什么是海德堡测不准原理

量子力学中有一个海德堡测不准原理,该原理认为:当观测电子等量子的时候,观测仪器发射的光子就能对量子产生作用,从而影响量子的运动,这样,当对于量子位置的测量越准确的时候对于其动量的测量就越不准确,相反亦然。

海森伯（Werner Heisenberg）教授于1927年在德国最高的学府海德堡大学的一场量子物理学实验，得出一个举世震惊的实验结果，写一篇论文创出了"测不准原理"，海森伯因此得到了1932年的诺贝尔物理学奖。

这场实验结果影响了英国与德国哲学界及社会学界的学术大战，有名的英国哲学大师卡尔波普（Karl Popper）一个人对整个法兰克福学派进行了大辩论，卡尔波普（Karl Popper）认为人类的历史是无法预测的。没有人能否定人类知识对人类历史的发展是有很大影响的。[color=#ff0000]但是知识也是无法被预测的[/color]，例如当我们预测若干年后会发明一套比相对论更伟大的理论出来，并且把理论的内容也预测出来。如果有人作了这个预测，事实上就表示这一套理论知识现在就已经具备了，因此知识是无法被预测的，他主张“[color=#ff0000]凡无法用经验证明的都应加以排斥于科学之外，科学与寻求确定性、或然性或可靠性没有关系，真理是目前还没有发现的东西，我们只有靠不断检验现存的道理，不断试图证明它们的谬误，来取得一点进步”。

不确定性原理

定义

又名“测不准原理”、“不确定关系”,英文"Uncertainty principle"，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/2π （h是普朗克常数）是海森伯在1927年首先提出的，它反映了微观粒子运动的基本规律，是物理学中又一条重要原理。

[编辑本段]理论背景

海森伯在创立矩阵力学时，对形象化的图象采取否定态度。但他在表述中仍然需要使用“坐标”、“速度”之类的词汇，当然这些词汇已经不再等同于经典理论中的那些词汇。可是，究竟应该怎样理解这些词汇新的物理意义呢？海森伯抓住云室实验中观察电子径迹的问题进行思考。他试图用矩阵力学为电子径迹作出数学表述，可是没有成功。这使海森伯陷入困境。他反复考虑，意识到关键在于电子轨道的提法本身有问题。人们看到的径迹并不是电子的真正轨道，而是水滴串形成的雾迹，水滴远比电子大，所以人们也许只能观察到一系列电子的不确定的位置，而不是电子的准确轨道。因此，在量子力学中，一个电子只能以一定的不确定性处于某一位置，同时也只能以一定的不确定性具有某一速度。可以把这些不确定性限制在最小的范围内，但不能等于零。这就是海森伯对不确定性最初的思考。据海森伯晚年回忆，爱因斯坦1926年的一次谈话启发了他。爱因斯坦和海森伯讨论可不可以考虑电子轨道时，曾质问过海森伯：“难道说你是认真相信只有可观察量才应当进入物理理论吗？”对此海森伯答复说：“你处理相对论不正是这样的吗？你曾强调过绝对时间是不许可的，仅仅是因为绝对时间是不能被观察的。”爱因斯坦承认这一点，但是又说：“一个人把实际观察到的东西记在心里，会有启发性帮助的……在原则上试图单靠可观察量来建立理论，那是完全错误的。实际上恰恰相反，是理论决定我们能够观察到的东西……只有理论，即只有关于自然规律的知识，才能使我们从感觉印象推论出基本现象。”

海森伯在1927年的论文一开头就说：“如果谁想要阐明‘一个物体的位置’（例如一个电子的位置）这个短语的意义，那么他就要描述一个能够测量‘电子位置’的实验，否则这个短语就根本没有意义。”海森伯在谈到诸如位置与动量，或能量与时间这样一些正则共轭量的不确定关系时，说：“这种不确定性正是量子力学中出现统计关系的根本原因。”

海森伯测不准原理是通过一些实验来论证的。设想用一个γ射线显微镜来观察一个电子的坐标，因为γ射线显微镜的分辨本领受到波长λ的限制，所用光的波长λ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∝λ。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λ越短，光量子的动量就越大，所以有△p∝1/λ。经过一番推理计算，海森伯得出：△q△p＝h/4π。海森伯写道：“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λ＝h/p，海森伯得到△E△T＜h，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。”

海森伯的测不准原理得到了玻尔的支持，但玻尔不同意他的推理方式，认为他建立测不准关系所用的基本概念有问题。双方发生过激烈的争论。玻尔的观点是测不准关系的基础在于波粒二象性，他说：“这才是问题的核心。”而海森伯说：“我们已经有了一个贯彻一致的数学推理方式，它把观察到的一切告诉了人们。在自然界中没有什么东西是这个数学推理方式不能描述的。”玻尔则说：“完备的物理解释应当绝对地高于数学形式体系。”

玻尔更着重于从哲学上考虑问题。1927年玻尔作了《量子公设和原子理论的新进展》的演讲，提出著名的互补原理。他指出，在物理理论中，平常大家总是认为可以不必干涉所研究的对象，就可以观测该对象，但从量子理论看来却不可能，因为对原子体系的任何观测，都将涉及所观测的对象在观测过程中已经有所改变，因此不可能有单一的定义，平常所谓的因果性不复存在。对经典理论来说是互相排斥的不同性质，在量子理论中却成了互相补充的一些侧面。波粒二象性正是互补性的一个重要表现。测不准原理和其它量子力学结论也可从这里得到解释。

英国物理学家法拉第发明了世界上第一台电动机

爱因斯坦——提出相对论

爱迪生——发明N多，主要是电灯，留声机。

安培——发现电流

贝尔——发明电话

法拉第——发现电磁感应

富兰克林——发现雷电是放电现象

伽利略——发现摆的等时性；发现第一运动定律

焦耳——提出焦耳定律

瓦特——发明蒸汽机

牛顿——第二运动定律

　　实际上，关于物理学史，你没必要背很多，只需知道主要人物和主要贡献即可，主干知识才是重要的，何况死记的东西能反应能力？这与高考初衷不符！但要把历史上重要的、经典的物理实验好好复习，这才是重点，因为每个实验都含有丰富的知识，特别是物理学家当初设计实验的创新意识和巧妙之处值得学习，这是近几年高考的重点和热点，应该注意。还是给你找了一些来：

　　一、力学：

　　1．1638年，意大利物理学家伽利略在《两种新科学的对话》中用科学推理论证重物体不会比轻物体下落得快；他研究自由落体运动程序如下：

　　提出假说：自由落体运动是一种对时间均匀变化的最简单的变速运动；

　　数学推理：由初速度为零、末速度为v的匀变速运动平均速度 和 得出 ；再应用 从上式中消去v，导出 即 。

　　实验验证：由于自由落体下落的时间太短，直接验证有困难，伽利略用铜球在阻力很小的斜面上滚下，上百次实验表明： ；换用不同质量的小球沿同一斜面运动，位移与时间平方的比值不变，说明不同质量的小球沿同一斜面做匀变速直线运动的情况相同；不断增大斜面倾角，重复上述实验，得出该比值随斜面倾角的增大而增大，说明小球做匀变速运动的加速度随斜面倾角的增大而变大。

　　合理外推：把结论外推到斜面倾角为90°的情况，小球的运动成为自由落体，伽利略认为这时小球仍保持匀变速运动的性质。（用外推法得出的结论不一定都正确，还需经过实验验证）

　　注：伽利略对自由落体的研究，开创了研究自然规律的一种科学方法。（回忆理想斜面实验）

　　2．1683年，英国科学家牛顿在《自然哲学的数学原理》著作中提出了三条运动定律。

　　3．17世纪，伽利略通过理想实验法指出：在水平面上运动的物体若没有摩擦，将保持这个速度一直运动下去；同时代的法国物理学家笛卡儿进一步指出：如果没有其它原因，运动物体将继续以同速度沿着一条直线运动，既不会停下来，也不会偏离原来的方向。

　　4．20世纪初建立的量子力学和爱因斯坦提出的狭义相对论表明经典力学不适用于微观粒子和高速运动物体。

　　5．17世纪，德国天文学家开普勒提出开普勒三定律；牛顿于1687年正式发表万有引力定律；1798年英国物理学家卡文迪许利用扭秤装置比较准确地测出了引力常量（体现放大和转换的思想）；1846年，科学家应用万有引力定律，计算并观测到海王星。

　　6．我国宋朝发明的火箭与现代火箭原理相同，但现代火箭结构复杂，其所能达到的最大速度主要取决于喷气速度和质量比（火箭开始飞行的质量与燃料燃尽时的质量比）；多级火箭一般都是三级火箭，我国已成为掌握载人航天技术的第三个国家。

　　7．17世纪荷兰物理学家惠更斯确定了单摆的周期公式。周期是2s的单摆叫秒摆。

　　8．奥地利物理学家多普勒（1803-1853）首先发现由于波源和观察者之间有相对运动，使观察者感到频率发生变化的现象——多普勒效应。（相互接近，f增大；相互远离，f减少）

　　二、热学：

　　1．1827年英国植物学家布朗发现悬浮在水中的花粉微粒不停地做无规则运动的现象——布朗运动。

　　2．19世纪中叶，由德国医生迈尔、英国物理学家焦尔、德国学者亥姆霍兹最后确定能量守恒定律。

　　3．1850年，克劳修斯提出热力学第二定律的定性表述：不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生其他影响，称为克劳修斯表述。次年开尔文提出另一种表述：不可能从单一热源取热，使之完全变为有用的功而不产生其他影响，称为开尔文表述。

　　4．1848年 开尔文提出热力学温标，指出绝对零度（-27315℃）是温度的下限。T=t+27315K

　　热力学第三定律：热力学零度不可达到。

　　三、电磁学：

　　1．1785年法国物理学家库仑利用扭秤实验发现了电荷之间的相互作用规律——库仑定律。（转化）

　　2．1752年，富兰克林在费城通过风筝实验验证闪电是电的一种形式，把天电与地电统一起来，并发明避雷针。

　　3．1826年德国物理学家欧姆（1787-1854）通过实验得出欧姆定律。

　　4．1911年荷兰科学家昂尼斯发现大多数金属在温度降到某一值时，都会出现电阻突然降为零的现象——超导现象。

　　5．1841～1842年 焦耳和楞次先后各自独立发现电流通过导体时产生热效应的规律，称为焦耳——楞次定律。

　　6．1820年，丹麦物理学家奥斯特发现电流可以使周围的磁针偏转的效应，称为电流的磁效应。

　　安培发现两根通有同向电流的平行导线相吸，反向电流的平行导线则相斥；同时提出了安培分子电流假说。

　　荷兰物理学家洛仑兹提出运动电荷产生了磁场和磁场对运动电荷有作用力（洛仑兹力）的观点。

　　7．汤姆生的学生阿斯顿设计的质谱仪可用来测量带电粒子的质量和分析同位素。

　　1932年美国物理学家劳伦兹发明了回旋加速器能在实验室中产生大量的高能粒子。（最大动能仅取决于磁场和D形盒直径。带电粒子圆周运动周期与高频电源的周期相同；但当粒子动能很大，速率接近光速时，根据狭义相对论，粒子质量随速率显著增大，粒子在磁场中的回旋周期发生变化，进一步提高粒子的速率很困难。

　　8．1831年英国物理学家法拉第发现了由磁场产生电流的条件和规律——电磁感应现象；

　　1834年楞次发表确定感应电流方向的定律。

　　9．1832年亨利发现自感现象，即在研究感应电流的同时，发现因电流变化而在电路本身引起感应电动势的现象。日光灯的工作原理即为其应用之一。双绕线法制精密电阻为消除其影响应用之一。

　　10．1864年英国物理学家麦克斯韦发表《电磁场的动力学理论》的论文，提出了电磁场的基本方程组，后称为麦克斯韦方程组，预言了电磁波的存在，指出光是一种电磁波，为光的电磁理论奠定了基础。电磁波是一种横波（注意第二册P243的图）。

　　1887年德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在并测定了电磁波的传播速度等于光速。

　　四、光学：

　　1．公元前468-前376，我国的墨翟及其弟子在《墨经》中记载了光的直线传播、影的形成、光的反射、平面镜和球面镜成像等现象，为世界上最早的光学著作。

　　2．1849年法国物理学家斐索首先在地面上测出了光速，以后又有许多科学家采用了更精密的方法测定光速，如美国物理学家迈克尔逊的旋转棱镜法。（注意其测量方法）

　　3．1621年荷兰数学家斯涅耳找到了入射角与折射角之间的规律——折射定律。

　　4．关于光的本质：17世纪明确地形成了两种学说：一种是牛顿主张的微粒说，认为光是光源发出的一种物质微粒；另一种是荷兰物理学家惠更斯提出的波动说，认为光是在空间传播的某种波。这两种学说都不能解释当时观察到的全部光现象。

　　1801年，英国物理学家托马斯•杨成功地观察到了光的干涉现象

　　1818年，法国科学家菲涅尔和泊松计算并实验观察到光的圆板衍射——泊松亮斑。

　　1864年英国物理学家麦克斯韦预言了电磁波的存在，指出光是一种电磁波，1887年由赫兹证实。

　　1895年，德国物理学家伦琴发现X射线（伦琴射线），并为他夫人的手拍下世界上第一张X射线的人体照片。

　　1900年，德国物理学家普朗克为解释物体热辐射规律提出电磁波的发射和吸收不是连续的，而是一份一份的，把物理学带进了量子世界；受其启发1905年爱因斯坦提出光子说，成功地解释了光电效应规律。（量子力学的说明在第三册P56）

　　1922年，美国物理学家康普顿在研究石墨中的电子对X射线的散射时——康普顿效应，证实了光的粒子性。（说明动量守恒定律和能量守恒定律同时适用于微观粒子）

　　光具有波粒二象性，光是电磁波、概率波、横波（光的偏振说明光是一种横波）。

　　光的电磁说中要注意电磁波谱（第三册P31）,还要注意原子光谱（涉及光谱分析第三册P50）

　　5．1913年，丹麦物理学家玻尔提出了自己的原子结构假说，成功地解释和预言了氢原子的辐射电磁波谱，为量子力学的发展奠定了基础。（明确其局限性）

　　6．1924年，法国物理学家德布罗意大胆预言了实物粒子在一定条件下会表现出波动性；1927年美英两国物理学家得到了电子束在金属晶体上的衍射图案。电子显微镜与光学显微镜相比，衍射现象影响小很多，大大地提高了分辨能力，质子显微镜的分辨本能更高。（第三册P54）

　　五、原子物理学：

　　1．1897年，汤姆生利用阴极射线管发现了电子，说明原子可分，有复杂内部结构，并提出原子的枣糕模型。

　　2．1909年-1911年，英国物理学家卢瑟福和助手们进行了α粒子散射实验，并提出了原子的核式结构模型。由实验结果估计原子核直径数量级为10 -15 m 。

　　3．1896年，法国物理学家贝克勒尔发现天然放射现象，说明原子核也有复杂的内部结构。

　　天然放射现象有两种衰变（α、β），三种射线（α、β、γ），其中γ射线是衰变后新核处于激发态，向低能级跃迁时辐射出的。衰变的快慢（半衰期）与原子所处的物理和化学状态无关。

　　4．1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮核，第一次实现了原子核的人工转变，并发现了质子。

　　预言原子核内还有另一种粒子，被其学生查德威克于1932年在α粒子轰击铍核时发现，由此人们认识到原子核由质子和中子组成。

　　5．1939年12月德国物理学家哈恩和助手斯特拉斯曼用中子轰击铀核时，铀核发生裂变。1942年 在费米、西拉德等人领导下，美国建成第一个裂变反应堆（由浓缩铀棒、控制棒、减速剂、水泥防护层等组成）。

　　6．1952年美国爆炸了世界上第一颗氢弹（聚变反应、热核反应）。人工控制核聚变的一个可能途径是利用强激光产生的高压照射小颗粒核燃料。

　　7．现代粒子物理：

　　1932年发现了正电子，1964年提出夸克模型；

　　粒子分为三大类：媒介子，传递各种相互作用的粒子如光子；

　　轻子，不参与强相互作用的粒子如电子、中微子；

　　强子，参与强相互作用的粒子如质子、中子；强子由更基本的粒子夸克组成，夸克带电量可能为元电荷

带磁矩的磁体在匀强磁场中不受力而受力矩；该力矩使其磁矩m转向外磁场B的方向；

而非均匀磁场就不同了，相当于带磁矩的磁体其N极和S极受到的磁力的大小不一样,所以合力不为零，有沿磁场线方向的力。

因此，斯特恩盖-拉赫实验必须用非均匀磁场才能产生沿磁场线方向的力，才能使得银原子运动方向偏转。而均匀磁场只能产生转动力矩，此力矩不能使银原子运动方向偏转（只能使银原子磁矩m转向外磁场B的方向）。

这是从中摘录部分：“由于非均匀磁场可将不同自旋取值的银原子束分开，因此斯特恩-盖拉赫实验装置可看作是自旋的过滤器，比如沿z方向的非均匀磁场可将和的自旋分开，同样沿x方向的非均匀磁场可将和的自旋分开等等。”http://baikebaiducom/linkurl=E9DkBIUf3dp037GaC829j8_ncG7JA-GaWYqVKdoBDizNLCV3NlDKfWGYs35SmTdPjK6KOwzEUJDLQvXXwbB3La

大学教材关于电子自旋的假设有以下内容：

1乌伦贝克与古兹米特提出自旋假设；

2郎德g因子；

3单电子的g因子表达式；

4施特恩-盖拉赫实验的解释

用于参考,希望有用