真值不存在吗?——二论不确定度论

  史锦顺 ·  2011-04-26 07:42  ·  18405 次点击
**真值不存在吗?——二论不确定度论**
史锦顺
不确定度论刚出世的时候,为了使自己能立足,先对经典测量学的误差理论出狠招:砍老根。你误差论的基点,是物理量有唯一真值;我现在指出唯一真值根本不存在,一镐刨得你树倒楼塌。
请看《国际通用计量学基本名词》,即VIN第一版(1984)
1.18Truevalue(ofaquantity)
Thevaluewhichcharacterizesaquantityperfectlydefined,intheconditionswhichexistwhenthatquantityisconsidered.
NoteThetruevalueofaquantityisanidealconceptand,ingeneral,cannotbeknownexactly.indeed,quantumeffectsmayprecludetheexistenceofauniquetruevalue.
(量的)真值
表征某量在所处的条件下完整地确定的量值。
注量的真值是理想的概念。一般不可能准确知道,实际上,量子效应排除唯一真值的存在。
【史论】上文的译者,是我国计量界的几位资深专家,对照原文。翻译准确无误。我们重点分析最后一句“量子效应排除唯一真值的存在”。这是一句很重的话,如果此话成立,则是对误差理论的致命打击。
人们知道,现代物理学的最重要的、最基本的理论是相对论和量子物理。量子物理又称量子力学,又称量子理论或量子论。不确定度论引用量子理论来攻击误差论,真狠。
引用量子理论,似乎有根有据;其实,这是谎言,或者说是对量子理论的胡乱解释。网上找到两段精彩的文章(网友们在谷歌上打个题目就可找到)。一段是我国著名理论物理学家何祚庥院士写的,另一段引自美国哥伦比亚大百科全书。请看二文。
**“测不准关系”正释(何祚庥)**
(原)编者按:量子力学乃现代物理学两大台柱之一,其数学结论在经过无数的严密实验检验后表明是正确的,并得到了公认。我们熟悉的许多高技术产品如电子计算机、人造卫星、核武器,均离不开它。但是量子力学的不少术语和数学结论的物理意义却是极难理解和接受的,其中“测不准关系”问题又是核心,提出相对论并对量子论的早期发展作出过重大贡献的现代物理学之父爱因斯坦,直到逝世也没有从观念上接受它;而当今许多从事物理研究的人则在理解上也往往出现错误。在此,特请中国科学院学部委员、理论物理研究所研究员何柞庥先生对“测不准关系”作一正释。
“测不准关系”是量子力学的基本内容之—,是微观粒子“波粒二象性”这一特点所导致的必然结果。由于微观粒子具有波动和粒子两重性,所以它并不同时具有确定的坐标和动量;这些量分布在某些平均值的附近,对平均值有一“涨落”。量子力学创始人之一、德国物理学家海森堡首先注意到,坐标涨落与动量涨落的乘积等于一个确定的数(普朗克常数)。
海森堡曾给出两种不同的推导。一种推导是直接来自粒子所具有的“波粒二象性”;另一种推导来自量子力学的数学公式及其几率解释。这两种推导所涉及的,只是粒子本身所具有的特性,而和测量与否无关,更和仪器的具体性能无关。例如按测不准关系,电子将不会固定在氢原子核或质子上,因为这时如果座标涨落为零,那么相应的动量涨落便是无穷大!量子力学之所以能解决卢瑟福的原子行星模型的困难,就是因为这一测不准关系禁止电子停止在原子核或质子上。氢原子的存在至少有100(亿)年的历史,而人类的出现才300万年,至于科学仪器,则只有400年。这就是说,氢原子所具有的上述特性,是与人无关的,更与仪器无关。
对于测不准关系有许多误解,最通常的误解便是认为它是测量过程对微观粒子产生干扰而导致的结果。需要指出的是,测量的确在许多情况下会干扰粒子的原来状态,但并不是必然干扰粒子的原来状态,这要看测量什么物理量,用什么方法去测量。
测量引起干扰的典型一例,是海森堡所讨论过的γ射线显微镜的理想实验。在这一实验中,对电子的位置的精确测量,将引起动量的不确定性,而对动量的精确测量就引起位置的不确定性。但是海森堡这一分析只能说明测量不能超越测不准关系,测量将能发现有测不准关系。至于测不准关系产生的原因,却不能归于测量行为。γ射线显微镜会发现电子必然满足测不准关系,原因就在于光子也满足测不准关系。所以,使用γ射线对电子的位置进行测量,不能期望这一测量能超越测不准关系。
有人认为测量所引起的干扰,将不可避免地导致对测量的精度的限制。这是极大的误解!海森堡就曾明确指出:“测不准关系所讨论的,是在量子理论中同时测量几个不同量的精确度问题。这一关系对单独测定位置或速度的精确性并无限制。所以,认为“干扰”限制了某一物理量的测量精度的无限提高,是错误的。
也许有人要问:测不准关系禁止人们同时并高精度地测出微观粒子的位置和动量,这会不会阻碍人们实现对微观粒子的认识的“完备性”?其实对于量子力学体系来说,只要高精确度地知道粒子在空间的分布,那么通过傅立叶变换就能唯一且高精确度地知道它的动量空间的分布;反之亦然。这就是说,只要知道或者空间分布,或者动量分布,那么此认识已经是完备的指述了。
“测不准关系”的英文名词是UncertaintyPrinciple,直译是“不确定原理”。这里毫无测量引起测不准的意思。由于历史上的误会,在我国却被译为“测不准关系”,有些人望文生义而产生了误解。顺便指出,在德文、俄文的名称中也不具有“测不准”的含义。
第二篇文章说明海森堡不确定性原理不限制单一测量的准确度。
原文uncertainty
uncertaintyprinciplephysicalprinciple,enunciatedbyWernerHeisenbergin1927,thatplacesanabsolute,theoreticallimitonthecombinedaccuracyofcertainpairsofsimultaneous,relatedmeasurements.Theaccuracyofameasurementisgivenbytheuncertaintyintheresult;ifthemeasurementisexact,theuncertaintyiszero.Accordingtotheuncertaintyprinciple,themathematicalproductofthecombineduncertaintiesofsimultaneousmeasurementsofpositionandmomentuminagivendirectioncannotbelessthanPlanck'sconstanthdividedby4π.Theprinciplealsolimitstheaccuraciesofsimultaneousmeasurementsofenergyandofthetimerequiredtomaketheenergymeasurement.ThevalueofPlanck'sconstantisextremelysmall,sothattheeffectofthelimitationsimposedbytheuncertaintyprinciplearenotnoticeableonthelargescaleofordinarymeasurements;however,onthescaleofatomsandelementaryparticlestheeffectoftheuncertaintyprincipleisveryimportant.Becauseoftheuncertaintiesexistingatthislevel,apictureofthesubmicroscopicworldemergesasoneofstatisticalprobabilitiesratherthanmeasurablecertainties.Onthelargescaleitisstillpossibletospeakofcausalityinaframeworkdescribedintermsofspaceandtime;ontheatomicscalethisisnotpossible.Suchadescriptionwouldrequireexactmeasurementsofsuchquantitiesasposition,speed,energy,andtime,andthesequantitiescannotbemeasuredexactlybecauseoftheuncertaintyprinciple.Itdoesnotlimittheaccuracyofsinglemeasurements,ofnonsimultaneousmeasurements,orofsimultaneousmeasurementsofpairsofquantitiesotherthanthosespecificallyrestrictedbytheprinciple.Evenso,itsrestrictionsaresufficienttopreventscientistsfrombeingabletomakeabsolutepredictionsaboutfuturestatesofthesystembeingstudied.Theuncertaintyprinciplehasbeenelevatedbysomethinkerstothestatusofaphilosophicalprinciple,calledtheprincipleofindeterminacy,whichhasbeentakenbysometolimitcausalityingeneral.Seequantumtheory.
译文
物理理论不确定原理,由海森堡于1927年阐明。指明同时测量某些测量对时,综合准确度的限制。测量的准确度由测量结果的不确定度给定。如果测量是精确的,则不确定度为零。根据不确定性原理,同时测量位置和给定方向的动量时,合成不确定度之积,不能小于普朗克常数除以4π。此原理还限制同时测量能量与测量能量所需时间的测量准确度。普朗克常数特别小,在宏观世界中,对通常测量,不确定性原理的限制效应不显现;而对原子和粒子的尺度,不确定性原理的限制效应非常重要。由于此场合不确定性的存在,亚微观世界的显现为统计,而非必然可测。大尺度中,在时空所描述的框架中,谈因果关系是可以的;在原子世界,这是不可能的。这种描述要求诸如位置,速度,能量以及时间的精确测量,而由于不确定性原理,这些量不能精确测量。不限制单一测量的准确度,也不限制非同时测量的准确度,非不确定原理要求的成对的量,同时测量也不限制准确度。即使如此,科学做出所研究的系统的关于未来状态的绝对预言,它的限制是充足的。不确定性原理被一些思想家引申去研究哲学,称为模糊原理,被用于限制通常的因果关系。见量子理论。
Bibliography:SeeW.Heisenberg,ThePhysicalPrinciplesoftheQuantumTheory(tr.1949);D.Lindley,Uncertainty(2007).
**【史论】**
我们引上面二文,主要是两文都有一句话:不确定原理不限制单一测量的准确度。由此,我们可以不受限制地去追求准确。也就是说单一测量的量,有不受限制的准确值。因此我们开头引的VIM的话“量子效应排除唯一真值的存在”是对量子理论的歪曲,是错误的。
量子理论不确定原理限制的是同时测量互有对易关系的二量的准确度,找到的也只有“能量和时间”一对,和“坐标与动量”一对,特别要注意,同时测量才受限制,不同时测量不受限制。
我是搞时间频率计量的,此前搞过七年电子计量。时间(频率)与能量(功率)的计量,不仅不同时,而且不同地,想一起测量都办不到。
本段结论:不确定度论否定真值存在的论断,是错误的。

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