三观正的读者都点赞了 ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ 编者按:这是该系列第三篇。没有看到前面两篇的可以点击这里和这里。通过这篇,读者可以体会到数学——这种作为描述世界运转规律的精确的语言——是如何在科学领域中发挥作用的。在科学研究中,如果没有用数学来描述规律,都是不严谨的和可疑的。 作者:木遥 | 编辑:爽临 文章依据知识共享 3.0 许可协议获得版权许可 不确定性原理事实上不是一个单独的定理,而是一组定理的统称。基本上,凡是刻划一个信号不能在时空域和频域上同时过于集中的命题都可以称为不确定性原理,由于这里「集中」这一性质可以有不同的数学描述,也就对应着不同的数学定理。但是在所有冠以「不确定性原理」之名的定理中,最著名的当然是海森堡 (W. Heisenberg) 在 1927 年所提出的影响物理学发展至深的那个版本。它精确的数学描述是: 假定一个信号的总能量为 1,则这个信号和它的傅立叶变换的能量的方差之积不小于 。 换言之,两者各自的能量都可能很集中,但是不能同时很集中。如果时空域中能量的方差很小(亦即集中在一起),那么频域上能量的方差就不会太小(亦即必然会弥散开),反之亦然。 对这个定理在量子物理中的意义的详细讨论超出了本文的话题范围,坊间相关的著作已有不少。不过,下面简单罗列了一些相关的历史事实:
有趣的是,即使很多信号处理或者量子力学领域的专家也不知道自己平时所讨论的不确定性原理和对方的其实是一回事。这两者之间的联系也的确并不太显然,一个关注信号的时空和频域分布,一个关注粒子的运动和能量。它们之间的相关性只有从数学公式上才看起来比较明显。在海森堡的时代当然并不存在「信号处理」这一学科,数学家们也只把不确定性原理当作一条纯数学的结论来对待。他们什么时候最先注意到这一定理并不是很清楚。有记录表明维纳 (N. Wiener) 1925 年在哥廷根的一次讲座中提到了类似的结论,但是那次讲座并没有任何纸面材料流存下来。外尔 (H. Weyl) 在 1928 年名为《群论与量子力学》的论著中从数学上证明了这一定理,但他将之归功于泡利的发现。直到 1946 年 D. Gabor 的一篇名为《通讯理论》的经典论文才真正让这个定理以今天信号处理领域的专家们所熟悉的方式流传开来。 正如前面说过的那样,在数学上不确定性原理不仅仅有海森堡这一个版本,而其实是一组定理的统称。譬如哈代 (G. Hardy) 在 1933 年证明了一个和海森堡原理类似的定理,今天一般称为哈代不确定性原理。海森堡和哈代的定理都只约束了信号在时空域和频域的大致分布,而并没有限制它们同时集中在有限大的区域内。M. Benedicks 第一个证明了信号在时空域和频域中确实不能同时集中在有限大的区域内,而这已经是 1974 年的事情了。 科普不易,打赏鼓励 |
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