Usikkerhedsprincippet er en af de mest berømte (og sandsynligvis misforståede) ideer i fysikken. Det fortæller os, at der er en uklarhed i naturen, en grundlæggende grænse for, hvad vi kan vide om kvantepartiklers opførsel og derfor de mindste skalaer af naturen. Af disse skalaer er det mest, vi kan håbe på, at beregne sandsynligheder for, hvor ting er, og hvordan de vil opføre sig. I modsætning til Isaac Newtons urværkunivers, hvor alt følger klare love om, hvordan man bevæger sig, og forudsigelse er let, hvis man kender startforholdene, indeholder usikkerhedsprincippet et niveau af uklarhed i kvanteteori.
Werner Heisenbergs enkle idé fortæller os, hvorfor atomer ikke imploderer, hvordan solen formår at skinne, og underligt, at rumets vakuum faktisk ikke er tomt.
En tidlig inkarnation af usikkerhedsprincippet dukkede op i en 1927-papir af Heisenberg, en tysk fysiker, der arbejdede på Niels Bohrs institut i København på det tidspunkt, med titlen “Om det perceptuelle indhold af kvanteteoretisk kinematik og mekanik”. Den mere velkendte form for ligningen kom et par år senere, da han yderligere havde forfinet sine tanker i efterfølgende foredrag og papirer.
Heisenberg arbejdede igennem implikationerne af kvanteteori, en mærkelig ny måde at forklare, hvordan atomer opførte sig, der var udviklet af fysikere, herunder Niels Bohr, Paul Dirac og Erwin Schrödinger, i løbet af det foregående årti. Blandt de mange kontraintuitive ideer foreslog kvanteteori, at energi ikke var kontinuerlig, men i stedet kom i diskrete pakker (kvanta), og at lys kunne beskrives som både en bølge og en strøm af disse
kvanta. Ved udarbejdelsen af dette radikale verdensbillede opdagede Heisenberg et problem på den måde, at de grundlæggende fysiske egenskaber af en partikel i et kvantesystem kunne måles. I et af hans regelmæssige breve til en kollega, Wolfgang Pauli, præsenterede han inklings af en idé, der siden er blevet en grundlæggende del af kvantebeskrivelsen af verden.
Usikkerhedsprincippet siger, at vi ikke kan måle positionen (x) og momentum (p) af en partikel med absolut præcision. Jo mere nøjagtigt vi kender en af disse værdier, jo mindre nøjagtigt kender vi den anden. Multiplikation sammen fejlene i målingerne af disse værdier (fejlene er repræsenteret af trekantsymbolet foran hver egenskab, det græske bogstav “delta”) skal give et tal større end eller lig med halvdelen af en konstant kaldet “h- bar”. Dette er lig med Plancks konstant (normalt skrevet som h) divideret med 2π. Plancks konstant er et vigtigt tal i kvanteteorien, en måde at måle verdens granularitet på i sine mindste skalaer, og den har værdien 6,626 x 10-34 joule sekunder.
En måde at tænke på usikkerhedsprincippet er som en forlængelse af, hvordan vi ser og måler ting i hverdagen . Du kan læse disse ord, fordi lyspartikler, fotoner, er sprunget ud af skærmen eller papiret og nået dine øjne. Hver foton på den sti bærer nogle oplysninger om overfladen, den er hoppet fra med lysets hastighed. At se en subatomær partikel, såsom en elektron, er ikke så enkel. Du kan ligeledes hoppe en foton af den og derefter håbe at opdage den foton med et instrument. Men chancerne er, at fotonet vil give elektronet noget momentum, når det rammer det og ændre stien til den partikel, du prøver at måle. Ellers i betragtning af at kvantepartikler ofte bevæger sig så hurtigt, er elektronen måske ikke længere på det sted, den var, da fotonet oprindeligt sprang af det. Uanset hvad, vil din observation af enten position eller momentum være unøjagtig, og vigtigere, observationshandlingen påvirker den partikel, der observeres.
Usikkerhedsprincippet er kernen i mange ting, som vi observerer, men ikke kan forklare ved hjælp af klassisk (ikke-kvante) fysik. Tag f.eks. Atomer, hvor negativt ladede elektroner kredser om en positivt ladet kerne. Ved klassisk logik kan vi forvente, at de to modsatte ladninger tiltrækker hinanden, hvilket får alt til at kollapse i en kugle med partikler. Usikkerhedsprincippet forklarer, hvorfor dette ikke sker: hvis en elektron kom for tæt på kernen, ville dens position i rummet være nøjagtigt kendt, og derfor ville fejlen ved måling af dens position være minimal. Dette betyder, at fejlen i at måle dens momentum (og på baggrund af dens hastighed) ville være enorm. I så fald kunne elektronen bevæge sig hurtigt nok til at flyve helt ud af atomet.
Heisenbergs idé kan også forklare en type nuklear stråling kaldet alfa henfald. Alfapartikler er to protoner og to neutroner, der udsendes af nogle tunge kerner, såsom uran-238.Normalt er disse bundet inde i den tunge kerne og har brug for masser af energi for at bryde båndene og holde dem på plads. Men fordi en alfapartikel inde i en kerne har en meget veldefineret hastighed, er dens position ikke så veldefineret. Det betyder, at der er en lille, men ikke-nul chance, at partiklen på et eller andet tidspunkt kan befinde sig uden for kernen, selvom den teknisk set ikke har nok energi til at undslippe. Når dette sker – en proces metaforisk kendt som “kvantetunnel”, fordi den undslippende partikel på en eller anden måde skal grave sig vej gennem en energibarriere, som den ikke kan springe over – alfapartiklen undgår, og vi ser radioaktivitet.
A en lignende kvantetunnelproces sker, omvendt, i midten af vores sol, hvor protoner smelter sammen og frigiver den energi, der gør det muligt for vores stjerne at skinne. Temperaturerne i solens kerne er ikke høje nok til, at protonerne har nok energi til at overvinde deres gensidige elektriske frastødning. Men takket være usikkerhedsprincippet kan de tunnelere sig gennem energibarrieren.
Måske er det mærkeligste resultat af usikkerhedsprincippet, hvad det siger om støvsugere. Støvsugere defineres ofte som fraværet af alt. Men ikke så i kvanteteori. Der er en iboende usikkerhed i mængden af energi involveret i kvanteprocesser og i den tid det tager for disse processer at ske. I stedet for position og momentum kan Heisenbergs ligning også udtrykkes i form af energi og tid. Igen, jo mere begrænset en variabel er, jo mindre begrænset er den anden. Det er derfor muligt, i meget, meget korte perioder med tid, kan et kvantesystems energi være meget usikker, så meget at partikler kan vises ud af vakuumet. Disse “virtuelle partikler” vises parvis – en elektron og dens antimateriepar, positronen, siger – i et kort stykke tid og tilintetgør derefter hinanden. Dette er godt inden for kvantefysikens love, så længe partiklerne kun eksisterer flygtigt og forsvinder, når deres tid er udløbet. Usikkerhed er derfor ikke noget at bekymre sig om i kvantefysik, og faktisk ville vi ikke være her, hvis dette princip ikke eksisterede.
- Del videre Facebook
- Del på Twitter
- Del via e-mail
- Del på LinkedIn
- Del på Pinterest
- Del på WhatsApp
- Del på Messenger