Posted By Mr. Thursday
在量子力學 (Quantum Mechanics) 裡面，有個定理叫做「測不準定理」，又稱為「不確定性原理」，英文是 Uncertainty Principle。這個定理是在講些什麼呢？是否是說，我們如果要測量一個東西的長度，拿一把尺，測量的時候因為刻度不夠細會有誤差呢？No No No。那麼是否因為物體會動，尺不會動，所以測不準呢？這樣子只有一部分正確。如果要用很簡單的白話文來說明測不準原理，應該就是：(下面有更正修改過)
譬如說我要測量一本書的長度，如果我把書本固定在桌面上，我就知道測量的尺要往哪邊擺，但是書本在桌面這個小範圍就會移動的非常快速或非常緩慢(動量變化的範圍，也就是動量變化的不確定性增加)，導致我雖然知道書本就在桌面這個範圍裡面，測量的尺卻無法捕捉書本移動的速度。
相反地，如果不限制書本的範圍在一個桌面上面，可以在任何地方，那麼書本的「動量不確定性」(動量可能分部的範圍) 就會變小，動量變化就是質量 (mass) 乘以速度變化 (velocity change) ，這個時候測量的尺如果要追上書移動的速度比較容易，但是卻茫茫然不知道書的「位置」在哪邊了，因為這個時候我們沒有限制書本位置變化範圍在桌面的小範圍內。
因此，「測不準原理」就是敘述物體「位置」和「動量」之間的互補效果 (trade-off) ：位置越確定，動量就越不確定；位置範圍越不確定，動量就越確定。MMDays之前曾經介紹過MIT一位物理教授 Walter Lewin 教學如同表演。MIT開放式課程裡面有這位教授的上課內容錄影，其中量子力學介紹這一堂課就有介紹到測不準原理。各位不妨參考一下裡面介紹的內容。
不過在我們日常生活經驗裡面，測量書本並不是一件難事，這是因為測不準定理是用來描述微觀世界裡面的運動規則，在極小的粒子，像是電子、光子，才能顯現出這個規則的效果。巨觀世界的事物，像是書本、桌子椅子，並不會因此讓測不準原理失效，只不過把巨觀世界的物體的質量代入公式去計算之後，會發現動量的改變，肉眼根本察覺不出來，可能要幾千萬年才會移動一公厘，因此用處就不如在量子力學的範疇裡面來的大。
回顧一下剛才提到的測不準原理：(下面有更正修改過)
上面這段敘述是個「定性」的敘述 (Qualitative)，然而測不準原理是個「定量」的敘述 (Quatitative)，也就是說，位置改變多少，動量會改變多少？成正比還是反比？確切的數字是多少？發明測不準原理的德國物理學家海森堡 (Heisenberg) 提出下面這個定量的公式，這個公式也能解釋在測不準定理發明之前，無法解釋的單狹縫繞射現象。
引用維基百科的敘述：
在定量的公式裡面，位置的變動範圍就用 Δx 代表，動量的變動範圍就用Δp代表，並且是反比的關係，但是相乘後的下界會用普朗克常數來限定。Walter Lewin在課堂上用單狹縫繞涉的例子，可以讓人比較具體的「看到」測不準原理，而光學繞涉上面產生的效果，可以做出定量精確的解釋。有興趣的不妨聽一下這堂課的內容。目前有英文逐字稿。
下面這段USNews介紹Walter Lewin教授的影片也提到，他在上課之前會預演很多次，當天早上6:00還會再預演一次，因此有時間請大家別錯過這麼用心準備的表演課程！
最後談談測不準原理有什麼樣子的用處呢？測不準原理就好像只是一個定理，似乎也沒有什麼應用，就如同太陽從東邊升起一樣？然而科學研究的成果大部分就是這樣子的角色，一種「基礎」(fundamental) 的角色。譬如說牛頓三大運動定律，好像解釋的巨觀世界物體移動的規則，但是沒有這三大定律我們似乎也活的好好的，沒什麼影響。但是當我們發明飛機、發明火箭、甚至要上太空的時候，三大定律就成為一個基礎，讓我們得以「定性」且「定量」地計算需要的燃料，以及各部分的重量，甚至發射的時間等等。因此科學研究的成果，就是一種打基礎的結果，等到需要應用的時候就是不可或缺的部分！測不準原理現在看起來好像也只是解釋狹縫繞射的現象，似乎沒什麼用途。然而現在奈米科技漸漸發展，說不定將來就會有其他奈米光學的應用，測不準原理就是計算相關設計不可或缺的公式呢！
最近有一個光纖大小的胃視鏡發明出來，似乎就是這一類方向的應用，也附上影片給各位參考一下。
在量子力學 (Quantum Mechanics) 裡面，有個定理叫做「測不準定理」，又稱為「不確定性原理」，英文是 Uncertainty Principle。這個定理是在講些什麼呢？是否是說，我們如果要測量一個東西的長度，拿一把尺，測量的時候因為刻度不夠細會有誤差呢？No No No。那麼是否因為物體會動，尺不會動，所以測不準呢？這樣子只有一部分正確。如果要用很簡單的白話文來說明測不準原理，應該就是：(下面有更正修改過)
物體有兩個性質，分別是「位置」和「動量」。
把物體位置的不確定性變小，動量的不確定性就會變大。
物體位置的不確定性變大，動量的不確定性就會變小。
不確定性越大，測量者就無法準確測量。
譬如說我要測量一本書的長度，如果我把書本固定在桌面上，我就知道測量的尺要往哪邊擺，但是書本在桌面這個小範圍就會移動的非常快速或非常緩慢(動量變化的範圍，也就是動量變化的不確定性增加)，導致我雖然知道書本就在桌面這個範圍裡面，測量的尺卻無法捕捉書本移動的速度。
相反地，如果不限制書本的範圍在一個桌面上面，可以在任何地方，那麼書本的「動量不確定性」(動量可能分部的範圍) 就會變小，動量變化就是質量 (mass) 乘以速度變化 (velocity change) ，這個時候測量的尺如果要追上書移動的速度比較容易，但是卻茫茫然不知道書的「位置」在哪邊了，因為這個時候我們沒有限制書本位置變化範圍在桌面的小範圍內。
因此，「測不準原理」就是敘述物體「位置」和「動量」之間的互補效果 (trade-off) ：位置越確定，動量就越不確定；位置範圍越不確定，動量就越確定。MMDays之前曾經介紹過MIT一位物理教授 Walter Lewin 教學如同表演。MIT開放式課程裡面有這位教授的上課內容錄影，其中量子力學介紹這一堂課就有介紹到測不準原理。各位不妨參考一下裡面介紹的內容。
不過在我們日常生活經驗裡面，測量書本並不是一件難事，這是因為測不準定理是用來描述微觀世界裡面的運動規則，在極小的粒子，像是電子、光子，才能顯現出這個規則的效果。巨觀世界的事物，像是書本、桌子椅子，並不會因此讓測不準原理失效，只不過把巨觀世界的物體的質量代入公式去計算之後，會發現動量的改變，肉眼根本察覺不出來，可能要幾千萬年才會移動一公厘，因此用處就不如在量子力學的範疇裡面來的大。
回顧一下剛才提到的測不準原理：(下面有更正修改過)
物體有兩個性質，分別是「位置」和「動量」。
把物體位置的不確定性變小，動量的不確定性就會變大。
物體位置的不確定性變大，動量的不確定性就會變小。
不確定性越大，測量者就無法準確測量。
上面這段敘述是個「定性」的敘述 (Qualitative)，然而測不準原理是個「定量」的敘述 (Quatitative)，也就是說，位置改變多少，動量會改變多少？成正比還是反比？確切的數字是多少？發明測不準原理的德國物理學家海森堡 (Heisenberg) 提出下面這個定量的公式，這個公式也能解釋在測不準定理發明之前，無法解釋的單狹縫繞射現象。
引用維基百科的敘述：
海森堡測不準原理或不確定性說：在一個量子力學系統中，一個粒子的位置和它的動量不可被同時確定。位置的不確定性 Δx 和動量的不確定性 Δp 是不可避免的：
其中
是約化普朗克常數，
在定量的公式裡面，位置的變動範圍就用 Δx 代表，動量的變動範圍就用Δp代表，並且是反比的關係，但是相乘後的下界會用普朗克常數來限定。Walter Lewin在課堂上用單狹縫繞涉的例子，可以讓人比較具體的「看到」測不準原理，而光學繞涉上面產生的效果，可以做出定量精確的解釋。有興趣的不妨聽一下這堂課的內容。目前有英文逐字稿。
下面這段USNews介紹Walter Lewin教授的影片也提到，他在上課之前會預演很多次，當天早上6:00還會再預演一次，因此有時間請大家別錯過這麼用心準備的表演課程！
最後談談測不準原理有什麼樣子的用處呢？測不準原理就好像只是一個定理，似乎也沒有什麼應用，就如同太陽從東邊升起一樣？然而科學研究的成果大部分就是這樣子的角色，一種「基礎」(fundamental) 的角色。譬如說牛頓三大運動定律，好像解釋的巨觀世界物體移動的規則，但是沒有這三大定律我們似乎也活的好好的，沒什麼影響。但是當我們發明飛機、發明火箭、甚至要上太空的時候，三大定律就成為一個基礎，讓我們得以「定性」且「定量」地計算需要的燃料，以及各部分的重量，甚至發射的時間等等。因此科學研究的成果，就是一種打基礎的結果，等到需要應用的時候就是不可或缺的部分！測不準原理現在看起來好像也只是解釋狹縫繞射的現象，似乎沒什麼用途。然而現在奈米科技漸漸發展，說不定將來就會有其他奈米光學的應用，測不準原理就是計算相關設計不可或缺的公式呢！
最近有一個光纖大小的胃視鏡發明出來，似乎就是這一類方向的應用，也附上影片給各位參考一下。
影片2 藥片大小的胃視鏡
- (MIT OCW) Walter Lewin 演講量子力學 (包含英文逐字稿對照)
- (Wikipedia) Uncertainty Principle, 不確定性原理 (測不準原理)
全站熱搜
留言列表
