題:
時間能量不確定性原理中的$ \ Delta t $是多少?
Hobo
2013-02-13 10:36:53 UTC
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在非相對論性質量管理中,時間能量不確定性原理中的$ \ Delta E $是同等準備好的系統$ n $的能量測量集的極限標準偏差,因為$ n $達到無窮大。既然$ t $甚至都不是可觀測的,那麼$ \ Delta t $是什麼意思?

[Baez]的好解釋(http://math.ucr.edu/home/baez/uncertainty.html)
嚴格闡述此問題的第一篇論文是[Mandelstam and Tamm](http://daarb.narod.ru/mandtamm/mt-eng.pdf)。
八 答案:
joshphysics
2013-02-13 11:27:54 UTC
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給出一個具有哈密頓量 $ H $ span>的量子系統。假設系統佔據由漢密爾頓進化確定的純狀態 $ | \ psi(t)\ rangle $ span>。對於任何可觀察的 $ \ Omega $ span>,我們使用速記 $$ \ langle \ Omega \ rangle = \ langle \ psi(t )| \ Omega | \ psi(t)\ rangle。 $$ span>一個可以證明這一點(請參閱Griffiths QM中的等式3.72) $$ \ sigma_H \ sigma_ \ Omega \ geq \ frac {\ hbar} {2} \ left | \ frac {d \ langle \ Omega \ rangle} {dt} \ right | $$ span>其中, $ \ sigma_H $ span>和 $ \ sigma_ \ Omega $ span>是標準偏差 $$ \ sigma_H ^ 2 = \ langle H ^ 2 \ rangle- \ langle H \ rangle ^ 2, \ qquad \ sigma_ \ Omega ^ 2 = \ langle \ Omega ^ 2 \ rangle- \ langle \ Omega \ rangle ^ 2 $$ span>和尖括號表示對 $ |的期望\ psi(t)\ rangle $ span>。因此,如果我們定義 $$ \ Delta E = \ sigma_H,\ qquad \ Delta t = \ frac {\ sigma_ \ Omega} {| d \ langle \ Omega \ rangle / dt |} $$ span>然後我們獲得所需的不確定性關係 $$ \ Delta E \ Delta t \ geq \ frac {\ hbar} {2} $$ span>仍然需要解釋數量 $ \ Delta t $ span>。它告訴您在系統處於純狀態的情況下,可觀察值的期望值更改標準偏差所需的大概時間。為此,請注意,如果 $ \ Delta t $ span>很小,那麼在 $ \ Delta t $ span>,我們有 $$ | \ Delta \ langle \ Omega \ rangle | = \ left | \ int_t ^ {t + \ Delta t} \ frac {d \ langle \ Omega \ rangle} {dt} \,dt \ right | \ approx \ left | \ frac {d \ langle \ Omega \ rangle} {dt} \ Delta t \ right | = \ left | \ frac {d \ langle \ Omega \ rangle} {dt} \ right | \ Delta t = \ sigma_ \ Omega $$ span>

如果可觀察對象的標準偏差本身是時間的函數,會發生什麼?那麼我們不能說期望值改變一個s.d就是期望所花費的時間,因為s.d也是時間的函數。
@user157588當然可以。$ \ Delta t $視時間而定沒有錯。
@joshphysics但您的推理不正確。
AilinwubhqCMT如何?
@joshphysics:因為格里菲斯(Griffiths)說“假設$ Q $並不明確取決於$ t $”(第113頁,1995年版)。
另請注意,在[John Baez的網頁](http://math.ucr.edu/home/baez/uncertainty.html)中出現$$ \ langle [A,H] \ rangle = \ frac {d} {dt}\ langle A \ rangle,$$僅當$ \ langle \ partial A / \ partial t \ rangle = 0 $時才為true。
@Dog_69我說的$ \ Delta t $取決於時間沒有問題時所指的時間相關性不是*不是*來自可觀察的自身的時間相關性。時間依賴性來自於根據Schrodinger演化而發展的狀態,這導致其期望值和標準偏差都依賴於時間。
@joshphysics:哦,是的,您完全正確。我誤會了MO評論。我播種時間依賴於$ A $,我以為他要的是$ \ langle \ partial A \ partial t \ rangle $,但是我錯了。我很抱歉。_Mea culpa_。
@Dog_69根本不是問題。
我認為您已經得出了正確的結果,但這並不是人們提到能源時間不確定性時想到的。相反,後者就像是頻率時間不確定性的結果,並且是其結果。
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我不確定時間不確定性的定義在這裡是如何產生的?我們如何證明可觀察的$ \ Omega $的方差的形式合理?
@joshphysics我認為可以做一個更好的分析?我的意思是不確定性原則通常是關於測量的陳述。但是這裡您使用的是海森堡運動方程式(它依賴於單位進化)...進一步進行積分,但是我們知道測量是不連續的,所以我不確定這是否是一個直觀的定義....請更新根據我的評論你的回答
的說法是\\ Delta t $是否為“ *如果系統處於純狀態,則可觀測值的期望值以標準差更改所需的時間*”是否正確?只要您要進行的線性逼近保持$ \ langle \ Omega \ rangle $的模數變化$ \ sigma_ \ Omega $的時間(通常是非無限小),這是正確的。是否有理由認為這通常是正確的?換句話說,該語句是正確的*假設在這段時間內$ \ partial_t \ langle \ Omega \ rangle $可被視為常量*
@glS注意,您的引號有誤-缺少“大約”。還要注意的是,在最後一行的計算中有一個曲折的等號,以確認您所指的線性化。
@joshphysics我可以看到這是一個近似值。我想知道的是,是否有理由相信這種近似是合理的。如果積分通常不接近其線性化(如果expval因標準偏差而改變的時間很小,則很可能會發生這種情況),那麼我們可以解釋$ \ Delta t $,甚至正如您所說,大約無法成立。也許可以得出這樣的論點,即在$ \ partial_t \ langle \ Omega \ rangle $的假設下,近似值在時間上的變化足夠緩慢。
@glS我同意您必須注意要根據被積物隨時間變化的程度近似程度。由於Mandelstam和Tamm定義了$ \ Delta t $,因此實際上存在對時間能量不確定性原理的這種處理方式,這種方式在解釋中不會出現此類問題-也許我會在這篇文章中添加。同時,您可以在他們的論文中親自了解一下。它在註釋中鏈接到原始問題。
@joshphysics是的,我知道量子速度限制了la mandelstam和tamm及其變體,但是我喜歡這種解釋時間能量不確定性關係的方式,我很好奇是否有一種方法可以在所有情況/點中進行這種解釋。出你可能無法
@joshphysics知道近似中涉及的誤差項是什麼嗎?
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Nikos M.
2014-08-08 06:29:44 UTC
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(考慮)時間-能量不確定性關係(以及可以構建的其他時間-“可觀察”不確定性關係)與規範不確定性關係具有相同的含義>。由時間參數不是並且不是一個可觀測值的規範動力學變量/可觀測值(在哈密爾頓意義上),例如位置和動量,構造的不確定性關係。

。實際上,時間能量不確定性有多種方法和解釋。例如:

  1. 狀態的能量分散($ \ Delta E $)和狀態本身的壽命($ \ Delta t $或$ \ tau_s $)。

    p>
  2. 在此期間可能發生的能量交換($ \ Delta E $)和時間範圍($ \ Delta t $)。

  3. 準確度所需的能量測量($ \ Delta E $)和時間($ \ Delta t $)(儘管對此存在嚴格爭議,請參見下文)

  4. 。上述

  5. ol>

    的其他類似或專門的公式在L. Mandelstam和I. Tamm中,“非相對論量子力學中能量和時間之間的不確定性關係”,《物理學》(蘇聯) )1945年,他們展示瞭如何通過

    $$ \ Delta t = \ tau_A = \ frac {\ Delta A} {d \ left<A \ right> / dt} $$

    時間和時間能量的不確定性在系統的(量子/混合)統計力學中被大量使用,因為它與狀態和轉換的半衰期和生命週期相關(必須找到一些參考)

    對時間-能量不確定性關係的各種表述的分析可以發現:

    Jan Hilgevoord,能量和時間的不確定性原理I

    and

    Jan Hilgevoord,能量和時間II的不確定性原理

    摘要:

    精力和時間不是規範的 不確定性關係,因為它不是由規範的哈密頓變量基於/產生的,而是表示狀態的離散度和壽命。笛卡爾時空$ x,t $(用作參數)和規範位置和動量($ q,p $)是這些參數的函數(但是在某些情況下,例如$ q = x $)

Michael Brown
2013-02-13 11:06:40 UTC
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時間能量的不確定關係與非通勤運營商的不確定關係具有不同的插值和導數。嘗試使用 John Baez進行解釋,但是粗略地講$ \ delta t $衡量的是某些運算符的期望值發生明顯變化所花費的時間。

該鏈接很有用,但這基本上是僅鏈接的答案。 Joshphysics的回答給出了Baez頁面內容的獨立介紹。
pppqqq
2015-12-05 21:57:37 UTC
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除了Joshphysics的準確答案外,我們還要提及另一種解釋(我認為Ben Crowell在他對同一答案的評論中指的是這種解釋)。

有一個基於時間的攝動理論的公式,給出了從初始狀態$ \ lvert i \ rangle $到最終狀態$ \ lvert f \ rangle $的能量躍遷具有能量差$ \ hbar \ omega_ {if} $的概率。該過渡應該由諧波擾動引起:$$ V = \ cal Ve ^ {i \ omega t} + \ cal V ^ \ dagger e ^ {-i \ omega t},$$,公式為,用於吸收,即過渡到更高的能級:$$ P_ {i \ to f}(t; \ omega)= \ dfrac {\ lvert \ cal V _ {fi} \ rvert ^ 2} {\ hbar ^ 2} \ dfrac {\ sin ^ 2(\ frac {\ omega _ {fi}-\ omega} {2} t)} {(\ frac {\ omega _ {fi}-\ omega} {2})^ 2}。$ $

作為固定$ \ omega $的$ t $的函數,小$ t $的概率呈二次方增長,在$ t $達到最大值的情況下,給出如下:$$ \ frac {\ lvert \ omega _ {fi}-\ omega \ rvert} {2} t = \ frac {\ pi} {2},$$即:$$ t \ Delta E = \ frac {h} {2},$$ where $$ \ Delta E = \ lvert E_f -E_i-\ hbar \ omega \ rvert。$$

假設我試圖引起一個原子的兩個能級$ i,f $之間的躍遷發射頻率為\\ omega $的輻射。那麼$ \ Delta t $是交互作用所需長度的順序,以具有一致的過渡概率(請注意,上面的$ P_ {i \ to f} $公式在$ t = t _ {\ text時有意義{max}} $僅在$ | V _ {fi} | \ ll \ Delta E $)時。

我們可以想像固定交互時間$ \ Delta而不是固定$ \ omega $ t $。再次,以上$ P_ {i \ to f} $的公式表示,如果$ \ Delta E \ ll \ frac {h} {\ Delta t} $,我們有一致的概率發生過渡。因此,如果我們希望通過改變$ \ omega $來確定足夠精確的$ E_f -E_i $,並查看過渡是否發生,那麼我們必須有一個較大的$ \ Delta t $。

在這裡,我正在考慮兩個不同級別之間的過渡,並且我假設頻譜在物理意義上是離散的,也就是說,每隔一個級別,$ | E_f'-E_i-(E_f-E_i)| $$ f'$比$ \ hbar \ omega $的實驗不確定性大得多。如果不是這種情況,我們應該考慮過渡到單個最終狀態而不是單個最終狀態。做到這一點的正確方法是費米的黃金法則,在每一本量子力學的好書中都對此進行了討論(參見例如 Sakurai Griffiths,也可以從上述推導得出)公式)。

JKL
2013-02-13 15:22:26 UTC
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到目前為止,已經給出了很好的答案。讓我們從不同的角度來看待它:

想一想兩個電子相互作用非常簡單。這種相互作用通過能量交換進行,我們可以說這是$ \ Delta E $。必須在兩個電子之間交換該能量的時間$ \ Delta T $有一個限制,並且由Heisenberg的不確定性原理決定。交換的能量越高,交換能量所需的時間越短。這是天生的照顧,電子只是做他們必須要做的事情;他們“遵循規則”交換能量。

類似地,自由光子攜帶的能量為$ E = hf $。如果您以$ E \ times T = h $的形式寫它,這也具有海森堡不確定性原理的含義,因為$ f = 1 / T $。光子將在不大於或小於其概率波週期的時間內由光子攜帶一個波長的能量,即\\ lambda = c / f $。正如其他受訪者所提到的,當我們在測量過程中與自然互動時,這也適用。大自然非常熱衷於優化自己的行動,她並不浪費。一個好問題是:為什麼$ h $是如此之小?是什麼決定了它的價值?除了實驗測量之外,我不知道會產生這個數字的任何設施。

Misha
2013-02-13 13:36:45 UTC
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含義與坐標動量不確定性大致相同。除了joshphysics撰寫的內容外,我還要強調一點,與時間相關的Schroedinger方程的平穩解是$ \ vert \ psi \ rangle \ sim e ^ {i \ frac {E} {\ hbar} t} $。如果要測量能量,則應以某種方式及時跟踪波函數的演變。要絕對地測量能量,您應該在無限時間內測量它。如果測量時間有限,則能量不確定。

從技術上講,它更複雜,因為通常$ \ Delta t $不是測量時間,而是您要測量的某些過程結果的時間。但是,主要思想就是這麼簡單。

Cham
2015-12-05 04:27:41 UTC
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這是關係 $ \ Delta t \,\ Delta E \ ge \ frac {\ hbar} {2} $ span>的另一種解釋。

您有一個用拉格朗日 $ L = \ dot {q} \,p-H $ span>描述的經典系統,其中 $ H $ span>是哈密爾頓,應該與時間無關。系統的操作是 \ begin {equation} \ tag {1} S = \ int_ {t_1} ^ {t_2} L \,dt = \ int_ {q_1} ^ {q_2} p \,dq-E \,\ Delta t = S_p + S_E。\ end {equation} span>現在考慮經典路徑的任意變化。然後將動作更改為以下數量(我現在確定第一部分該怎麼做,它應該給出其他海森堡關係: $ \ Delta q \; \ Delta p \ ge \ frac {\ hbar} {2} $ span>): \ begin {equation} \ tag {2} \ delta S_E =-\:\ delta E \ ,\ Delta t。\ end {equation} span> 假定所有變化作用的變化量小於 $ \ frac {\ hbar} {2} $ span>不可觀察 。這類似於統計力學中的相空間的最小像元,為此 $ \ Delta q _ {\ text {min}} \,\ Delta p _ {\ text {min}} \ sim h \ equiv 2 \ pi \ hbar $ span>。因此,對於可觀察的過程,我們有 $ | \,\ delta S_E |。 \ ge \ frac {\ hbar} {2} $ span>,表示關係 \ begin {equation} \ tag {3} \ Delta t \; \ delta E \ ge \ frac {\ hbar} {2}。\ end {equation} span> 在這裡, $ \ Delta t \ equiv t_2-t_1 $ span>只是定義上述動作(1)邊界的時間間隔。這是經典的“普通”時間間隔。 $ \ delta E $ span>是在該時間間隔內相對於經典值可獲得的能量變化量。如果 $ \ Delta t $ span>大,則 $ \ delta E $ span>必須低(只有很小的變化)

此“推導”非常粗糙,當然也不嚴格。

您最後的陳述正是不確定性關係所排除的。因此,這是不正確的。
TMS
2013-02-13 12:08:50 UTC
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除了@Michael的鏈接中提到的內容外,最好的思考方法之一如下:

您花費在測量實驗上的時間越多(因此標準偏差會變小),更精確地說,您將測量該系統的能量。

P.S這種解釋廣泛用於俄語教科書中。

抱歉,我對這種解釋感到困惑。花更多時間測量實驗到底意味著什麼?為了計算標準偏差,我們需要使用相同準備的系統測量可能的不同結果,並找出相應的概率。
確實,受統計誤差支配的實驗確實會看到精度隨時間的提高,但提高了$ 1 / \ sqrt {t} $,而不是提高了$ 1 / t $,在任何情況下都不能歸因於量子力學。這只是解釋不確定性原理的錯誤方法。


該問答將自動從英語翻譯而來。原始內容可在stackexchange上找到,我們感謝它分發的cc by-sa 3.0許可。
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