A bizonytalanság elve az egyik legismertebb (és valószínűleg félreértett) gondolat a fizikában. Azt mondja nekünk, hogy létezik homályosság a természetben, alapvető korlátja annak, amit tudhatunk a kvantumrészecskék viselkedéséről, és ezért a természet legkisebb skáláiról. Ezek közül a skálák közül leginkább abban reménykedhetünk, hogy kiszámoljuk annak valószínűségét, hogy hol vannak a dolgok és hogyan Ellentétben Isaac Newton óramű univerzumával, ahol minden világos törvényeket követ a mozgás módjáról, és a jóslás könnyű, ha ismeri a kiindulási feltételeket, a bizonytalanság elve a homályosság szintjét rögzíti a kvantumelméletben.
Werner Heisenberg egyszerű ötlete elárulja, miért nem merülnek fel az atomok, hogyan tud a nap sütni, és furcsa módon az, hogy az űr vákuumja valóban nem üres.
A bizonytalanság elvének korai inkarnációja jelent meg az a 1927-ben Heisenberg német fizikus, aki annak idején a koppenhágai Niels Bohr intézetben dolgozott, a “Kvantumelméleti kinematika és mechanika perceptuális tartalmáról” címmel. Az egyenlet ismertebb formája néhány évvel később következett be, amikor a következő előadásokban és dolgozatokban tovább finomította gondolatait.
Heisenberg a kvantumelmélet következményeit dolgozta fel, ami furcsa új módszer az atomok elmagyarázatára. viselkedése, amelyet a fizikusok, köztük Niels Bohr, Paul Dirac és Erwin Schrödinger fejlesztettek ki az elmúlt évtizedben. Számos ellentmondó intuitív ötlete között a kvantumelmélet azt javasolta, hogy az energia ne legyen folyamatos, hanem diszkrét csomagokban (kvantumokban) jöjjön, és hogy a fény leírható mind hullámként, mind pedig ezeknek a kvantumoknak a hullámaként. E radikális világkép kidolgozása során Heisenberg olyan problémát fedezett fel, hogy a kvantumrendszerben lévő részecske alapvető fizikai tulajdonságait meg lehessen mérni. Egy kollégájához, Wolfgang Paulihoz intézett egyik rendszeres levelében bemutatta egy ötlet ötleteit, amely azóta a világ kvantumleírásának alapvető része lett.
A bizonytalansági elv szerint nem tudjuk abszolút pontossággal mérni a részecske helyzetét (x) és lendületét (p). Minél pontosabban ismerjük ezen értékek egyikét, annál kevésbé pontosan ismerjük a másikat. Ha ezen értékek mérési hibáit összeszorozzuk (a hibákat az egyes tulajdonságok előtti háromszög szimbólum, a görög “delta” betű képviseli), akkor a “h-” nevű konstans felének nagyobbnak vagy egyenlőnek kell lennie. rúd”. Ez egyenlő Planck-féle állandóval (általában h-ként írva) osztva 2π-vel. Planck-féle konstans fontos szám a kvantumelméletben, a világ szemcsésségének legkisebb léptékben történő mérésének módja, amelynek értéke 6,626 x 10-34 joule másodperc.
A bizonytalansági elvre való gondolkodás egyik módja, ha kiterjesztjük, hogyan látjuk és mérjük a dolgokat a mindennapi világban . Elolvashatja ezeket a szavakat, mert a fényrészecskék, a fotonok visszapattantak a képernyőről vagy a papírról, és elérték a szemét. Ezen az úton minden foton magával hordoz némi információt a felszínről, amelyről fénysebességgel pattant ki. Egy szubatomi részecske, például egy elektron látása nem olyan egyszerű. Hasonló módon lepattanhat egy fotont róla, és remélheti, hogy ezt a fotont egy műszerrel érzékeli. De valószínű, hogy a foton ad némi lendületet az elektronnak, amint eléri, és megváltoztatja a mérni kívánt részecske útját. Vagy különben, tekintve, hogy a kvantumrészecskék gyakran olyan gyorsan mozognak, az elektron már nem biztos, hogy azon a helyen volt, ahol a foton eredetileg lepattant róla. Akárhogy is, a helyzet vagy a lendület megfigyelése pontatlan lesz, és ami még ennél is fontosabb, hogy a megfigyelés ténye befolyásolja a megfigyelt részecskét.
A bizonytalanság elve sok dolog középpontjában áll, amelyeket megfigyelünk, de nem tudjuk magyarázza el a klasszikus (nem kvantum) fizika segítségével. Vegyünk például atomokat, ahol negatív töltésű elektronok keringenek egy pozitív töltésű mag körül. A klasszikus logika szerint arra számíthatunk, hogy a két ellentétes töltet vonzza egymást, és így minden részecske gömbbé omlik össze. A bizonytalansági elv magyarázza, hogy ez miért nem történik meg: ha egy elektron túl közel kerül a maghoz, akkor a térbeli helyzete pontosan ismert, és ezért a pozíciója mérésének hibája csekély. Ez azt jelenti, hogy a lendületének (és következtetése alapján annak sebességének) mérése óriási lenne. Ebben az esetben az elektron elég gyorsan mozoghat, hogy teljesen ki tudjon repülni az atomból.
Heisenberg ötlete megmagyarázhatja az alfa-bomlásnak nevezett nukleáris sugárzás egy típusát is. Az alfa részecskék két proton és két neutron, amelyeket néhány nehéz mag, például az urán-238 bocsát ki.Ezek általában a nehéz mag belsejében vannak megkötve, és sok energiára lenne szükségük a kötések megszakításához, hogy a helyükön maradjanak. De mivel a mag belsejében lévő alfa-részecskének nagyon jól meghatározott sebessége van, helyzete nem annyira meghatározható. Ez azt jelenti, hogy kicsi, de nem nulla esély van arra, hogy a részecske egy bizonyos ponton a magon kívül találja magát, annak ellenére, hogy technikailag nincs elég energiája a menekülésre. Amikor ez megtörténik – egy metaforikusan “kvantumcsatornázásnak” nevezett folyamat, mivel a szökő részecskének valamilyen módon át kell ásnia magát egy olyan energiagáton, amelyen nem tud átugrani – az alfa részecske megszökik, és látjuk a radioaktivitást.
A hasonló kvantumcsatornázási folyamat fordítva történik a napunk közepén, ahol a protonok összeolvadnak és felszabadítják az energiát, amely lehetővé teszi csillagunk ragyogását. A nap magjában a hőmérséklet nem elég magas ahhoz, hogy a protonok elegendő energiával rendelkezzenek kölcsönös elektromos taszításuk legyőzéséhez. De a bizonytalansági elvnek köszönhetően átjárhatják magukat az energiagáton.
A bizonytalansági elv talán legfurcsább eredménye mondja a porszívókról. A porszívót gyakran úgy definiálják, hogy nincs minden. De a kvantumelméletben nem. Jellemző bizonytalanság van a kvantumfolyamatokban részt vevő energia mennyiségében és a folyamatok bekövetkezéséhez szükséges időben. A pozíció és a lendület helyett Heisenberg egyenlete energiában és időben is kifejezhető. Ismét minél korlátozottabb az egyik változó, annál kevésbé korlátozott a másik. Ezért lehetséges, hogy nagyon-nagyon rövid idővel a kvantumrendszer energiája nagyon bizonytalan lehet, annyira, hogy részecskék jelenhetnek meg a vákuumban. Ezek a “virtuális részecskék” párban jelennek meg – mondjuk egy elektron és annak antianyag-párja, a pozitron – rövid ideig, majd megsemmisítik egymást. Ez jól esik a kvantumfizika törvényein belül, mindaddig, amíg a részecskék csak futólag léteznek és eltűnnek, amikor lejár az idejük. A bizonytalanság tehát nem aggaszt a kvantumfizikában, és valójában nem lennénk itt, ha ez az elv nem létezne.
- Megosztás a Twitteren
- Megosztás e-mailben
- Megosztás a LinkedIn-en
- Megosztás a Pinteresten
- Megosztás a Messengeren