从傅里叶变换导出不确定性原理(海森堡不确定关系)

推导核心在于信号在时域与频域的展宽反比关系；量子力学中位置与动量的傅里叶对偶性。

1. 基本定义

设一个归一化的波函数 ψ(x)描述粒子的位置分布，其傅里叶变换 ψ(p） 描述动量分布（p=hk，其中 k是波数）：

2. 关键数学工具：柯西-施瓦茨不等式

对任意平方可积函数 f(x)f和 g(x)，有：

当且仅当 f(x)与 g(x) 成比例时取等号。

3. 推导步骤

步骤 1：定义辅助函数

步骤 2：计算内积
利用柯西-施瓦茨不等式：

步骤 3：展开左侧积分
左侧积分可展开为：

通过分部积分和波函数边界条件（ψ(x) 在无穷远处趋近于零），化简得到：

步骤 4：计算右侧积分
右侧积分分别为：

步骤 5：代入不等式
将结果代入柯西-施瓦茨不等式：

即 海森堡不确定性原理。
4. 傅里叶变换的作用

动量与位置的傅里叶对偶性
动量波函数 ψ(p)是位置波函数 ψ(x)的傅里叶变换，频域展宽（动量不确定度 σp）与时域展宽（位置不确定度 σx）成反比。

时频不确定性原理的数学本质
傅里叶变换的数学性质表明，一个信号无法同时在时域和频域上无限窄。在量子力学中，这一数学限制被赋予物理意义，成为位置和动量测量的基本限制。

高斯波包的最小不确定性
当波函数 ψ(x)为高斯函数时，其傅里叶变换仍是高斯函数，此时 σxσp=h/2，达到不确定性的下限。

数学根源：傅里叶变换的时频展宽反比关系是基础。

量子化：通过引入动量与波数的关系 p=hk，将数学不等式转换为物理量（σxσp≥h/2）。

测量限制：任何试图精确测量位置的操作（如缩短波包长度）都会导致动量分布展宽，反之亦然。

附注：经典信号处理中的类比

在经典信号分析中，类似的“不确定关系”也存在，例如：

其中 σt是时间展宽，σω是频率展宽。

这与量子力学中的不确定性原理共享同一数学内核。