Osäkerhetsprincipen är en av de mest kända (och förmodligen missförstådda) idéerna inom fysiken. Det berättar att det finns en oklarhet i naturen, en grundläggande gräns för vad vi kan veta om kvantpartiklarnas beteende och därmed de minsta naturskalorna. Av dessa skalor är det mest vi kan hoppas på att beräkna sannolikheter för var saker är och hur de kommer att bete sig. Till skillnad från Isaac Newtons urverkuniversum, där allt följer tydliga lagar om hur man ska röra sig och förutsägelse är lätt om man känner till startförhållandena, förankrar osäkerhetsprincipen en nivå av oklarhet i kvantteorin. p> Werner Heisenbergs enkla idé berättar varför atomer inte imploderar, hur solen lyckas skina och konstigt nog att rymdets vakuum inte är tomt.
En tidig inkarnation av osäkerhetsprincipen dök upp i en 1927-tidning av Heisenberg, en tysk fysiker som arbetade vid Niels Bohrs institut i Köpenhamn vid den tiden, med titeln ”On the Perceptual Content of Quantum Theoretical Kinematics and Mechanics”. Den mer välbekanta formen av ekvationen kom några år senare när han ytterligare förfinat sina tankar i efterföljande föreläsningar och uppsatser.
Heisenberg arbetade igenom kvantteoriens implikationer, ett konstigt nytt sätt att förklara hur atomer bete sig som utvecklats av fysiker, inklusive Niels Bohr, Paul Dirac och Erwin Schrödinger, under det senaste decenniet. Bland de många kontraintuitiva idéerna föreslog kvantteorin att energi inte var kontinuerlig utan i stället kom i diskreta paket (kvantor) och att ljus kunde beskrivas som både en våg och en ström av dessa
kvanta. Genom att konkretisera denna radikala världsbild upptäckte Heisenberg ett problem på det sättet att de grundläggande fysiska egenskaperna hos en partikel i ett kvantsystem kunde mätas. I ett av sina vanliga brev till en kollega, Wolfgang Pauli, presenterade han inklingen av en idé som sedan dess har blivit en grundläggande del av kvantbeskrivningen av världen.
Osäkerhetsprincipen säger att vi inte kan mäta en partikels position (x) och momentum (p) med absolut precision. Ju mer exakt vi känner till ett av dessa värden, desto mindre exakt känner vi det andra. Multiplicera tillsammans felen i mätningarna av dessa värden (felen representeras av triangelns symbol framför varje egenskap, den grekiska bokstaven ”delta”) måste ge ett tal större än eller lika med hälften av en konstant som kallas ”h- bar”. Detta är lika med Plancks konstant (vanligtvis skriven som h) dividerad med 2π. Plancks konstant är ett viktigt tal i kvantteorin, ett sätt att mäta världens granularitet i sina minsta skalor och den har värdet 6,626 x 10-34 joule sekunder.
Ett sätt att tänka på osäkerhetsprincipen är som en förlängning av hur vi ser och mäter saker i vardagen . Du kan läsa dessa ord eftersom partiklar av ljus, fotoner, har studsat av skärmen eller papperet och nått dina ögon. Varje foton på den vägen bär med sig viss information om ytan den har studsat från, med ljusets hastighet. Att se en subatomär partikel, som en elektron, är inte så enkel. Du kan på samma sätt studsa en foton av den och sedan hoppas att upptäcka den foton med ett instrument. Men chansen är att foton kommer att ge elektronen lite fart när den träffar den och förändrar banans partikel du försöker mäta. Annars, med tanke på att kvantpartiklar ofta rör sig så snabbt, kanske elektronen inte längre befinner sig på den plats den var när foton ursprungligen studsade av den. Hur som helst kommer din observation av antingen position eller momentum att vara felaktig och, ännu viktigare, observationshandlingen påverkar den partikel som observeras.
Osäkerhetsprincipen är kärnan i många saker som vi observerar men inte kan förklara med klassisk (icke-kvant) fysik. Ta till exempel atomer där negativt laddade elektroner kretsar kring en positivt laddad kärna. Enligt klassisk logik kan vi förvänta oss att de två motsatta laddningarna lockar varandra, vilket leder till att allt kollapsar i en boll av partiklar. Osäkerhetsprincipen förklarar varför detta inte händer: om en elektron kom för nära kärnan, skulle dess position i rymden vara exakt känd och därför skulle felet vid mätning av dess position vara liten. Detta innebär att felet i att mäta sin impuls (och på grundval av dess hastighet) skulle vara enorm. I så fall skulle elektronen kunna röra sig tillräckligt snabbt för att flyga ut ur atomen helt.
Heisenbergs idé kan också förklara en typ av kärnstrålning som kallas alfa-sönderfall. Alfapartiklar är två protoner och två neutroner som emitteras av vissa tunga kärnor, såsom uran-238.Vanligtvis är dessa bundna inuti den tunga kärnan och skulle behöva mycket energi för att bryta bindningarna för att hålla dem på plats. Men eftersom en alfapartikel inuti en kärna har en väldefinierad hastighet är dess position inte så väldefinierad. Det betyder att det finns en liten, men icke-noll, chans att partikeln någon gång kan befinna sig utanför kärnan, även om den tekniskt inte har tillräckligt med energi för att fly. När detta händer – en process metaforiskt känd som ”kvanttunnel” eftersom den flykande partikeln på något sätt måste gräva sig igenom en energibarriär som den inte kan hoppa över – alfapartikeln flyr och vi ser radioaktivitet. liknande kvanttunnelprocesser sker, i omvänd riktning, i mitten av vår sol, där protoner smälter samman och släpper ut energin som låter vår stjärna lysa. Temperaturerna i solens kärna är inte tillräckligt höga för att protonerna ska ha tillräckligt med energi för att övervinna deras ömsesidiga elektriska avstötning. Men tack vare osäkerhetsprincipen kan de tränga sig igenom energibarriären.
Det kanske konstigaste resultatet av osäkerhetsprincipen är vad det säger om dammsugare. Dammsugare definieras ofta som frånvaron av allt. Men inte så i kvantteorin. Det finns en inneboende osäkerhet i mängden energi involverad i kvantprocesser och i den tid det tar för dessa processer att hända. Istället för position och momentum kan Heisenbergs ekvation också uttryckas i termer av energi och tid. Återigen, ju mer begränsad en variabel är, desto mindre begränsad är den andra. Det är därför möjligt att, under mycket, mycket korta perioder av tid kan kvantasystemets energi vara mycket osäker, så mycket att partiklar kan dyka upp ur vakuumet. Dessa ”virtuella partiklar” dyker upp parvis – en elektron och dess antimateriepar, positronen, säg – en kort stund och förintar varandra. Detta ligger väl inom kvantfysikens lagar, så länge partiklarna bara existerar flyktigt och försvinner när tiden är ute. Osäkerhet är alltså inget att oroa sig för i kvantfysik och i själva verket skulle vi inte vara här om denna princip inte fanns.
- Dela på Facebook
- Dela på Twitter
- Dela via e-post
- Dela på LinkedIn
- Dela på Pinterest
- Dela på WhatsApp
- Dela på Messenger