Heisenbergi ebakindluse põhimõtte mõistmine

Heisenbergi ebakindluse põhimõte on üks nurgakive kvantfüüsika, kuid need, kes pole seda hoolikalt uurinud, ei mõista seda sageli sügavalt. Ehkki see määratleb, nagu nimigi ütleb, teatud ebakindluse taseme kõige põhilisematel tasanditel loodus ise, see ebakindlus avaldub väga kitsalt, seega ei mõjuta see meid igapäevaselt elab. Seda põhimõtet saavad tööl paljastada ainult hoolikalt läbi mõeldud katsed.

1927. aastal pani Saksa füüsik Werner Heisenberg välja selle, mis on tuntud kui Heisenbergi määramatuse põhimõte (või lihtsalt määramatuse põhimõte või mõnikord Heisenbergi põhimõte). Proovides ehitada kvantfüüsika intuitiivset mudelit, oli Heisenberg selle seal avastanud olid teatud põhisuhted, mis piirasid seda, kui hästi me oskasime kindlat teada kogused. Täpsemalt põhimõtte kõige sirgjoonelisemal kohaldamisel:

Mida täpsemini teate osakese asukohta, seda vähem täpselt saate üheaegselt teada sama osakese hoogu.

Heisenbergi määramatuse printsiip on kvantsüsteemi olemuse väga täpne matemaatiline avaldus. Füüsikalises ja matemaatilises plaanis piirab see täpsuse astet, millest võime kunagi rääkida, kui mingi süsteem olemas on. Järgmised kaks võrrandit (ilusamal kujul ka käesoleva artikli ülaosas toodud joonisel): mida nimetatakse Heisenbergi määramatussuheteks, on kõige tavalisemad määramatusega seotud võrrandid põhimõte:

Võrrand 1: delta- x * delta- lk on võrdeline h-riba
Võrrand 2: delta- E * delta- t on võrdeline h-riba

Ülaltoodud võrrandite sümbolitel on järgmine tähendus:

• h-riba: nimetatakse "vähendatud Plancki konstandiks", see on Plancki konstandi väärtus jagatud 2 * pi-ga.
• delta-x: See on objekti (näiteks antud osakese) asukoha määramatus.
• delta-lk: See on objekti impulsi määramatus.
• delta-E: See on objekti energia määramatus.
• delta-t: See on objekti aja mõõtmise ebakindlus.

Nendest võrranditest saame teada süsteemi mõõtemääramatuse mõned füüsikalised omadused, mis põhinevad meie mõõtmise täpsustasemel. Kui mõõtemääramatus mõnes neist mõõtmistest muutub väga väikeseks, siis vastab see ülitäpsele Mõõtmine, siis ütlevad need suhted meile, et vastav ebakindlus peaks suurenema, et säilitada proportsionaalsus.

Teisisõnu, me ei saa samaaegselt mõõta mõlemaid omadusi igas võrrandis piiramatu täpsusastmeni. Mida täpsemini mõõdame positsiooni, seda vähem täpselt suudame samaaegselt mõõta ka hoogu (ja vastupidi). Mida täpsemini mõõdame aega, seda vähem täpselt suudame samaaegselt energiat mõõta (ja vastupidi).

Kuigi ülaltoodu võib tunduda väga kummaline, on tegelikult olemas korralik vastavus sellele, kuidas me saame reaalses (st klassikalises) maailmas toimida. Ütleme nii, et jälgisime võistlusautot rajal ja pidime jäädvustama, kui see ületas finišijoone. Peaksime mõõtma mitte ainult finišijoone ületamise aega, vaid ka täpset kiirust, millega ta sellega hakkama saab. Mõõdame kiirust, vajutades stopperi nupule sel hetkel, kui näeme seda ületamas finišijoont ja mõõdame kiirust vaadates digitaalset näitu (mis ei ole kooskõlas auto jälgimisega, nii et peate finiši ületanud pead pöörama, kui see ületab finiši) joon). Sel klassikalisel juhul on selle suhtes ilmselgelt teatav ebakindlus, kuna need toimingud võtavad füüsiliselt aega. Näeme, kuidas auto puudutab finišijoont, vajutab stopperi nuppu ja vaatab digitaalset ekraani. Süsteemi füüsiline olemus seab kindla piirangu sellele, kui täpne see kõik võib olla. Kui keskendute kiiruse jälgimise proovimisele, võib finišijoone täpset aega mõõtes olla pisut eemal ja vastupidi.

Nagu enamiku katsete puhul kasutada kvantfüüsikalise käitumise demonstreerimiseks klassikalisi näiteid, on ka neid selle analoogiaga on puudusi, kuid see on mõnevõrra seotud füüsilises reaalsuses töös kvantis valdkond. Määramatuse seosed väljuvad objektide lainekujulisest käitumisest kvant skaalal ja asjaolu, et laine füüsilist positsiooni on väga raske täpselt mõõta, isegi klassikalises juhtumeid.

On väga tavaline, et määramatuse põhimõte on segane vaatleja efekt kvantfüüsikas, näiteks see, mis avaldub Schroedingeri kass mõtteeksperiment. Need on kvantfüüsikas tegelikult kaks täiesti erinevat küsimust, ehkki mõlemad maksustavad meie klassikalist mõtlemist. Ebakindluspõhimõte on tegelikult täpsete avalduste tegemise põhipiirang kvantsüsteemi käitumise kohta, sõltumata sellest, kas me vaatlust teeme või mitte. Vaatlejafekt tähendab seevastu, et kui me teeme teatud tüüpi vaatlusi, käitub süsteem ise teisiti kui see toimiks ilma selle vaatluseta.

Kuna sellel on keskne roll kvantfüüsika alustalades, pakub enamus kvantvaldkonda uurivaid raamatuid selgituse määramatuse põhimõttele erineva edukusega. Siin on mõned raamatud, mis selle alandliku autori arvates kõige paremini hakkama saavad. Kaks on kvantfüüsika kohta tervikuna käsitlevad üldraamatud, teised kaks on sama biograafilised kui teaduslikud, andes tõelise ülevaate Werner Heisenbergi elust ja tööst:

• Kvantmehaanika hämmastav lugu autor James Kakalios
• Kvantuniversum autorid Brian Cox ja Jeff Forshaw
• Lisaks ebakindlusele: Heisenberg, kvantfüüsika ja David C pomm. Cassidy
• Ebakindlus: Einstein, Heisenberg, Bohr ja võitlus teaduse hinge nimel, autorid David Lindley