本帖最后由 史錦順 于 2015-1-16 12:12 編輯
“不確定度”與“不確定性原理”無關(guān)
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史錦順
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本欄目有《從測不準(zhǔn)原理到測量不確定度》一文(原載《中國計量》 1999年11期)。對此,筆者回帖評論說:
炮制并推行不確定度論的GUM、VIM的各種版本,都沒提到過海森堡的“不確定性原理”(舊譯“測不準(zhǔn)關(guān)系”)。就是說,洋人們知道:測量不確定度與量子理論的“不確定性原理”毫無關(guān)系。測量的問題,本來是認(rèn)識之差,或者是被測量的變化,叫“識差”或“變差”甚至叫“表達(dá)差”,都是可以的。為什么叫“測量不確定度”呢?我認(rèn)為,這是一種手段,是“狐假虎威”。似是而非地叫個“測量不確定度”,就和那毫不相干的“不確定性原理”或“測不準(zhǔn)關(guān)系”,從名稱上,拉上了關(guān)系。于是就起到一種“神秘化”、“嚇唬人”、“不能質(zhì)疑”的作用。艾恩哈特的想法難考究(個人學(xué)術(shù)觀點無所謂),而1993年正規(guī)推行改造后的不確定度論,我認(rèn)為主要手段就是“狐假虎威”。
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我國的劉智敏先生(計量院研究員,國際不確定度工作組中國成員),在書中,首先把“測量不確定度”與“不確定性原理”聯(lián)系起來。后來看到王新的文章,專講這個本不存在的關(guān)系。于是,洋人的“狐假虎威”,中國人卻演繹為“指狐為虎”。
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我這里進(jìn)言:沒學(xué)過量子理論的先生們,不要再瞎講“測量不確定度”與“不確定性原理”有關(guān)系了。它們是風(fēng)牛馬不相及,毫無關(guān)系。倘有人再這樣說,那就是“為虎作倀”了。因為這是害人的胡說!
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緊接著njlyx發(fā)言。njlyx先生的帖中,第一句說:某些國際計量基準(zhǔn)的“不確定度”(“準(zhǔn)確度”)“評估”或可能與量子理論的“測不準(zhǔn)原理”扯上點關(guān)系?第二句說:基準(zhǔn)以下的實用測試計量似乎真的扯不上什么“測不準(zhǔn)原理”。
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看來,我說“不確定度與不確定性原理毫無關(guān)系”,njlyx先生是心存疑慮的。我可以有把握地告訴先生,您的第二句是對的,還要把“似乎真的”改為“肯定”,就是說,通常的測量計量與不確定性原理(舊譯“測不準(zhǔn)關(guān)系”)肯定沒有關(guān)系。
那么,基準(zhǔn)的準(zhǔn)確度(有些稱不確定度)與“不確定性原理”是不是有關(guān)系呢?我這里負(fù)責(zé)地告訴先生:沒有關(guān)系。問:老史你有什么資格,又有什么根據(jù),敢如此肯定地回答這個通常人們不敢碰的問題呢?老史答曰:我的資格與根據(jù)如下。
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1 我學(xué)過量子理論。
我于1956年考入北大物理系,是正規(guī)學(xué)過“量子力學(xué)”的。曾謹(jǐn)言講大課,每周四節(jié),另有習(xí)題課每周兩節(jié),課時一年。該課與理論力學(xué)(高崇壽講)、熱力學(xué)與統(tǒng)計物理(王竹溪講)、電動力學(xué)(曹昌琪講,包括狹義相對論)、固體物理(黃昆講),是當(dāng)時北大物理四個系(包括1953年并入的清華大學(xué)物理系)的物理類五大公共課,五大名課。(此前有物理基礎(chǔ)課《普通物理》。)
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2 我用過量子理論。
在中國計量科學(xué)研究院,1970年前后,我參加大銫鐘(NIM1)研制三年,是總體組成員,負(fù)責(zé)頻譜誤差的分析,指出美國人的錯誤,并提出分區(qū)計算的頻譜誤差公式。1978年前后,在27所從事小銫鐘研制五年,負(fù)責(zé)腔體的設(shè)計與測量(前期是研制晶振)。
在以上的大小銫鐘的研制中,主要的理論基礎(chǔ)是量子理論。我在理論方面的工作是:完整地推導(dǎo)出拉姆齊躍遷公式(被北大王慶吉教授編入《量子頻標(biāo)原理》講義,占7頁),并分區(qū)簡化為線性公式與半圓公式,方便了工程中的分析與運用。用數(shù)值差分法,得到拉姆齊躍遷曲線的最大斜率,從而給出頻譜誤差的最大值。
銫原子鐘研制與不確定性原理有沒有關(guān)系,我是知情者。
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3 單獨測量一個量,沒有準(zhǔn)確度門限。
不確定性原理的發(fā)現(xiàn)者海森堡說:“同時測量兩個量,才有不確定性的問題,單獨測量一個量沒有準(zhǔn)確度門限”(見附錄)。
測量計量學(xué)領(lǐng)域,都是單獨測量一個量,因此沒有準(zhǔn)確度門限。對任何一個量,單獨測量時,沒有測量準(zhǔn)確度的限制。這就等于說:單獨測量任何一個量,誤差范圍的極限是零。
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4 基準(zhǔn)的研制與指標(biāo)同“不確定性原理”沒關(guān)系。
當(dāng)代的基準(zhǔn),已經(jīng)或逐步采用微觀的自然現(xiàn)象與規(guī)律,因此量子理論是研制基準(zhǔn)的基礎(chǔ)。但基于量子理論的自然基準(zhǔn),卻與量子物理的“不確定性原理”沒有關(guān)系。因為不確定性原理起作用的條件,極為苛刻:第一,必須是兩個量同時測量;第二,兩個量有復(fù)共軛關(guān)系;第三,二量乘積的量綱必須與普朗克常量有相同的量綱,即焦耳.秒=kg.m^2 / s . 科學(xué)家們找到的滿足條件的三對量是:1 時間與能量;2 動量與位移;3 角動量與角位移。可見不確定性原理起作用的范圍極小。一項基準(zhǔn)是一類量的最高標(biāo)準(zhǔn),不是兩個量同時測量,因此任何基準(zhǔn)都與“不確定性原理”沒有關(guān)系。
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5 銫基準(zhǔn)與“不確定性原理”無關(guān)。
中國的噴泉式銫基準(zhǔn),(不)準(zhǔn)確度已達(dá)2E-15,美國的噴泉式銫基準(zhǔn)不準(zhǔn)確度(inaccuracy)達(dá)1E-16,從來都不提“不確定性原理”的事。因為根本就沒關(guān)系。
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中國國家計量院的噴泉式銫基準(zhǔn),2007年獲得國家科技進(jìn)步一等獎,理由是準(zhǔn)確度高(不提不確定度),研制負(fù)責(zé)人是李天初院士。而管指標(biāo)提法方面工作的是反不確定度論的名家馬鳳鳴。就國家法規(guī)來說,符合《JJF1180-2007》關(guān)于準(zhǔn)確度的定義,就國際同行來說,與美國NIST-F2的指標(biāo)提法一致。為什么全世界對最高的銫基準(zhǔn),包括中、美、英、加拿大等國都不提“不確定性原理”?因為“不確定性原理”是同時測量兩個量(又只有三對)的規(guī)律。而計量測量都是單獨測量一個量,故計量測量與“不確定性原理”沒有關(guān)系。
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6 量子化霍爾效應(yīng)電阻標(biāo)準(zhǔn)與“不確定性原理”無關(guān)。
國家計量院的另一位院士是研究量子化霍爾效應(yīng)建立電阻標(biāo)準(zhǔn)的張鐘華。政協(xié)會上,他對記者的談話(科技報,前年我在本網(wǎng)引過全文),多次提到指標(biāo),都是“準(zhǔn)確度”,而不說“不確定度”。就是說明“不確定性原理”與張院士的量子化標(biāo)準(zhǔn)研究無關(guān)。不僅不提“不確定性原理”,連“不確定度”這個似是而非的詞都回避。
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附錄
海森堡不確定性原理不限制單一測量的準(zhǔn)確度。
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原文
uncertainty principle physical principle, enunciated by Werner Heisenberg in 1927, that places an absolute, theoretical limit on the combined accuracy of certain pairs of simultaneous, related measurements. The accuracy of a measurement is given by the uncertainty in the result; if the measurement is exact, the uncertainty is zero. According to the uncertainty principle, the mathematical product of the combined uncertainties of simultaneous measurements of position and momentum in a given direction cannot be less than Planck's constant h divided by 4π. The principle also limits the accuracies of simultaneous measurements of energy and of the time required to make the energy measurement. The value of Planck's constant is extremely small, so that the effect of the limitations imposed by the uncertainty principle are not noticeable on the large scale of ordinary measurements; however, on the scale of atoms and elementary particles the effect of the uncertainty principle is very important. Because of the uncertainties existing at this level, a picture of the submicroscopic world emerges as one of statistical probabilities rather than measurable certainties. On the large scale it is still possible to speak of causality in a framework described in terms of space and time; on the atomic scale this is not possible. Such a description would require exact measurements of such quantities as position, speed, energy, and time, and these quantities cannot be measured exactly because of the uncertainty principle. It does not limit the accuracy of single measurements, of nonsimultaneous measurements, or of simultaneous measurements of pairs of quantities other than those specifically restricted by the principle. Even so, its restrictions are sufficient to prevent scientists from being able to make absolute predictions about future states of the system being studied. The uncertainty principle has been elevated by some thinkers to the status of a philosophical principle, called the principle of indeterminacy, which has been taken by some to limit causality in general. See quantum theory .
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譯文
物理理論不確定性原理,由海森堡于1927年闡明。指明同時測量某些測量對時,綜合準(zhǔn)確度的限制。測量的準(zhǔn)確度由測量結(jié)果的不確定度給定。如果測量是精確的,則不確定度為零。 根據(jù)不確定性原理,同時測量位置和給定方向的動量時,合成不確定度之積,不能小于普朗克常數(shù)除以4π。此原理還限制同時測量能量與測量能量所需時間的測量準(zhǔn)確度。普朗克常數(shù)特別小,在宏觀世界中,對通常測量,不確定性原理的限制效應(yīng)不顯現(xiàn);而對原子和粒子的尺度,不確定性原理的限制效應(yīng)非常重要。由于此場合不確定性的存在,亞微觀世界的顯現(xiàn)為統(tǒng)計,而非必然可測。大尺度中,在時空所描述的框架中,談因果關(guān)系是可以的;在原子世界,這是不可能的。這種描述要求諸如位置,速度,能量以及時間的精確測量,而由于不確定性原理,這些量不能精確測量。不限制單一測量的準(zhǔn)確度,也不限制非同時測量的準(zhǔn)確度,非不確定原理要求的成對的量,同時測量也不限制準(zhǔn)確度。即使如此,科學(xué)做出所研究的系統(tǒng)的關(guān)于未來狀態(tài)的絕對預(yù)言,它的限制是充足的。不確定性原理被一些思想家引申去研究哲學(xué),稱為模糊原理,被用于限制通常的因果關(guān)系。見量子理論。
Bibliography: See W. Heisenberg, The Physical Principles of the Quantum Theory (tr. 1949); D. Lindley, Uncertainty (2007).
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