Het onzekerheidsprincipe is een van de beroemdste (en waarschijnlijk verkeerd begrepen) ideeën in de natuurkunde. Het vertelt ons dat er een vaagheid in de natuur, een fundamentele limiet aan wat we kunnen weten over het gedrag van kwantumdeeltjes en dus de kleinste schalen van de natuur. Van deze schalen kunnen we hoogstens hopen de waarschijnlijkheid te berekenen voor waar de dingen zijn en hoe ze In tegenstelling tot het uurwerkuniversum van Isaac Newton, waar alles duidelijke wetten volgt over hoe te bewegen en voorspelling gemakkelijk is als je de startvoorwaarden kent, legt het onzekerheidsprincipe een niveau van vaagheid vast in de kwantumtheorie.
Het simpele idee van Werner Heisenberg vertelt ons waarom atomen niet imploderen, hoe de zon erin slaagt te schijnen en, vreemd genoeg, dat het vacuüm van de ruimte niet echt leeg is.
Een vroege incarnatie van het onzekerheidsprincipe verscheen in een 1927-paper van Heisenberg, een Duitse natuurkundige die op dat moment werkte aan het instituut van Niels Bohr in Kopenhagen, getiteld “Over de perceptuele inhoud van kwantumtheoretische kinematica en mechanica”. De meer bekende vorm van de vergelijking kwam een paar jaar later, toen hij zijn gedachten in daaropvolgende lezingen en papers verder had verfijnd.
Heisenberg werkte door de implicaties van de kwantumtheorie, een vreemde nieuwe manier om uit te leggen hoe atomen gedragen dat was ontwikkeld door natuurkundigen, waaronder Niels Bohr, Paul Dirac en Erwin Schrödinger, in de afgelopen tien jaar. Onder zijn vele contra-intuïtieve ideeën, stelde de kwantumtheorie dat energie niet continu was, maar in plaats daarvan in discrete pakketten (kwanta) kwam en dat licht beschreven zou kunnen worden als zowel een golf als een stroom hiervan.
kwanta. Bij het uitwerken van dit radicale wereldbeeld ontdekte Heisenberg een probleem in de manier waarop de fysische basiseigenschappen van een deeltje in een kwantumsysteem konden worden gemeten. In een van zijn regelmatige brieven aan een collega, Wolfgang Pauli, presenteerde hij de argumenten van een idee dat sindsdien een fundamenteel onderdeel is geworden van de kwantumbeschrijving van de wereld.
Het onzekerheidsprincipe zegt dat we de positie (x) en het momentum (p) van een deeltje niet met absolute precisie kunnen meten. Hoe nauwkeuriger we een van deze waarden kennen, hoe minder nauwkeurig we de andere kennen. Door de fouten in de metingen van deze waarden met elkaar te vermenigvuldigen (de fouten worden weergegeven door het driehoekssymbool voor elke eigenschap, de Griekse letter “delta”) moet een getal groter dan of gelijk zijn aan de helft van een constante genaamd “h- bar”. Dit is gelijk aan de constante van Planck (meestal geschreven als h) gedeeld door 2π. De constante van Planck is een belangrijk getal in de kwantumtheorie, een manier om de granulariteit van de wereld op de kleinste schaal te meten en heeft de waarde 6,626 x 10-34 joule seconden.
Een manier om na te denken over het onzekerheidsprincipe is als een uitbreiding van hoe we dingen in de dagelijkse wereld zien en meten . Je kunt deze woorden lezen omdat lichtdeeltjes, fotonen, van het scherm of papier zijn teruggekaatst en je ogen hebben bereikt. Elk foton op dat pad draagt wat informatie met zich mee over het oppervlak waarvan het met de snelheid van het licht is teruggekaatst. Het zien van een subatomair deeltje, zoals een elektron, is niet zo eenvoudig. Je zou op dezelfde manier een foton kunnen laten weerkaatsen en dan hopen dat foton met een instrument te detecteren. Maar de kans is groot dat het foton een momentum zal geven aan het elektron als het het raakt en het pad verandert van het deeltje dat je probeert te meten. Of anders, aangezien kwantumdeeltjes vaak zo snel bewegen, bevindt het elektron zich misschien niet meer op de plaats waar het was toen het foton er oorspronkelijk vanaf stuiterde. Hoe dan ook, uw waarneming van een van beide posities of momentum zal onnauwkeurig zijn en, nog belangrijker, de waarneming heeft invloed op het deeltje dat wordt waargenomen.
Het onzekerheidsprincipe vormt de kern van veel dingen die we waarnemen, maar niet kunnen uitleggen met behulp van klassieke (niet-kwantum) fysica. Neem bijvoorbeeld atomen waar negatief geladen elektronen in een baan om een positief geladen kern draaien. Volgens de klassieke logica zouden we kunnen verwachten dat de twee tegengestelde ladingen elkaar aantrekken, waardoor alles ineenstort tot een bal van deeltjes. Het onzekerheidsprincipe verklaart waarom dit niet gebeurt: als een elektron te dicht bij de kern komt, zou zijn positie in de ruimte precies bekend zijn en daarom zou de fout bij het meten van zijn positie minuscuul zijn. Dit betekent dat de fout in de het meten van zijn momentum (en, bijgevolg, zijn snelheid) zou enorm zijn. In dat geval zou het elektron snel genoeg kunnen bewegen om helemaal uit het atoom te vliegen.
Heisenbergs idee kan ook een soort nucleaire straling verklaren die alfa-verval wordt genoemd. Alfadeeltjes zijn twee protonen en twee neutronen die worden uitgestoten door enkele zware kernen, zoals uranium-238.Meestal zijn deze gebonden in de zware kern en hebben ze veel energie nodig om de bindingen te verbreken en ze op hun plaats te houden. Maar omdat een alfadeeltje in een kern een zeer goed gedefinieerde snelheid heeft, is zijn positie niet zo goed gedefinieerd. Dat betekent dat er een kleine kans is, maar niet nul, dat het deeltje op een gegeven moment buiten de kern terechtkomt, ook al heeft het technisch gezien niet genoeg energie om te ontsnappen. Wanneer dit gebeurt – een proces dat metaforisch bekend staat als “kwantumtunneling” omdat het ontsnappende deeltje zich op de een of andere manier een weg moet banen door een energiebarrière waar het niet overheen kan springen – ontsnapt het alfadeeltje en zien we radioactiviteit.
A Een soortgelijk kwantumtunnelingproces vindt plaats, omgekeerd, in het midden van onze zon, waar protonen samensmelten en de energie vrijgeven die onze ster laat schijnen. De temperaturen in de kern van de zon zijn niet hoog genoeg om de protonen voldoende energie te geven om hun onderlinge elektrische afstoting te overwinnen. Maar dankzij het onzekerheidsprincipe kunnen ze zich een weg banen door de energiebarrière.
Misschien wel het vreemdste resultaat van het onzekerheidsprincipe is wat het zegt over stofzuigers. Stofzuigers worden vaak gedefinieerd als de afwezigheid van alles. Maar niet zo in de kwantumtheorie. Er is een inherente onzekerheid in de hoeveelheid energie die betrokken is bij kwantumprocessen en in de tijd die nodig is om die processen te laten plaatsvinden. In plaats van positie en momentum kan de vergelijking van Heisenberg ook worden uitgedrukt in termen van energie en tijd. Nogmaals, hoe beperkter de ene variabele is, hoe minder beperkt de andere is. Het is daarom mogelijk dat gedurende zeer, zeer korte perioden van tijd kan de energie van een kwantumsysteem hoogst onzeker zijn, zo erg dat deeltjes uit het vacuüm kunnen verschijnen. Deze “virtuele deeltjes” verschijnen in paren – een elektron en zijn antimateriepaar, zeg maar de positron – voor een korte tijd en vernietigen elkaar dan. Dit valt ruimschoots binnen de wetten van de kwantumfysica, zolang de deeltjes maar vluchtig bestaan en verdwijnen als hun tijd om is. Onzekerheid is dus niets om je zorgen over te maken in de kwantumfysica, en in feite zouden we hier niet zijn als dit principe niet bestond.
- Deel op Facebook
- Delen op Twitter
- Delen via e-mail
- Delen op LinkedIn
- Delen op Pinterest
- Delen op WhatsApp
- Delen op Messenger