Das Unsicherheitsprinzip ist eine der bekanntesten (und wahrscheinlich missverstandenen) Ideen in der Physik. Es sagt uns, dass es solche gibt Eine Unschärfe in der Natur, eine grundlegende Grenze für das, was wir über das Verhalten von Quantenteilchen wissen können, und daher die kleinsten Skalen der Natur. Von diesen Skalen können wir höchstens hoffen, Wahrscheinlichkeiten dafür zu berechnen, wo sich die Dinge befinden und wie sie sich befinden Im Gegensatz zu Isaac Newtons Uhrwerkuniversum, in dem alles klaren Gesetzen zur Bewegung folgt und die Vorhersage einfach ist, wenn Sie die Startbedingungen kennen, verankert das Unsicherheitsprinzip ein Maß an Unschärfe in der Quantentheorie.
Werner Heisenbergs einfache Idee sagt uns, warum Atome nicht implodieren, wie die Sonne scheint und seltsamerweise, dass das Vakuum des Raums nicht wirklich leer ist.
Eine frühe Inkarnation des Unsicherheitsprinzips erschien in a 1927 Artikel von Heisenberg, einem deutschen Physiker, der zu dieser Zeit am Institut von Niels Bohr in Kopenhagen arbeitete, mit dem Titel „Über den Wahrnehmungsinhalt der quantentheoretischen Kinematik und Mechanik“. Die bekanntere Form der Gleichung kam einige Jahre später, als er seine Gedanken in nachfolgenden Vorlesungen und Abhandlungen weiter verfeinert hatte.
Heisenberg arbeitete an den Implikationen der Quantentheorie, einer seltsamen neuen Art zu erklären, wie Atome sind Verhalten, das von Physikern wie Niels Bohr, Paul Dirac und Erwin Schrödinger im letzten Jahrzehnt entwickelt worden war. Unter den vielen kontraintuitiven Ideen schlug die Quantentheorie vor, dass Energie nicht kontinuierlich ist, sondern in diskreten Paketen (Quanten) vorliegt und dass Licht sowohl als Welle als auch als Strom dieser
Quanten beschrieben werden kann. Bei der Ausarbeitung dieser radikalen Weltanschauung entdeckte Heisenberg ein Problem in der Art und Weise, wie die grundlegenden physikalischen Eigenschaften eines Teilchens in einem Quantensystem gemessen werden konnten. In einem seiner regelmäßigen Briefe an einen Kollegen, Wolfgang Pauli, stellte er die Ahnung einer Idee vor, die seitdem ein wesentlicher Bestandteil der Quantenbeschreibung der Welt geworden ist.
Das Unsicherheitsprinzip besagt, dass wir die Position (x) und den Impuls (p) eines Teilchens nicht mit absoluter Präzision messen können. Je genauer wir einen dieser Werte kennen, desto weniger genau kennen wir den anderen. Das Multiplizieren der Fehler bei den Messungen dieser Werte (die Fehler werden durch das Dreiecksymbol vor jeder Eigenschaft, dem griechischen Buchstaben „Delta“, dargestellt) muss eine Zahl ergeben, die größer oder gleich der Hälfte einer Konstanten namens „h-“ ist. Bar“. Dies ist gleich der Planckschen Konstante (normalerweise als h geschrieben) geteilt durch 2π. Die Plancksche Konstante ist eine wichtige Zahl in der Quantentheorie, eine Möglichkeit, die Granularität der Welt in ihren kleinsten Maßstäben zu messen, und sie hat den Wert 6,626 x 10-34 Joule Sekunden.
Eine Möglichkeit, über das Unsicherheitsprinzip nachzudenken, besteht darin, zu erweitern, wie wir Dinge in der Alltagswelt sehen und messen . Sie können diese Wörter lesen, weil Lichtteilchen, Photonen, vom Bildschirm oder Papier abgeprallt sind und Ihre Augen erreicht haben. Jedes Photon auf diesem Weg enthält einige Informationen über die Oberfläche, von der es mit Lichtgeschwindigkeit reflektiert wurde. Ein subatomares Teilchen wie ein Elektron zu sehen, ist nicht so einfach. Sie könnten auf ähnliche Weise ein Photon davon abprallen lassen und dann hoffen, dieses Photon mit einem Instrument zu erkennen. Es besteht jedoch die Möglichkeit, dass das Photon dem Elektron beim Auftreffen einen Impuls verleiht und den Pfad des Partikels ändert, das Sie messen möchten. Angesichts der Tatsache, dass sich Quantenteilchen oft so schnell bewegen, befindet sich das Elektron möglicherweise nicht mehr an der Stelle, an der es sich befand, als das Photon ursprünglich von ihm abprallte. In jedem Fall ist Ihre Beobachtung der Position oder des Impulses ungenau, und was noch wichtiger ist, der Beobachtungsvorgang wirkt sich auf das beobachtete Partikel aus.
Das Unsicherheitsprinzip ist das Herzstück vieler Dinge, die wir beobachten, aber nicht können Erklären Sie mit klassischer (Nicht-Quanten-) Physik. Nehmen wir zum Beispiel Atome, in denen negativ geladene Elektronen einen positiv geladenen Kern umkreisen. Nach der klassischen Logik können wir erwarten, dass sich die beiden entgegengesetzten Ladungen gegenseitig anziehen und alles zu einer Partikelkugel zusammenbricht. Das Unsicherheitsprinzip erklärt, warum dies nicht geschieht: Wenn ein Elektron zu nahe an den Kern gelangt, ist seine Position im Raum genau bekannt, und daher wäre der Fehler bei der Messung seiner Position winzig. Dies bedeutet, dass der Fehler in Die Messung seines Impulses (und folglich seiner Geschwindigkeit) wäre enorm. In diesem Fall könnte sich das Elektron schnell genug bewegen, um vollständig aus dem Atom herauszufliegen.
Heisenbergs Idee kann auch eine Art von Kernstrahlung erklären, die Alpha-Zerfall genannt wird. Alpha-Teilchen sind zwei Protonen und zwei Neutronen, die von einigen schweren Kernen wie Uran-238 emittiert werden.Normalerweise sind diese im schweren Kern gebunden und benötigen viel Energie, um die Bindungen zu lösen und sie an Ort und Stelle zu halten. Da ein Alpha-Teilchen in einem Kern eine sehr genau definierte Geschwindigkeit hat, ist seine Position nicht so genau definiert. Das heißt, es besteht eine geringe Wahrscheinlichkeit, dass sich das Teilchen irgendwann außerhalb des Kerns befindet, obwohl es technisch nicht genug Energie hat, um zu entkommen. Wenn dies geschieht – ein Prozess, der metaphorisch als „Quantentunneling“ bekannt ist, weil sich das austretende Teilchen irgendwie durch eine Energiebarriere graben muss, über die es nicht springen kann – entweicht das Alpha-Teilchen und wir sehen Radioaktivität.
A. Ein ähnlicher Quantentunnelprozess findet umgekehrt im Zentrum unserer Sonne statt, wo Protonen miteinander verschmelzen und die Energie freisetzen, die unseren Stern zum Leuchten bringt. Die Temperaturen im Kern der Sonne sind nicht hoch genug, damit die Protonen genug Energie haben, um ihre gegenseitige elektrische Abstoßung zu überwinden. Dank des Unsicherheitsprinzips können sie sich jedoch durch die Energiebarriere tunneln.
Das vielleicht seltsamste Ergebnis des Unsicherheitsprinzips ist das, was es ist sagt über Staubsauger. Staubsauger werden oft als das Fehlen von allem definiert. Nicht so in der Quantentheorie. Es besteht eine inhärente Unsicherheit hinsichtlich der Energiemenge, die an Quantenprozessen beteiligt ist, und der Zeit, die diese Prozesse benötigen. Anstelle von Position und Impuls kann die Heisenbergsche Gleichung auch in Bezug auf Energie und Zeit ausgedrückt werden. Je eingeschränkter eine Variable ist, desto weniger eingeschränkt ist die andere. Es ist daher möglich, dass für sehr, sehr kurze Zeiträume von Zeit kann die Energie eines Quantensystems sehr unsicher sein, so dass Teilchen aus dem Vakuum erscheinen können. Diese „virtuellen Teilchen“ treten für kurze Zeit paarweise auf – ein Elektron und sein Antimateriepaar, beispielsweise das Positron – und vernichten sich dann gegenseitig. Dies liegt im Rahmen der Gesetze der Quantenphysik, solange die Teilchen nur flüchtig existieren und verschwinden, wenn ihre Zeit abgelaufen ist. Unsicherheit ist also in der Quantenphysik kein Grund zur Sorge, und tatsächlich wären wir nicht hier, wenn dieses Prinzip nicht existieren würde.
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