Usikkerhetsprinsippet er en av de mest kjente (og sannsynligvis misforståtte) ideene i fysikken. Det forteller oss at det er en uklarhet i naturen, en grunnleggende grense for hva vi kan vite om oppførselen til kvantepartikler og derfor de minste skalaene i naturen. Av disse skalaene er det mest vi kan håpe på å beregne sannsynligheter for hvor ting er og hvordan de vil oppføre seg. I motsetning til Isaac Newtons urverkunivers, hvor alt følger klare lover om hvordan man beveger seg og prediksjon er lett hvis man kjenner startforholdene, forankrer usikkerhetsprinsippet et nivå av uklarhet i kvanteteori.
Werner Heisenbergs enkle idé forteller oss hvorfor atomer ikke imploderer, hvordan solen klarer å skinne og, rart, at vakuumet i rommet ikke er tomt.
En tidlig inkarnasjon av usikkerhetsprinsippet dukket opp i en 1927-papir av Heisenberg, en tysk fysiker som jobbet ved Niels Bohrs institutt i København på den tiden, med tittelen «On the Perceptual Content of Quantum Theoretical Kinematics and Mechanics». Den mer kjente formen på ligningen kom noen år senere da han videreforedlet tankene sine i påfølgende forelesninger og papirer.
Heisenberg jobbet gjennom implikasjonene av kvanteteori, en merkelig ny måte å forklare hvordan atomer oppførte seg som hadde blitt utviklet av fysikere, inkludert Niels Bohr, Paul Dirac og Erwin Schrödinger, i løpet av det forrige tiåret. Blant de mange kontraintuitive ideene foreslo kvanteteorien at energi ikke var kontinuerlig, men i stedet kom i diskrete pakker (kvanta), og at lyset kunne beskrives som både en bølge og en strøm av disse
kvanta. Ved å utarbeide dette radikale verdensbildet oppdaget Heisenberg et problem i måten de grunnleggende fysiske egenskapene til en partikkel i et kvantesystem kunne måles på. I et av sine vanlige brev til en kollega, Wolfgang Pauli, presenterte han inklings av en idé som siden har blitt en grunnleggende del av kvantebeskrivelsen av verden.
Usikkerhetsprinsippet sier at vi ikke kan måle posisjonen (x) og momentet (p) til en partikkel med absolutt presisjon. Jo mer nøyaktig vi kjenner en av disse verdiene, jo mindre nøyaktig kjenner vi den andre. Ved å multiplisere feilene i målingene av disse verdiene (feilene er representert med trekantsymbolet foran hver eiendom, den greske bokstaven «delta»), må det gi et tall større enn eller lik halvparten av en konstant kalt «h- bar «. Dette er lik Plancks konstant (vanligvis skrevet som h) delt med 2π. Plancks konstant er et viktig tall i kvanteteorien, en måte å måle verdens granularitet på i minste skala, og den har verdien 6,626 x 10-34 joule sekunder.
En måte å tenke på usikkerhetsprinsippet er som en forlengelse av hvordan vi ser og måler ting i hverdagen. . Du kan lese disse ordene fordi lyspartikler, fotoner, har spratt av skjermen eller papiret og nådd øynene dine. Hver foton på den banen fører med seg litt informasjon om overflaten den har spratt fra, med lysets hastighet. Å se en subatomær partikkel, for eksempel et elektron, er ikke så enkelt. Du kan på samme måte sprette en foton av den og så håpe å oppdage den fotonen med et instrument. Men sjansen er stor for at fotonet vil gi elektronet noe moment når det treffer det og endre banen til partikkelen du prøver å måle. Ellers, gitt at kvantepartikler ofte beveger seg så fort, kan det hende at elektronet ikke lenger er på stedet det var da fotonet opprinnelig spratt av det. Uansett vil observasjonen av enten posisjon eller momentum være unøyaktig, og viktigere, observasjonshandlingen påvirker partikkelen som blir observert.
Usikkerhetsprinsippet er kjernen i mange ting som vi observerer, men ikke kan forklare ved hjelp av klassisk (ikke-kvante) fysikk. Ta for eksempel atomer der negativt ladede elektroner kretser rundt en positivt ladet kjerne. Ved klassisk logikk kan vi forvente at de to motsatte ladningene tiltrekker seg hverandre, noe som fører til at alt kollapser i en ball med partikler. Usikkerhetsprinsippet forklarer hvorfor dette ikke skjer: Hvis et elektron kom for nær kjernen, ville dets posisjon i rommet være nøyaktig kjent, og derfor ville feilen i å måle posisjonen være liten. Dette betyr at feilen i å måle momentum (og på grunnlag av hastighet) ville være enormt. I så fall kunne elektronet bevege seg raskt nok til å fly ut av atomet helt.
Heisenbergs idé kan også forklare en type kjernefysisk stråling kalt alfa-forfall. Alfapartikler er to protoner og to nøytroner som sendes ut av noen tunge kjerner, for eksempel uran-238.Vanligvis er disse bundet i den tunge kjernen og trenger mye energi for å bryte båndene og holde dem på plass. Men fordi en alfapartikkel inne i en kjerne har en veldig veldefinert hastighet, er dens posisjon ikke så veldefinert. Det betyr at det er en liten, men ikke-null, sjanse for at partikkelen på et eller annet tidspunkt kan finne seg utenfor kjernen, selv om den teknisk ikke har nok energi til å unnslippe. Når dette skjer – en prosess som er metaforisk kjent som «kvantetunnell» fordi den rømmende partikkelen på en eller annen måte må grave seg gjennom en energibarriere som den ikke kan hoppe over – rømmer alfapartikkelen og vi ser radioaktivitet.
A lignende kvantetunnelprosess skjer, i omvendt retning, midt i solen, hvor protoner smelter sammen og frigjør energien som lar stjernen vår skinne. Temperaturene i kjernen av solen er ikke høye nok til at protonene har nok energi til å overvinne deres gjensidige elektriske frastøting. Men takket være usikkerhetsprinsippet kan de tunnelere seg gjennom energibarrieren.
Det merkeligste resultatet av usikkerhetsprinsippet er kanskje hva det er sier om støvsugere. Støvsugere defineres ofte som fravær av alt. Men ikke slik i kvanteteori. Det er en iboende usikkerhet i mengden energi involvert i kvanteprosesser og i tiden det tar før disse prosessene skjer. I stedet for posisjon og momentum kan Heisenbergs ligning også uttrykkes i form av energi og tid. Igjen, jo mer begrenset en variabel er, desto mindre er den andre begrenset. Det er derfor mulig at det i veldig, veldig korte perioder med tid, kan et kvantesystems energi være svært usikker, så mye at partikler kan dukke opp fra vakuumet. Disse «virtuelle partiklene» dukker opp parvis – et elektron og dets antimateriapar, positronen, si – en kort stund, og tilintetgjør hverandre. Dette er godt innenfor lovene for kvantefysikk, så lenge partiklene bare eksisterer flyktig og forsvinner når tiden er ute. Usikkerhet er altså ikke noe å bekymre seg for i kvantefysikk, og faktisk ville vi ikke være her hvis dette prinsippet ikke eksisterte.
- Del på Facebook
- Del på Twitter
- Del via e-post
- Del på LinkedIn
- Del på Pinterest
- Del på WhatsApp
- Del på Messenger