Zasada nieoznaczoności jest jednym z najbardziej znanych (i prawdopodobnie niezrozumianych) pomysłów w fizyce. Mówi nam, że istnieje niejasność natury, podstawowa granica tego, co możemy wiedzieć o zachowaniu się cząstek kwantowych, a tym samym o najmniejszych skalach natury. Z tych skal możemy liczyć tylko na obliczenie prawdopodobieństwa tego, gdzie są rzeczy i jak się one będzie się zachowywać. W przeciwieństwie do mechanicznego wszechświata Izaaka Newtona, w którym wszystko podlega jasnym prawom, jak się poruszać, a przewidywanie jest łatwe, jeśli znasz warunki początkowe, zasada nieoznaczoności zapewnia pewien poziom niejasności w teorii kwantów.
p> Prosta idea Wernera Heisenberga mówi nam, dlaczego atomy nie implodują, jak słońce udaje się świecić i, co dziwne, że próżnia przestrzeni nie jest w rzeczywistości pusta.
Wczesne wcielenie zasady nieoznaczoności pojawiło się w pliku Artykuł Heisenberga, niemieckiego fizyka pracującego wówczas w kopenhaskim instytucie Nielsa Bohra z 1927 r., Zatytułowany „O percepcyjnej zawartości teorii kwantowej kinematyki i mechaniki”. Bardziej znana forma równania pojawiła się kilka lat później, kiedy dalej udoskonalał swoje myśli w kolejnych wykładach i artykułach.
Heisenberg analizował implikacje teorii kwantów, dziwny nowy sposób wyjaśnienia, w jaki sposób atomy zachowywał się tak, jak został opracowany przez fizyków, w tym Nielsa Bohra, Paula Diraca i Erwina Schrödingera, w poprzedniej dekadzie. Wśród wielu sprzecznych z intuicją pomysłów teoria kwantowa sugerowała, że energia nie jest ciągła, ale występuje w postaci dyskretnych pakietów (kwantów), a światło można opisać zarówno jako falę, jak i ich strumień
kwanty. Opracowując ten radykalny światopogląd, Heisenberg odkrył problem polegający na tym, że można zmierzyć podstawowe właściwości fizyczne cząstki w układzie kwantowym. W jednym ze swoich regularnych listów do kolegi, Wolfganga Pauliego, przedstawił przeczucie idei, która od tego czasu stała się fundamentalną częścią kwantowego opisu świata.
Zasada nieoznaczoności mówi, że nie możemy zmierzyć położenia (x) i pędu (p) cząstki z absolutną precyzją. Im dokładniej znamy jedną z tych wartości, tym mniej dokładnie znamy drugą. Pomnożenie przez siebie błędów w pomiarach tych wartości (błędy są reprezentowane przez symbol trójkąta przed każdą właściwością, grecka litera „delta”), daje liczbę większą lub równą połowie stałej zwanej „h- bar”. Jest to równe stałej Plancka (zwykle zapisywanej jako h) podzielonej przez 2π. Stała Plancka jest ważną liczbą w teorii kwantów, sposobem pomiaru ziarnistości świata w jego najmniejszych skalach i ma wartość 6,626 x 10-34 dżuli sekund.
Jednym ze sposobów myślenia o zasadzie nieoznaczoności jest rozszerzenie tego, jak widzimy i mierzymy rzeczy w codziennym świecie . Możesz przeczytać te słowa, ponieważ cząsteczki światła, fotony, odbiły się od ekranu lub papieru i dotarły do twoich oczu. Każdy foton znajdujący się na tej ścieżce niesie ze sobą informacje o powierzchni, od której odbił się z prędkością światła. Widzenie cząstki subatomowej, takiej jak elektron, nie jest takie proste. Możesz w podobny sposób odbić od niego foton, a następnie mieć nadzieję na wykrycie tego fotonu za pomocą instrumentu. Ale są szanse, że foton nada pęd elektronowi, gdy w niego uderza i zmieni ścieżkę cząstki, którą próbujesz zmierzyć. Albo też, biorąc pod uwagę, że cząstki kwantowe często poruszają się tak szybko, elektron może już nie znajdować się w miejscu, w którym się znajdował, gdy foton pierwotnie się od niego odbił. Tak czy inaczej, twoja obserwacja pozycji lub pędu będzie niedokładna, a co ważniejsze, akt obserwacji wpływa na obserwowaną cząstkę.
Zasada nieoznaczoności leży u podstaw wielu rzeczy, które obserwujemy, ale nie możemy wyjaśnij używając fizyki klasycznej (nie kwantowej). Weźmy na przykład atomy, w których ujemnie naładowane elektrony krążą wokół dodatnio naładowanego jądra. Zgodnie z logiką klasyczną możemy oczekiwać, że dwa przeciwne ładunki będą się przyciągać, prowadząc wszystko do zapadnięcia się w kulę cząstek. Zasada nieoznaczoności wyjaśnia, dlaczego tak się nie dzieje: jeśli elektron zbliżyłby się zbyt blisko jądra, to jego położenie w przestrzeni byłoby dokładnie znane, a zatem błąd pomiaru jego pozycji byłby niewielki. Oznacza to, że błąd w pomiar jego pędu (i, z wnioskowania, jego prędkości) byłby ogromny. W takim przypadku elektron mógłby poruszać się wystarczająco szybko, aby całkowicie wylecieć z atomu.
Idea Heisenberga może również wyjaśnić rodzaj promieniowania jądrowego zwany rozpadem alfa. Cząstki alfa to dwa protony i dwa neutrony emitowane przez niektóre ciężkie jądra, takie jak uran-238.Zwykle są one związane wewnątrz ciężkiego jądra i wymagałyby dużej ilości energii, aby zerwać wiązania utrzymujące je na miejscu. Ale ponieważ cząstka alfa wewnątrz jądra ma bardzo dobrze określoną prędkość, jej położenie nie jest tak dobrze określone. Oznacza to, że istnieje niewielka, ale niezerowa szansa, że cząstka może w pewnym momencie znaleźć się poza jądrem, mimo że technicznie nie ma wystarczającej energii, aby uciec. Kiedy tak się dzieje – proces metaforycznie nazywany „tunelowaniem kwantowym”, ponieważ uciekająca cząstka musi w jakiś sposób przedrzeć się przez barierę energetyczną, której nie może pokonać – cząstka alfa ucieka i widzimy radioaktywność.
A podobny proces kwantowego tunelowania zachodzi w odwrotnej kolejności w centrum naszego Słońca, gdzie protony łączą się ze sobą i uwalniają energię, która pozwala naszej gwieździe świecić. Temperatura w jądrze Słońca nie jest wystarczająco wysoka, aby protony miały wystarczająco dużo energii, aby przezwyciężyć wzajemne odpychanie elektryczne. Ale dzięki zasadzie nieoznaczoności mogą przebić się przez barierę energetyczną.
Być może najdziwniejszym skutkiem zasady nieoznaczoności jest to, co to jest mówi o odkurzaczach. Odkurzacze są często definiowane jako brak wszystkiego. Ale nie w teorii kwantowej. Istnieje nieodłączna niepewność co do ilości energii zaangażowanej w procesy kwantowe i czasu potrzebnego do zajścia tych procesów. Zamiast położenia i pędu, równanie Heisenberga można również wyrazić w kategoriach energii i czasu. Ponownie, im bardziej ograniczona jest jedna zmienna, tym mniej ograniczona jest druga. Jest zatem możliwe, że przez bardzo, bardzo krótkie okresy w czasie, energia układu kwantowego może być wysoce niepewna, do tego stopnia, że cząstki mogą pojawić się z próżni. Te „wirtualne cząstki” pojawiają się w parach – elektron i jego para antymaterii, powiedzmy, pozyton – na krótką chwilę, po czym wzajemnie się anihilują. Jest to zgodne z prawami fizyki kwantowej, o ile cząsteczki istnieją tylko przelotnie i znikają po upływie ich czasu. Niepewność nie jest więc powodem do zmartwień w fizyce kwantowej i tak naprawdę nie byłoby nas tutaj, gdyby ta zasada nie istniała.
- Udostępnij na Facebook
- Udostępnij na Twitterze
- Udostępnij przez e-mail
- Udostępnij na LinkedIn
- Udostępnij na Pinterest
- Udostępnij na WhatsApp
- Udostępnij na Messengerze