Heisenbergo neapibrėžtumo principo supratimas

Heisenbergo neapibrėžtumo principas yra vienas kertinių Kvantinė fizika, tačiau dažnai to giliai nesupranta tie, kurie to atidžiai neištyrė. Nors tai, kaip rodo pavadinimas, iš esmės apibrėžia tam tikrą neapibrėžtumą pagrindiniais pati gamta, tas netikrumas pasireiškia labai suvaržytu būdu, todėl jis neturi įtakos mūsų kasdienybei gyvena. Šį principą darbe gali atskleisti tik kruopščiai sukonstruoti eksperimentai.

1927 m. Vokiečių fizikas Werneris Heisenbergas pateikė tai, kas tapo žinoma kaip Heisenbergo neapibrėžtumo principas (arba tiesiog netikrumo principas arba, kartais, Heisenbergo principas). Bandydamas sukurti intuityvų kvantinės fizikos modelį, Heisenbergas ten aptiko buvo tam tikri pamatiniai santykiai, kurie apribojo tai, kaip gerai mes galėjome žinoti kiekiai. Tiksliausiai, aiškiausiai taikant principą:

Kuo tiksliau žinote dalelės padėtį, tuo mažiau tiksliai galite žinoti tos pačios dalelės impulsą.

Heisenbergo neapibrėžtumo principas yra labai tikslus matematinis teiginys apie kvantinės sistemos prigimtį. Fizine ir matematine prasme tai riboja tikslumo laipsnį, apie kurį mes galime kada nors kalbėti apie sistemą. Šios dvi lygtys (gražesnės formos taip pat parodyta paveiksle, esančiame šio straipsnio viršuje), vadinami Heisenbergo neapibrėžtumo santykiais, yra dažniausios lygtys, susijusios su neapibrėžtumu principas:

1 lygtis: delta- x * delta- p yra proporcingas h-bar
2 lygtis: delta- E * delta- t yra proporcingas h-bar

Aukščiau pateiktų lygčių simboliai turi tokią reikšmę:

• h-baras: vadinamas „sumažinta Plancko konstanta“, tai turi Plancko konstantos vertę, padalytą iš 2 * pi.
• delta-x: Tai yra objekto (tarkim, tam tikros dalelės) padėties neapibrėžtumas.
• delta-p: Tai yra objekto impulsų netikrumas.
• delta-E: Tai yra objekto energijos neapibrėžtumas.
• delta-t: Tai yra objekto laiko matavimo neapibrėžtis.

Remdamiesi šiomis lygtimis, galime pasakyti apie kai kurias sistemos matavimo neapibrėžties fizines savybes, pagrįstas mūsų matavimų tikslumo lygiu. Jei bet kurio iš šių matavimų neapibrėžtis tampa labai maža, tai reiškia, kad turi būti labai tikslus matavimas, tada šie santykiai mums sako, kad atitinkamas neapibrėžtumas turėtų padidėti, išlaikyti proporcingumas.

Kitaip tariant, mes negalime vienu metu išmatuoti abiejų lygčių abiejų savybių iki neriboto tikslumo lygio. Kuo tiksliau išmatuojame padėtį, tuo mažiau tiksliau galime vienu metu išmatuoti pagreitį (ir atvirkščiai). Kuo tiksliau išmatuojame laiką, tuo mažiau tiksliai galime vienu metu išmatuoti energiją (ir atvirkščiai).

Nors tai, kas pasakyta, gali atrodyti labai keista, iš tikrųjų yra tinkamas atitikimas tam, kaip mes galime veikti realiame (tai yra klasikiniame) pasaulyje. Tarkime, kad trasoje stebėjome lenktyninį automobilį ir turėjome įrašyti, kai jis kirto finišo liniją. Turime išmatuoti ne tik laiką, per kurį jis kerta finišo liniją, bet ir tikslų greitį, kuriuo jis tai daro. Mes išmatuojame greitį spausdami mygtuką ant chronometro tuo metu, kai matome jį kertant finišo liniją ir matuojame greitį žiūrėti į skaitmeninį rodmenį (kuris neatitinka automobilio stebėjimo, todėl, sukryžiavus finišą, reikia pasukti galvą linija). Šiuo klasikiniu atveju dėl to aišku tam tikras laipsnis netikrumo, nes šie veiksmai užima šiek tiek laiko. Pamatysime, kad automobilis paliečia finišo liniją, paspaudžia chronometro mygtuką ir pažvelgia į skaitmeninį ekraną. Fizinė sistemos prigimtis nustato neabejotiną ribą, kiek visa tai gali būti tiksli. Jei koncentruojatės į bandymą stebėti greitį, tada, matuojant tikslų laiką per finišo liniją, galite šiek tiek atsitraukti, ir atvirkščiai.

Kaip ir daugumoje bandymų panaudoti klasikinius pavyzdžius siekiant įrodyti kvantinį fizinį elgesį, yra šios analogijos trūkumų, tačiau tai šiek tiek susiję su fizine realybe darbe kvantinėje srityje karalystė. Neapibrėžtumo santykiai kyla iš panašaus į objektų elgesį kvantinėje skalėje ir faktas, kad labai sunku tiksliai išmatuoti fizinę bangos padėtį, net klasikinėje atvejų.

Labai dažnai netikrumo principą galima supainioti su stebėtojo efektas kvantinėje fizikoje, tokia, kokia pasireiškia per Schroedinger katė minčių eksperimentas. Tai iš tikrųjų yra du visiškai skirtingi kvantinės fizikos klausimai, nors abu apmokestina mūsų klasikinį mąstymą. Neapibrėžtumo principas iš tikrųjų yra esminis suvaržymas gebėjimui pateikti tikslius teiginius apie kvantinės sistemos elgesį, nepriklausomai nuo to, ar mes stebėjimą padarėme, ar ne. Stebėtojo efektas, kita vertus, reiškia, kad jei atliksime tam tikro tipo stebėjimą, pati sistema elgsis kitaip, nei elgtųsi neturėdama to stebėjimo.

Daugelis knygų, tyrinėjančių kvantinę sritį, yra pagrindinės kvantinės fizikos pagrindų, todėl paaiškins netikrumo principą su skirtingais sėkmės lygiais. Štai keletas knygų, kurios, šio nuolankaus autoriaus nuomone, tai daro geriausiai. Dvi yra bendros kvantinės fizikos knygos, kitos dvi yra tiek biografinės, tiek mokslinės, kad pateikia tikras įžvalgas apie Wernerio Heisenbergo gyvenimą ir kūrybą:

• Nuostabi kvantinės mechanikos istorija autorius Jamesas Kakalios
• Kvantinė visata pateikė Brianas Coxas ir Jeffas Forshaw'as
• Už neapibrėžtumo: Heisenbergas, kvantinė fizika ir Davido C. bomba. Cassidy
• Neapibrėžtumas: Einšteinas, Heisenbergas, Boras ir kova už mokslo sielą, autorius Davidas Lindley