Razumevanje Heisenbergovega načela negotovosti

Enačbe, ki predstavljajo Heisenbergova razmerja negotovosti. Andrew Zimmerman Jones

Heisenbergovo načelo negotovosti je eden od temeljev kvantna fizika , vendar ga pogosto ne razumejo globoko tisti, ki ga niso natančno preučili. Čeprav, kot pove že ime, definira določeno stopnjo negotovosti na najbolj temeljnih ravneh same narave, se ta negotovost kaže na zelo omejen način, tako da ne vpliva na nas v vsakdanjem življenju. Samo skrbno izdelani poskusi lahko razkrijejo to načelo na delu.

Leta 1927 je nemški fizik Werner Heisenberg predlagal, kar je postalo znano kot Heisenbergov princip negotovosti (ali samo načelo negotovosti ali včasih, Heisenbergovo načelo ). Medtem ko je Heisenberg poskušal zgraditi intuitivni model kvantne fizike, je odkril, da obstajajo nekatera temeljna razmerja, ki omejujejo, kako dobro lahko poznamo določene količine. Natančneje, pri najpreprostejši uporabi načela:

Bolj natančno kot poznate položaj delca, manj natančno lahko istočasno poznate zagon tega istega delca.

Heisenbergova razmerja negotovosti

Heisenbergovo načelo negotovosti je zelo natančna matematična izjava o naravi kvantnega sistema. V fizičnem in matematičnem smislu omejuje stopnjo natančnosti, o kateri lahko govorimo o sistemu. Naslednji dve enačbi (prikazani tudi v lepši obliki na grafiki na vrhu tega članka), imenovani Heisenbergova razmerja negotovosti, sta najpogostejši enačbi, povezani z načelom negotovosti:

Enačba 1: delta- x * delta- str je sorazmeren z h -bar
Enačba 2: delta- IN * delta- t je sorazmeren z h -bar

Simboli v zgornjih enačbah imajo naslednji pomen:

• h -bar: Imenuje se 'zmanjšana Planckova konstanta' in ima vrednost Planckove konstante, deljeno z 2*pi.
• delta- x : To je negotovost v položaju predmeta (recimo danega delca).
• delta- str : To je negotovost gibalne količine predmeta.
• delta- IN : To je negotovost v energiji predmeta.
• delta- t : To je negotovost pri merjenju časa predmeta.

Iz teh enačb lahko razberemo nekatere fizikalne lastnosti merilne negotovosti sistema na podlagi naše ustrezne ravni natančnosti z našo meritvijo. Če postane negotovost pri kateri koli od teh meritev zelo majhna, kar ustreza izredno natančni meritvi, nam ta razmerja povedo, da bi se morala ustrezna negotovost povečati, da bi ohranili sorazmernost.

Z drugimi besedami, ne moremo istočasno meriti obeh lastnosti znotraj vsake enačbe do neomejene stopnje natančnosti. Bolj natančno kot merimo položaj, manj natančno lahko hkrati merimo gibalno količino (in obratno). Bolj natančno kot merimo čas, manj natančno lahko hkrati merimo energijo (in obratno).

Zdravorazumski primer

Čeprav se zgoraj navedeno morda zdi zelo nenavadno, dejansko obstaja spodobna korespondenca z načinom, kako lahko delujemo v resničnem (to je klasičnem) svetu. Recimo, da smo gledali dirkalnik na stezi in bi morali posneti, kdaj je prečkal ciljno črto. Merili naj ne bi samo čas, ko prečka ciljno črto, ampak tudi natančno hitrost, s katero to stori. Hitrost merimo tako, da pritisnemo gumb na štoparici v trenutku, ko vidimo, da prečka ciljno črto, hitrost pa merimo z digitalnim odčitkom (kar ni v skladu z opazovanjem avtomobila, zato je treba obrniti glavo, ko prečka ciljno črto). V tem klasičnem primeru očitno obstaja določena stopnja negotovosti glede tega, ker ta dejanja zahtevajo nekaj fizičnega časa. Videli bomo, kako se avtomobil dotakne ciljne črte, pritisnemo gumb štoparice in pogledamo na digitalni zaslon. Fizična narava sistema nalaga določeno mejo, kako natančno je lahko vse to. Če se osredotočate na opazovanje hitrosti, boste morda nekoliko zgrešeni pri merjenju točnega časa čez ciljno črto in obratno.

Kot pri večini poskusov uporabe klasičnih primerov za prikaz kvantnega fizičnega vedenja, so tudi pri tej analogiji pomanjkljivosti, vendar je nekoliko povezana s fizično realnostjo, ki deluje v kvantnem svetu. Razmerja negotovosti izhajajo iz valovnega obnašanja predmetov na kvantni lestvici in dejstva, da je zelo težko natančno izmeriti fizični položaj valovanja, tudi v klasičnih primerih.

Zmeda glede načela negotovosti

Zelo pogosto se načelo negotovosti zamenjuje s pojavom učinek opazovalca v kvantni fiziki, kot je tisto, ki se manifestira med Schroedingerjeva mačka miselni eksperiment. To sta pravzaprav dve popolnoma različni zadevi znotraj kvantne fizike, čeprav obe obremenjujeta naše klasično razmišljanje. Načelo negotovosti je pravzaprav temeljna omejitev zmožnosti podajanja natančnih izjav o obnašanju kvantnega sistema, ne glede na naše dejansko dejanje opazovanja ali ne. Učinek opazovalca na drugi strani pomeni, da se bo sistem sam obnašal drugače, če bomo opazovali določeno vrsto, kot bi se brez tega opazovanja.

Knjige o kvantni fiziki in principu negotovosti:

Zaradi njegove osrednje vloge v temeljih kvantne fizike bo večina knjig, ki raziskujejo kvantno kraljestvo, ponudila razlago načela negotovosti z različnimi stopnjami uspeha. Tukaj je nekaj knjig, ki po mnenju tega skromnega avtorja to počnejo najbolje. Dve sta splošni knjigi o kvantni fiziki kot celoti, medtem ko sta drugi dve tako biografski kot znanstveni ter dajeta resničen vpogled v življenje in delo Wernerja Heisenberga:

• Neverjetna zgodba o kvantni mehaniki avtorja James Kakalios
• Kvantno vesolje avtorja Brian Cox in Jeff Forshaw
• Onkraj negotovosti: Heisenberg, kvantna fizika in bomba Davida C. Cassidyja
• David Lindley: Negotovost: Einstein, Heisenberg, Bohr in boj za dušo znanosti