼，最后得到的观测结果，通常都是连续的。无论是一辆汽车驶过，或是太阳东升西落，我们都可以明确这个物体的两个关键物理量：位置和速度（动量）。

但是，在微观世界里，当我们观测粒子的运动时，无论采用如何精度的观测仪器，得到的观测结果都是离散的。

想象一下，假如量子领域也是一个宇宙的话，那微观世界将是这样一幅场景：“一辆汽车向你开来，下一秒却突然出现在了半空，又过一秒，汽车飞出了大气层，最后一秒，汽车突然出现在你身后把你狠狠的撞飞....”

也就是说，身处微观世界的我们，无法同时测准微观世界里的这辆汽车的位置和速度，这辆汽车会以概率分布的形式离散的出现在这个宇宙的任何一个位置。

这就是著名的我测不准我有理，接下来我们详细的介绍一下这个经典的原理。

什么是测不准原理？

测不准原理（Uncertainty Principle），也被称为海森堡不确定性原理，是量子力学中的一项基本原理，由德国物理学家维尔纳·海森堡于1927年提出。测不准原理表明，在某些对物理量的测量中，无法同时准确确定一粒子的位置和动量（或者说速度）。

具体而言，测不准原理以数学形式表达为：对于一个粒子，如果我们测量其位置，那么它的动量将无法被准确确定；反之，如果我们测量其动量，那么它的位置将无法被准确确定。数学上可表示为：

Δx * Δp >= h/4π

其中，Δx表示位置的不确定度，Δp表示动量的不确定度，h为普朗克常数，π为圆周率。

这意味着，在量子尺度下，存在一种固有的限制，即无法同时获得粒子的位置和动量的完全准确信息。这是由于量子粒子的双重性质，即它们既表现出粒子性（如位置）又表现出波动性（如波长和动量）。当我们试图对其进行测量时，测量装置本身会与粒子相互作用，从而干扰其状态。

测不准原理不仅适用于位置和动量，还适用于其他一些共轭物理量，如时间和能量。它是量子力学中不可避免的基本原理之一，限制了我们对微观世界的观测和测量精度。测不准原理的存在对于我们理解和解释量子世界的行为至关重要。

为什么会存在测不准的情况？

测不准原理的存在是基于量子力学的基本原理和数学表述。以下是一些解释测不准原理存在的观点：

（一）波粒二象性：

当我们尝试测量粒子的位置时，我们将其视为一个粒子，并使用测量设备（如探测器）与粒子相互作用。然而，根据波粒二象性，粒子也可以被视为一个波函数。这意味着在测量位置时，我们实际上与粒子的波函数相互作用，干扰了其位置的确定性。粒子的波函数会展现出干涉和衍射等波动性质，使得我们无法准确确定粒子的位置。

当我们尝试测量粒子的动量时，我们使用测量设备来与粒子进行相互作用。根据波粒二象性，粒子也可以被视为具有特定波长和频率的波。在测量粒子的动量时，我们实际上与粒子的波特性相互作用，干扰了其动量的确定性。这就意味着我们无法同时准确测量粒子的位置和动量。

（二）不可避免的测量干扰：

在量子力学中，测量过程本身会干扰被测粒子的状态。当我们试图测量粒子的位置时，需要使用一些工具或仪器与粒子相互作用，从而改变了粒子的动量。反之，当我们测量粒子的动量时，也会影响其位置。这种测量干扰是量子力学固有的特性，导致了测不准原理的存在。

（三）波函数的性质：

量子力学中的粒子状态用波函数描述。波函数是一种数学对象，它包含了关于粒子位置和动量的概率分布信息。根据量子力学的数学形式，位置和动量不可能同时具有完全确定的值。这是由于波函数的特性和它的数学结构决定的。

总的来说，测不准原理的存在是基于量子力学的基本原理和数学描述，涉及到粒子的波粒二象性、不可避免的测量干扰以及波函数的性质。它表明在量子尺度下，我们无法同时获得粒子位置和动量的完全准确信息，限制了我们对微观世界的观测和测量精度。

爱因斯坦不认可测不准原理

爱因斯坦对量子力学曾经有一个著名的表述，他曾说过："上帝不掷骰子"（God does not play dice）。这个说法反映了他对量子力学中的概率性和随机性的质疑。

这是因为，爱因斯坦一直持有确定论的观点，即相信自然界存在隐藏的变量，决定了物体的属性和行为，使其看起来具有概率性。他对于量子力学中的概率解释持保留态度，并希望找到一种更全面的理论，能够解释量子力学中的现象而不依赖于概率。

然而，量子力学的实验结果和数学形式表明，物理系统在微观尺度下确实表现出了不确定性和概率性的特征。虽然爱因斯坦对于量子力学的发展做出了重要贡献，但他的观点并没有得到广泛接受。不确定性原理和量子力学的概率解释成为了现代物理学的基石，并在实验中得到了多次验证。

测不准真的是因为工具不行吗？

测不准原理并不仅仅是由于测量工具的限制所导致的。虽然测量工具的精确度和灵敏度可以对测量结果产生影响，但测不准原理更深层次地涉及到量子力学的基本性质和测量过程本身的影响。

测不准原理是基于量子力学的观点，它指出在某些情况下，无法同时准确测量一个粒子的位置和动量。这并不是因为现有的测量工具不够精确，而是涉及到量子系统本身的性质。根据测不准原理，粒子的位置和动量在某种程度上具有不确定性，无法同时获得它们的完全准确值。

测不准原理的出现与量子力学的波粒二象性有关。根据波粒二象性，物质粒子既可以表现出粒子性，又可以表现出波动性。当我们试图测量粒子的位置时，我们使用的工具或仪器与粒子相互作用，干扰了粒子的状态，使其无法具有确定的位置。类似地，当我们试图测量粒子的动量时，也会干扰其位置。这种测量干扰是量子系统固有的特性，无法完全消除。

因此，测不准原理不仅仅是由于测量工具的限制，而是由于量子系统的本质特性和测量过程的干扰所导致的。测不准原理反映了量子世界中的固有限制，它是量子力学的基本原理之一，限制了我们对微观世界的观测和测量精度。

测不准原理是如何得到验证的

斯特恩-盖拉赫实验（Stern-Gerlach experiment）是由奥托·斯特恩（Otto Stern）和沃尔夫冈·盖拉赫（Walther Gerlach）于1922年进行的实验，它是量子力学的重要实验证明之一。

实验的目的是研究原子或分子的自旋性质。自旋是微观粒子（如电子）固有的角动量，类似于物体的自转。斯特恩和盖拉赫使用了银原子束作为实验对象，因为银原子具有未成对电子，其自旋对实验结果产生显著影响。

斯特恩-盖拉赫实验的基本步骤如下：

原子源：实验开始时，银原子通过一个热源蒸发器产生。这个蒸发器会产生一个原子束，其中的银原子具有随机的自旋方向。

磁场：在原子束的路径上放置一个非均匀磁场。磁场的梯度意味着磁场在空间中的方向和强度会发生变化。

磁场效应：由于银原子带有电荷，它们会与磁场相互作用。根据经典物理学的预期，银原子在磁场中会受到力的作用而弯曲。然而，实验结果却与经典物理学的预期不符。

分束效应：实验观察到的是原子束的分裂效应。银原子束通过磁场后，在检测屏幕上形成两个或多个离散的斑点，而不是预期的连续分布。

结果解释：实验结果表明，银原子的自旋只能取特定的方向，而不是连续变化。这意味着自旋只能处于离散的状态，如上自旋或下自旋。这个实验验证了自旋的量子性质。

斯特恩-盖拉赫实验的结果推翻了经典物理学的预期，显示了微观世界的量子行为。它证明了自旋的离散性，也为量子力学的发展奠定了基础。这个实验对于量子力学的理论和技术的发展产生了深远的影响。

结束语

在电影《蚁人》中，黄蜂女利用特殊的技术和装备，进入了微观领域，并成功发现了宇宙的秘密，在故事的结尾，黄蜂女成功返回到常规尺度的世界。

现在大家知道了，她能从那样一个完全测不准的世界活着回来，确实不负超级英雄之名啊。

量子力学的奥秘等待着人类进一步的挖掘和探索。我们需要继续开展实验和理论研究，以深入了解量子现象的本质和背后的基本原理。这需要我们持续投入精力、创新思维和国际合作，以解决一系列激动人心的科学难题。

随着技术的不断进步，我们有望开发出更强大的工具和实验设备，能够深入探测和操纵微观世界。同时，我们也需要进一步推动理论的发展，以更好地解释和预测量子系统的行为。

在未来的探索中，我们可能会发现更多令人惊讶和令人着迷的现象，改变我们对宇宙本质的理解。理解量子力学的更深层次将为我们打开新的科学和技术的大门，为人类带来前所未有的进步和发展。

让我们怀着好奇心和探索精神继续追寻量子力学的奥秘。在这个无尽的旅程中，我们可以期待着更多的发现和启示，探索出新的领域，改变我们对世界的认识。无论是在基础科学、量子计算、量子通信还是其他应用领域，量子力学都将持续激发人类的创造力，为我们带来更美妙的未来。

原文始发于微信公众号（利刃信安攻防实验室）：【量子通信】测不准原理？测不准你咋还有理了？