Princip neurčitosti je jednou z nejznámějších (a pravděpodobně nepochopených) myšlenek ve fyzice. Říká nám, že existuje nejasnost v přírodě, základní omezení toho, co můžeme vědět o chování kvantových částic, a tedy nejmenší stupnice přírody. Z těchto stupnic můžeme doufat, že nejvíce spočítáme pravděpodobnosti toho, kde jsou věci a jak Na rozdíl od hodinového vesmíru Isaaca Newtona, kde se vše řídí jasnými zákony o pohybu a předpověď je snadná, pokud znáte výchozí podmínky, princip neurčitosti zakotvuje úroveň nejasnosti do kvantové teorie.
ednoduchý nápad Wernera Heisenberga nám říká, proč atomy neimplodují, jak dokáže Slunce zářit a kupodivu, že vakuum vesmíru není ve skutečnosti prázdné.
Časná inkarnace principu nejistoty se objevila v a Dokument z roku 1927 Heisenberga, německého fyzika, který v té době pracoval v institutu Nielse Bohra v Kodani, s názvem „O vnímavém obsahu kvantové teoretické kinematiky a mechaniky“. Známější forma rovnice přišla o několik let později, když své myšlenky dále zdokonalil v následujících přednáškách a referátech.
Heisenberg pracoval prostřednictvím implikací kvantové teorie, zvláštního nového způsobu vysvětlování toho, jak atomy chování, které vyvinuli fyzici, včetně Nielse Bohra, Paula Diraca a Erwina Schrödingera, v předchozím desetiletí. Kvantová teorie navrhla, že energie není spojitá, nýbrž přichází v diskrétních paketech (kvantách) a že světlo lze popsat jako vlnu i proud těchto kvant. Při definování tohoto radikálního světonázoru objevil Heisenberg problém ve způsobu, jakým lze měřit základní fyzikální vlastnosti částice v kvantovém systému. V jednom ze svých pravidelných dopisů kolegovi Wolfgangovi Paulimu představil myšlenky, které se od té doby staly základní součástí kvantového popisu světa.
Princip neurčitosti říká, že nemůžeme měřit polohu (x) a hybnost (p) částice s absolutní přesností. Čím přesněji známe jednu z těchto hodnot, tím méně přesně známe druhou. Vynásobením chyb při měření těchto hodnot (chyby jsou představovány symbolem trojúhelníku před každou vlastností, řeckým písmenem „delta“) musí být dáno číslo větší nebo rovné polovině konstanty zvané „h- bar“. To se rovná Planckově konstantě (obvykle psané jako h) dělené 2π. Planckova konstanta je v kvantové teorii důležitým číslem, což je způsob, jak měřit zrnitost světa v jeho nejmenších měřítcích a má hodnotu 6,626 x 10–34 joulů.
Jedním ze způsobů, jak přemýšlet o principu nejistoty, je rozšíření toho, jak vidíme a měříme věci v každodenním světě . Tato slova můžete číst, protože částice světla, fotony se odrazily od obrazovky nebo papíru a dosáhly vašich očí. Každý foton na této cestě nese s sebou nějaké informace o povrchu, ze kterého se odrazil, rychlostí světla. Vidět subatomární částice, například elektron, není tak jednoduché. Podobně z něj můžete odrazit foton a pak doufat, že tento foton detekujete pomocí nástroje. Je však pravděpodobné, že foton dodá elektronu určitou hybnost, když do něj zasáhne, a změní dráhu částice, kterou se pokoušíte měřit. Nebo jinak, vzhledem k tomu, že kvantové částice se často pohybují tak rychle, elektron již nemusí být na místě, kde byl, když se od něj foton původně odrazil. Ať tak či onak, vaše pozorování polohy nebo hybnosti bude nepřesné a co je důležitější, akt pozorování ovlivní pozorovanou částici.
Princip nejistoty je jádrem mnoha věcí, které pozorujeme, ale nemůžeme vysvětlit pomocí klasické (nekvantové) fyziky. Vezměme si například atomy, kde záporně nabité elektrony obíhají kolem kladně nabitého jádra. Klasickou logikou bychom mohli očekávat, že se dva protilehlé náboje přitahují a vedou vše ke zhroucení do koule částic. Princip neurčitosti vysvětluje, proč k tomu nedochází: pokud by se elektron dostal příliš blízko k jádru, pak by byla přesně známa jeho poloha v prostoru, a proto by chyba v měření jeho polohy byla nepatrná. To znamená, že chyba v měřit jeho hybnost (a podle toho i jeho rychlost) by bylo obrovské. V takovém případě by se elektron mohl pohybovat dostatečně rychle, aby úplně vyletěl z atomu.
Heisenbergův nápad může také vysvětlit typ jaderného záření nazývaný rozpad alfa. Alfa částice jsou dva protony a dva neutrony emitované některými těžkými jádry, jako je uran-238.Obvykle jsou vázány uvnitř těžkého jádra a potřebovaly by spoustu energie, aby rozbily vazby, které je udrží na místě. Ale protože alfa částice uvnitř jádra má velmi dobře definovanou rychlost, její poloha není tak dobře definována. To znamená, že existuje malá, ale nenulová šance, že by se částice mohla v určitém okamžiku ocitnout mimo jádro, i když technicky nemá dostatek energie na únik. Když k tomu dojde – proces metaforicky známý jako „kvantové tunelování“, protože unikající částice musí nějakým způsobem kopat cestu přes energetickou bariéru, kterou nemůže přeskočit – alfa částice unikne a my vidíme radioaktivitu.
A podobný proces kvantového tunelování probíhá obráceně ve středu našeho slunce, kde protony fúzují dohromady a uvolňují energii, která umožňuje naší hvězdě zářit. Teploty v jádru Slunce nejsou dostatečně vysoké, aby protony měly dostatek energie k překonání vzájemného elektrického odpuzování. Ale díky principu nejistoty si mohou razit cestu energetickou bariérou.
Snad nejpodivnějším výsledkem principu nejistoty je to, říká o vakuu. Vakuum je často definováno jako absence všeho. Ale v kvantové teorii tomu tak není. Existuje kvantitativní nejistota v množství energie zapojené do kvantových procesů a v čase, který trvá, než k těmto procesům dojde. Místo polohy a hybnosti lze Heisenbergovu rovnici vyjádřit také z hlediska energie a času. Opět platí, že čím omezenější je jedna proměnná, tím méně omezená je druhá. Je tedy možné, že pro velmi, velmi krátká období energie kvantového systému může být velmi nejistá, natolik, že se částice mohou objevit z vakua. Tyto „virtuální částice“ se na krátkou chvíli objevují v párech – elektron a jeho antihmotový pár, pozitron, řekněme – a pak se navzájem ničí. To je v souladu se zákony kvantové fyziky, pokud částice existují pouze letmo a zmizí, když vyprší jejich čas. Nejistota se tedy v kvantové fyzice nemusí obávat a ve skutečnosti bychom tu nebyli, kdyby tento princip neexistoval.
- Sdílet na Facebook
- Sdílet na Twitteru
- Sdílet prostřednictvím e-mailu
- Sdílet na LinkedIn
- Sdílet na Pinterestu
- Sdílet na WhatsApp
- Sdílet na Messengeri