Zrozumienie zasady nieoznaczoności Heisenberga

Zasada nieoznaczoności Heisenberga jest jednym z fundamentów Fizyka kwantowa, ale często nie jest to dogłębnie zrozumiane przez tych, którzy nie przestudiowali go dokładnie. Chociaż tak, jak sama nazwa wskazuje, określa pewien poziom niepewności na najbardziej podstawowych poziomach sama natura, ta niepewność przejawia się w bardzo ograniczony sposób, więc nie wpływa na nas w naszym codziennym życiu zyje. Tylko starannie skonstruowane eksperymenty mogą ujawnić tę zasadę w działaniu.

W 1927 roku niemiecki fizyk Werner Heisenberg przedstawił to, co stało się znane jako Zasada nieoznaczoności Heisenberga (Lub tylko zasada nieoznaczoności lub czasami Zasada Heisenberga). Próbując zbudować intuicyjny model fizyki kwantowej, odkrył to Heisenberg były pewne fundamentalne relacje, które ograniczają to, jak dobrze wiemy wielkie ilości. W szczególności w najprostszym zastosowaniu zasady:

Im dokładniej znasz pozycję cząstki, tym mniej dokładnie możesz jednocześnie znać pęd tej cząstki.

Zasada nieoznaczoności Heisenberga jest bardzo precyzyjnym matematycznym stwierdzeniem o naturze układu kwantowego. Z fizycznego i matematycznego punktu widzenia ogranicza to dokładność, o jakiej możemy mówić o systemie. Poniższe dwa równania (pokazane również w ładniejszej formie na grafice u góry tego artykułu): zwane relacjami niepewności Heisenberga, są najczęstszymi równaniami związanymi z niepewnością zasada:

Równanie 1: delta x * delta p jest proporcjonalne do h-bar
Równanie 2: delta mi * delta t jest proporcjonalne do h-bar

Symbole w powyższych równaniach mają następujące znaczenie:

• h-bar: nazywany „zmniejszoną stałą Plancka”, ma wartość stałej Plancka podzieloną przez 2 * pi.
• delta-x: Jest to niepewność położenia obiektu (powiedzmy danej cząstki).
• delta-p: Jest to niepewność pędu obiektu.
• delta-mi: Jest to niepewność energetyczna obiektu.
• delta-t: Jest to niepewność pomiaru czasu obiektu.

Na podstawie tych równań możemy określić niektóre fizyczne właściwości niepewności pomiaru systemu w oparciu o odpowiedni poziom dokładności z naszym pomiarem. Jeżeli niepewność któregokolwiek z tych pomiarów staje się bardzo mała, co odpowiada niezwykle precyzyjnemu pomiarowi pomiar, a następnie te relacje mówią nam, że odpowiednia niepewność musiałaby wzrosnąć, aby utrzymać proporcjonalność.

Innymi słowy, nie możemy jednocześnie mierzyć obu właściwości w ramach każdego równania z nieograniczonym poziomem precyzji. Im dokładniej mierzymy pozycję, tym mniej precyzyjnie jesteśmy w stanie jednocześnie mierzyć pęd (i odwrotnie). Im dokładniej mierzymy czas, tym mniej precyzyjnie jesteśmy w stanie jednocześnie mierzyć energię (i odwrotnie).

Chociaż powyższe może wydawać się bardzo dziwne, w rzeczywistości istnieje przyzwoita zgodność ze sposobem, w jaki możemy funkcjonować w realnym (to znaczy klasycznym) świecie. Powiedzmy, że oglądaliśmy samochód wyścigowy na torze i mieliśmy nagrywać, kiedy przekroczył linię mety. Powinniśmy mierzyć nie tylko czas przekroczenia linii mety, ale także dokładną prędkość, z jaką to robi. Mierzymy prędkość, naciskając przycisk stopera w momencie, gdy widzimy, jak przekracza linię mety i mierzymy prędkość o patrząc na odczyt cyfrowy (co nie jest zgodne z oglądaniem samochodu, więc musisz obrócić głowę, gdy minie metę linia). W tym klasycznym przypadku jest wyraźnie pewien stopień niepewności, ponieważ działania te zajmują trochę czasu fizycznego. Zobaczymy, jak samochód dotknie linii mety, wciśnie przycisk stopera i spojrzy na wyświetlacz cyfrowy. Fizyczna natura systemu nakłada określone ograniczenie na dokładność tego wszystkiego. Jeśli skupiasz się na próbowaniu obserwowania prędkości, możesz być nieco zaniedbany podczas pomiaru dokładnego czasu na linii mety i odwrotnie.

Podobnie jak w przypadku większości prób użycia klasycznych przykładów do wykazania kwantowego zachowania fizycznego, istnieją wady tej analogii, ale jest ona w pewnym stopniu związana z rzeczywistością fizyczną działającą w kwantach królestwo. Relacje niepewności wynikają z falowego zachowania obiektów w skali kwantowej i fakt, że bardzo trudno jest precyzyjnie zmierzyć pozycję fizyczną fali, nawet w klasyce skrzynie

Bardzo często mylona jest zasada nieoznaczoności ze zjawiskiem efekt obserwatora w fizyce kwantowej, takiej jak ta, która przejawia się podczas Kot Schroedingera eksperyment myślowy. W rzeczywistości są to dwie zupełnie różne kwestie w fizyce kwantowej, choć obie obciążają nasze klasyczne myślenie. Zasada nieoznaczoności jest w rzeczywistości podstawowym ograniczeniem umiejętności dokonywania precyzyjnych stwierdzeń o zachowaniu układu kwantowego, bez względu na faktyczny akt obserwacji czy nie. Z drugiej strony efekt obserwatora implikuje, że jeśli dokonamy pewnego rodzaju obserwacji, sam system będzie zachowywał się inaczej niż bez tej obserwacji.

Ze względu na jego centralną rolę w podstawach fizyki kwantowej większość książek eksplorujących królestwo kwantowe wyjaśni wyjaśnienie zasady nieoznaczoności z różnym powodzeniem. Oto niektóre książki, które robią to najlepiej, w opinii tego skromnego autora. Dwie są ogólnymi książkami na temat fizyki kwantowej jako całości, podczas gdy dwie pozostałe są tak samo biograficzne, jak naukowe, dając prawdziwy wgląd w życie i twórczość Wernera Heisenberga:

• Niesamowita historia mechaniki kwantowej James Kakalios
• Wszechświat kwantowy Brian Cox i Jeff Forshaw
• Poza niepewnością: Heisenberg, fizyka kwantowa i bomba David C. Cassidy
• Niepewność: Einstein, Heisenberg, Bohr i Walka o duszę nauki David Lindley