Κατανόηση της αρχής αβεβαιότητας του Heisenberg

Η αρχή αβεβαιότητας του Heisenberg είναι ένας από τους ακρογωνιαίους λίθους του κβαντική φυσική, αλλά συχνά δεν είναι βαθιά κατανοητοί από εκείνους που δεν το έχουν μελετήσει προσεκτικά. Παρόλο που, όπως υποδηλώνει το όνομα, καθορίζεται ένα ορισμένο επίπεδο αβεβαιότητας στα πιο θεμελιώδη επίπεδα η ίδια η φύση, αυτή η αβεβαιότητα εκδηλώνεται με έναν πολύ περιορισμένο τρόπο, οπότε δεν μας επηρεάζει στην καθημερινότητά μας ζωή. Μόνο προσεκτικά κατασκευασμένα πειράματα μπορούν να αποκαλύψουν αυτήν την αρχή στην εργασία.

Το 1927, ο Γερμανός φυσικός Werner Heisenberg έβαλε ό, τι έχει γίνει γνωστό ως Αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg (ή απλά αρχή της αβεβαιότητας ή, μερικές φορές, Αρχή Heisenberg). Ενώ προσπάθησε να οικοδομήσει ένα διαισθητικό μοντέλο κβαντικής φυσικής, ο Heisenberg είχε αποκαλύψει εκεί ήταν ορισμένες θεμελιώδεις σχέσεις που έθεσαν περιορισμούς στο πόσο καλά θα μπορούσαμε να γνωρίζουμε με βεβαιότητα ποσότητες. Συγκεκριμένα, με την πιο απλή εφαρμογή της αρχής:

Όσο πιο συγκεκριμένα γνωρίζετε τη θέση ενός σωματιδίου, τόσο λιγότερο μπορείτε να γνωρίζετε ταυτόχρονα την ορμή του ίδιου σωματιδίου.

instagram viewer

Η αρχή αβεβαιότητας του Heisenberg είναι μια πολύ ακριβής μαθηματική δήλωση σχετικά με τη φύση ενός κβαντικού συστήματος. Σε φυσικούς και μαθηματικούς όρους, περιορίζει τον βαθμό ακρίβειας που μπορούμε ποτέ να μιλάμε για την ύπαρξη ενός συστήματος. Οι ακόλουθες δύο εξισώσεις (επίσης εμφανίζονται, σε πιο όμορφη μορφή, στο γραφικό στην αρχή αυτού του άρθρου), που ονομάζονται σχέσεις αβεβαιότητας του Heisenberg, είναι οι συνηθέστερες εξισώσεις που σχετίζονται με την αβεβαιότητα αρχή:

Εξίσωση 1: δέλτα- Χ * δέλτα- Π είναι ανάλογη προς h-μπαρ
Η εξίσωση 2: δέλτα- μι * δέλτα- t είναι ανάλογη προς h-μπαρ

Τα σύμβολα στις παραπάνω εξισώσεις έχουν την ακόλουθη σημασία:

• h-bar: Ονομάζεται "μειωμένη σταθερά Planck", αυτό έχει την τιμή της σταθεράς Planck διαιρούμενη με 2 * pi.
• δέλτα-Χ: Αυτή είναι η αβεβαιότητα στη θέση ενός αντικειμένου (ας πούμε ενός δεδομένου σωματιδίου).
• δέλτα-Π: Αυτή είναι η αβεβαιότητα στην ορμή ενός αντικειμένου.
• δέλτα-μι: Αυτή είναι η αβεβαιότητα στην ενέργεια ενός αντικειμένου.
• δέλτα-t: Αυτή είναι η αβεβαιότητα στη μέτρηση του χρόνου ενός αντικειμένου.

Από αυτές τις εξισώσεις μπορούμε να πούμε μερικές φυσικές ιδιότητες της αβεβαιότητας μέτρησης του συστήματος με βάση το αντίστοιχο επίπεδο ακρίβειας με τη μέτρηση μας. Αν η αβεβαιότητα σε οποιαδήποτε από αυτές τις μετρήσεις γίνει πολύ μικρή, που αντιστοιχεί σε μια εξαιρετικά ακριβή τότε αυτές οι σχέσεις μας λένε ότι η αντίστοιχη αβεβαιότητα θα πρέπει να αυξηθεί, να διατηρηθεί η αναλογικότητας.

Με άλλα λόγια, δεν μπορούμε ταυτόχρονα να μετρήσουμε και τις δύο ιδιότητες μέσα σε κάθε εξίσωση σε ένα απεριόριστο επίπεδο ακρίβειας. Όσο ακριβέστερα μετράμε τη θέση, τόσο λιγότερο είμαστε σε θέση να μετρήσουμε ταυτόχρονα την ορμή (και αντίστροφα). Όσο ακριβέστερα μετράμε το χρόνο, τόσο λιγότερο είμαστε σε θέση να μετρήσουμε ταυτόχρονα την ενέργεια (και αντίστροφα).

Παρόλο που τα παραπάνω μπορεί να φαίνονται πολύ παράξενα, υπάρχει πραγματικά μια αξιοπρεπή αλληλογραφία με τον τρόπο που μπορούμε να λειτουργήσουμε στον πραγματικό (δηλαδή κλασσικό) κόσμο. Ας πούμε ότι παρακολουθούσαμε ένα αγωνιστικό αυτοκίνητο σε μια διαδρομή και έπρεπε να καταγράψουμε όταν πέρασε μια γραμμή τερματισμού. Πρέπει να μετρήσουμε όχι μόνο τον χρόνο που διασχίζει τη γραμμή τερματισμού, αλλά και την ακριβή ταχύτητα με την οποία το κάνει. Μετράμε την ταχύτητα πιέζοντας ένα κουμπί σε ένα χρονόμετρο τη στιγμή που το βλέπουμε να διασχίζει τη γραμμή τερματισμού και μετράμε την ταχύτητα με κοιτάζοντας μια ψηφιακή ανάγνωση (η οποία δεν συμβαδίζει με την παρακολούθηση του αυτοκινήτου, έτσι πρέπει να γυρίσετε το κεφάλι σας μόλις περάσει το φινίρισμα γραμμή). Σε αυτή την κλασική περίπτωση, υπάρχει σαφώς κάποιος βαθμός αβεβαιότητας γι 'αυτό, επειδή αυτές οι ενέργειες χρειάζονται κάποιο φυσικό χρόνο. Θα δείτε το αυτοκίνητο να αγγίζει τη γραμμή τερματισμού, να πιέσει το κουμπί χρονισμού και να κοιτάξει την ψηφιακή οθόνη. Η φυσική φύση του συστήματος επιβάλλει ένα ορισμένο όριο στο πόσο ακριβές μπορεί να είναι αυτό. Εάν εστιάζετε στην προσπάθεια να παρακολουθήσετε την ταχύτητα, τότε ίσως να είστε εκτός λειτουργίας όταν μετράτε τον ακριβή χρόνο πέρα ​​από τη γραμμή τερματισμού και αντίστροφα.

Όπως συμβαίνει με τις περισσότερες προσπάθειες χρήσης κλασσικών παραδειγμάτων για την επίδειξη της κβαντικής φυσικής συμπεριφοράς, υπάρχουν αδυναμίες με αυτή την αναλογία, αλλά είναι κάπως σχετικές με τη φυσική πραγματικότητα στην εργασία του κβαντικού βασίλειο. Οι σχέσεις αβεβαιότητας εξέρχονται από την κυματοειδής συμπεριφορά των αντικειμένων στην κβαντική κλίμακα και το γεγονός ότι είναι πολύ δύσκολο να μετρήσουμε με ακρίβεια τη φυσική θέση ενός κύματος, ακόμη και στην κλασική περιπτώσεις.

Είναι πολύ σύνηθες για την αρχή της αβεβαιότητας να συγχέεται με το φαινόμενο του φαινόμενο παρατηρητή στην κβαντική φυσική, όπως αυτή που εκδηλώνεται κατά τη διάρκεια της Η γάτα του Schroedinger πείραμα σκέψης. Αυτά είναι στην πραγματικότητα δύο τελείως διαφορετικά ζητήματα της κβαντικής φυσικής, αν και τα δύο φορολογούν την κλασική σκέψη μας. Η αρχή της αβεβαιότητας είναι ουσιαστικά ένας θεμελιώδης περιορισμός της ικανότητας να κάνει ακριβείς δηλώσεις για τη συμπεριφορά ενός κβαντικού συστήματος, ανεξάρτητα από την πραγματική μας πράξη να κάνουμε την παρατήρηση ή όχι. Από την άλλη πλευρά, το φαινόμενο του παρατηρητή συνεπάγεται ότι εάν κάνουμε ένα συγκεκριμένο είδος παρατήρησης, το ίδιο το σύστημα θα συμπεριφερθεί διαφορετικά από ότι θα ήταν χωρίς τη συγκεκριμένη παρατήρηση.

Λόγω του κεντρικού ρόλου της στα θεμέλια της κβαντικής φυσικής, τα περισσότερα βιβλία που διερευνούν την κβαντική σφαίρα θα παράσχουν μια εξήγηση της αρχής της αβεβαιότητας, με διαφορετικά επίπεδα επιτυχίας. Εδώ είναι μερικά από τα βιβλία που το κάνουν το καλύτερο, με αυτή την ταπεινή άποψη του συγγραφέα. Δύο είναι γενικά βιβλία για την κβαντική φυσική στο σύνολό της, ενώ τα άλλα δύο είναι τόσο βιογραφικά όσο επιστημονικά, δίνοντας πραγματικές γνώσεις για τη ζωή και το έργο του Werner Heisenberg:

• Η εκπληκτική ιστορία της κβαντομηχανικής από τον James Kakalios
• Το Κβαντικό Σύμπαν από τον Brian Cox και τον Jeff Forshaw
• Πέρα από την αβεβαιότητα: Heisenberg, Κβαντική Φυσική και η Βόμβα από τον David C. Cassidy
• Αβεβαιότητα: ο Αϊνστάιν, ο Χάϊζενμπεργκ, ο Bohr και ο αγώνας για την ψυχή της επιστήμης από τον David Lindley