Epävarmuusperiaate on yksi fysiikan tunnetuimmista (ja todennäköisesti väärinymmärretyistä) ajatuksista. Se kertoo meille, että on sumea luonne, perustavanlaatuinen raja sille, mitä voimme tietää kvanttihiukkasten käyttäytymisestä ja siten myös pienimmistä luonnon asteikoista.Näistä asteikoista eniten voimme toivoa on laskea todennäköisyydet missä asiat ovat ja miten ne Toisin kuin Isaac Newtonin kello-universumissa, jossa kaikki noudattaa selkeitä lakeja liikkumisesta ja ennustaminen on helppoa, jos tiedät lähtöolosuhteet, epävarmuusperiaate kiristää sumutustason kvanttiteoriaan.
Werner Heisenbergin yksinkertainen ajatus kertoo meille, miksi atomit eivät rappeudu, kuinka aurinko onnistuu paistamaan ja kumma kyllä, ettei avaruuden tyhjiö ole oikeastaan tyhjä.
Epävarmuusperiaatteen varhainen inkarnaatio ilmestyi a Tuolloin Niels Bohrin instituutissa Kööpenhaminassa työskennellyt saksalainen fyysikko Heisenberg kirjoitti vuonna 1927 ”Kvanttiteoreettisen kinematiikan ja mekaniikan havainnointisisällöstä”. Yhtälön tutumpi muoto tuli muutama vuosi myöhemmin, kun hän oli tarkentanut ajatuksiaan seuraavissa luennoissa ja artikkeleissa.
Heisenberg selvitti kvanttiteorian vaikutuksia, outoa uutta tapaa selittää kuinka atomit käyttäytyi, jonka fyysikot, mukaan lukien Niels Bohr, Paul Dirac ja Erwin Schrödinger, olivat kehittäneet edellisen vuosikymmenen aikana. Monien vasta-intuitiivisten ideoidensa joukossa kvanttiteoria ehdotti, että energia ei ollut jatkuvaa, vaan se tuli erillisissä paketeissa (kvantteina) ja että valoa voidaan kuvata sekä näiden aaltojen että niiden virtana
. Tätä radikaalia maailmankuvaa täsmentäen Heisenberg löysi ongelman tavalla, jolla kvanttijärjestelmän hiukkasen fyysiset perusominaisuudet voitaisiin mitata. Yhdessä tavallisesta kirjeestään kollegalle Wolfgang Paulille hän esitteli ajatuksia ajatuksesta, josta on sittemmin tullut olennainen osa maailman kvanttikuvausta.
Epävarmuusperiaate sanoo, että emme voi mitata hiukkasen sijaintia (x) ja liikevoimaa (p) ehdottoman tarkasti. Mitä tarkemmin tunnemme yhden näistä arvoista, sitä epätarkemmin tunnemme toisen. Kerro yhteen näiden arvojen mittausvirheet (virheitä edustaa kolmiomerkki kunkin ominaisuuden edessä, kreikkalainen kirjain ”delta”), on annettava luku, joka on suurempi tai yhtä suuri kuin puolet vakiosta, jota kutsutaan h- baari”. Tämä on yhtä suuri kuin Planckin vakio (yleensä kirjoitettu h: na) jaettuna 2π: llä. Planckin vakio on tärkeä luku kvanttiteoriassa, tapa mitata maailman rakeisuutta pienimmissä mittakaavoissa ja sen arvo on 6,626 x 10-34 joulen sekuntia.
Yksi tapa ajatella epävarmuusperiaatetta on laajennus siitä, miten näemme ja mitataan asioita jokapäiväisessä maailmassa. . Voit lukea nämä sanat, koska valohiukkaset, fotonit, ovat pudonneet näytöltä tai paperilta ja saavuttaneet silmäsi. Jokainen polulla oleva polku kuljettaa mukanaan jonkin verran tietoa pinnasta, josta se on palannut valon nopeudella. Subatomisen hiukkasen, kuten elektronin, näkeminen ei ole niin yksinkertaista. Saatat samalla tavalla pomppia fotonin irti ja toivoa sitten havaitsevasi fotonin instrumentilla. Mutta on todennäköistä, että fotoni antaa jonkin verran vauhtia elektronille, kun se osuu siihen, ja muuttaa hiukkasen polkua, jota yrität mitata. Tai muuten, kun otetaan huomioon, että kvanttihiukkaset liikkuvat usein niin nopeasti, elektroni ei ehkä enää ole paikassa, jossa se oli, kun fotoni alun perin heilahti siitä. Joko niin, havaintosi joko asennosta tai liikemäärästä on epätarkka, ja mikä tärkeintä, havainnointi vaikuttaa havaittavaan hiukkaseen.
Epävarmuusperiaate on ytimessä monissa asioissa, joita havaitsemme, mutta emme voi selittää käyttäen klassista (ei-kvantti) fysiikkaa. Otetaan esimerkiksi atomeja, joissa negatiivisesti varautuneet elektronit kiertävät positiivisesti varautuneen ytimen. Klassisen logiikan mukaan voimme odottaa kahden vastakkaisen varauksen houkuttelevan toisiaan, mikä johtaa kaiken romahtamiseen hiukkasiksi. Epävarmuusperiaate selittää, miksi näin ei tapahdu: jos elektroni pääsee liian lähelle ydintä, sen sijainti avaruudessa olisi tarkalleen tiedossa ja siten virhe sijainnin mittauksessa olisi vähäinen. Tämä tarkoittaa, että virhe sen liikemäärän (ja päättelyn perusteella sen nopeuden) mittaaminen olisi valtava. Tällöin elektroni voisi liikkua tarpeeksi nopeasti lentääkseen kokonaan atomista.
Heisenbergin idea voi myös selittää ydinsäteilyn tyypin, jota kutsutaan alfa-hajoamiseksi. Alfa-hiukkaset ovat kaksi protonia ja kaksi neutronia, joita eräät raskaat ytimet, kuten uraani-238, lähettävät.Yleensä nämä ovat sitoutuneet raskaan ytimen sisään ja tarvitsevat paljon energiaa sidosten rikkomiseksi pitämällä ne paikallaan. Mutta koska alfa-hiukkasella ytimen sisällä on hyvin määritelty nopeus, sen sijainti ei ole niin hyvin määritelty. Tämä tarkoittaa, että on pieni, mutta nollasta poikkeava mahdollisuus, että hiukkanen voisi jossain vaiheessa löytää itsensä ytimen ulkopuolelta, vaikka sillä ei teknisesti ole tarpeeksi energiaa paeta. Kun näin tapahtuu – prosessi, joka tunnetaan metaforisesti nimellä ”kvanttitunnelointi”, koska karkaavan hiukkasen on jotenkin kaivettava tiensä läpi energianesteen, jonka yli se ei voi hypätä – alfa-partikkeli pakenee ja näemme radioaktiivisuuden.
A samanlainen kvanttitunnelointiprosessi tapahtuu päinvastoin aurinkomme keskellä, jossa protonit sulautuvat yhteen ja vapauttavat energian, joka antaa tähtillemme loistaa. Lämpötilat auringon ytimessä eivät ole tarpeeksi korkeita, jotta protoneilla olisi tarpeeksi energiaa voittamaan keskinäinen sähköinen hylkääminen. Mutta epävarmuusperiaatteen ansiosta he voivat kulkea tiensä läpi energianesteen.
Epävarmuusperiaatteen outo tulos on ehkä se, mitä se sanoo tyhjiöistä. Imurit määritellään usein kaiken puuttumiseksi. Mutta ei niin kvanttiteoriassa. Kvanttiprosesseihin liittyvän energian määrässä ja niiden prosessien kulumisessa on luontainen epävarmuus. Heisenbergin yhtälö voidaan ilmaista sijainnin ja liikemäärän sijasta myös energiana ja ajassa. Jälleen, mitä rajoitetumpi yksi muuttuja on, sitä vähemmän rajoitettu on toinen. Siksi on mahdollista, että hyvin, hyvin lyhyitä jaksoja Ajan myötä kvanttijärjestelmän energia voi olla hyvin epävarma, niin että hiukkasia voi ilmestyä tyhjiöstä. Nämä ”virtuaalihiukkaset” ilmestyvät pareittain – elektroni ja sen antimateriapari, positroni, sanovat – hetkeksi ja tuhoavat sitten toisensa. Tämä on hyvin kvanttifysiikan lakien sisällä, kunhan hiukkaset ovat olemassa vain ohikiitävästi ja katoavat, kun niiden aika on lopussa. Epävarmuudesta ei siis ole mitään huolta kvanttifysiikassa, ja itse asiassa emme olisi täällä, jos tätä periaatetta ei olisi olemassa.
- Jaa Facebook
- Jaa Twitterissä
- Jaa sähköpostilla
- Jaa LinkedInissä
- Jaa Pinterestissä
- Jaa WhatsApp
- Jaa Messengerissä