Pochopení Heisenbergova principu nejistoty

Heisenbergův princip nejistoty je jedním ze základních kamenů kvantová fyzika, ale to není často hluboce pochopeno těmi, kteří to pečlivě prostudovali. Jak to napovídá název, definuje určitou míru nejistoty na nejzákladnějších úrovních příroda sama o sobě, tato nejistota se projevuje velmi omezeným způsobem, takže nás to v našem každodenním životě neovlivňuje životy. Pouze pečlivě konstruované experimenty mohou odhalit tento princip v práci.

V roce 1927 německý fyzik Werner Heisenberg předložil to, co se stalo známým jako Heisenbergův princip nejistoty (nebo prostě princip nejistoty nebo někdy Heisenbergův princip). Při pokusu o vytvoření intuitivního modelu kvantové fyziky to Heisenberg odhalil Byly to určité základní vztahy, které omezovaly, jak dobře jsme si mohli být jisti množství. Konkrétně v nejjednodušší aplikaci zásady:

Čím přesně víte polohu částice, tím méně přesně můžete současně poznat hybnost téže částice.

Heisenbergův princip nejistoty je velmi přesným matematickým tvrzením o povaze kvantového systému. Fyzicky a matematicky to omezuje míru přesnosti, o které můžeme kdy mluvit, o systému. Následující dvě rovnice (také hezky znázorněné v grafice v horní části tohoto článku), nazývané Heisenbergovy vztahy nejistoty, jsou nejčastějšími rovnicemi spojenými s nejistotou zásada:

Rovnice 1: delta- X * delta- str je úměrná h-bar
Rovnice 2: delta- E * delta- t je úměrná h-bar

Symboly ve výše uvedených rovnicích mají následující význam:

• h-bar: Nazývá se „redukovaná Planckova konstanta“, má tato hodnota Planckovu konstantu děleno 2 * pi.
• delta-X: Toto je nejistota v poloze objektu (řekněme o dané částici).
• delta-str: Toto je nejistota v hybnosti objektu.
• delta-E: Toto je nejistota energie objektu.
• delta-t: Toto je nejistota v měření času objektu.

Z těchto rovnic můžeme zjistit některé fyzikální vlastnosti nejistoty měření systému na základě naší odpovídající úrovně přesnosti s naším měřením. Pokud je nejistota v některém z těchto měření velmi malá, což odpovídá extrémně přesné měření, pak tyto vztahy nám říkají, že by se odpovídající nejistota musela zvýšit, aby se udržel proporcionalita.

Jinými slovy, nemůžeme současně měřit obě vlastnosti v každé rovnici na neomezenou úroveň přesnosti. Čím přesněji měříme polohu, tím méně jsme schopni současně měřit hybnost (a naopak). Čím přesně měříme čas, tím méně jsme schopni měřit energii současně (a naopak).

Ačkoli se výše uvedené může zdát velmi podivné, existuje skutečně slušná korespondence s tím, jak můžeme fungovat ve skutečném (tj. Klasickém) světě. Řekněme, že jsme sledovali závodní auto na trati a měli jsme zaznamenat, když překročil cílovou čáru. Měli bychom měřit nejen čas, který překročí cílovou čáru, ale také přesnou rychlost, jakou to dělá. Rychlost změříme stisknutím tlačítka na stopkách v okamžiku, kdy vidíme, jak překračuje cílovou čáru, a změříme rychlost podle při pohledu na digitální odečet (což není v souladu s pozorováním auta, takže když přejdete cílem, musíte otočit hlavu) řádek). V tomto klasickém případě je o tom zjevně určitý stupeň nejistoty, protože tyto akce vyžadují určitý fyzický čas. Uvidíme, jak se auto dotkne cílové čáry, stiskne tlačítko stopek a podívá se na digitální displej. Fyzická povaha systému ukládá určitý limit toho, jak přesně to všechno může být. Pokud se zaměřujete na snahu sledovat rychlost, pak můžete být trochu mimo měření přesného času přes cílovou čáru a naopak.

Stejně jako u většiny pokusů použít klasické příklady k prokázání kvantového fyzického chování existuje nedostatky s touto analogií, ale je to do jisté míry spojeno s fyzickou realitou při práci v kvantu oblast. Vztahy nejistoty vycházejí z vlnového chování objektů v kvantové stupnici a skutečnost, že je velmi obtížné přesně měřit fyzickou polohu vlny, a to i klasicky případy.

Je velmi běžné, že se princip nejistoty zaměňuje s fenoménem pozorovatelský efekt v kvantové fyzice, jako je ta, která se projevuje v průběhu Schroedingerova kočka myšlenkový experiment. To jsou ve skutečnosti dvě zcela odlišné záležitosti v kvantové fyzice, i když obě zdanují naše klasické myšlení. Princip nejistoty je ve skutečnosti zásadním omezením schopnosti přesně formulovat o chování kvantového systému, bez ohledu na náš skutečný akt pozorování nebo ne. Na druhou stranu z pozorovacího efektu vyplývá, že pokud provedeme určitý typ pozorování, bude se samotný systém chovat jinak, než by bez tohoto pozorování na místě.

Protože jeho ústřední role v základech kvantové fyziky, většina knih, které zkoumají kvantovou oblast, poskytne vysvětlení principu nejistoty s různou úrovní úspěchu. Zde jsou některé z knih, které to dokážou nejlépe, podle názoru tohoto skromného autora. Dvě jsou obecné knihy o kvantové fyzice jako celku, zatímco další dvě jsou stejně biografické jako vědecké a dávají skutečné vhledy do života a díla Wernera Heisenberga:

• Úžasný příběh kvantové mechaniky James Kakalios
• Kvantový vesmír Brian Cox a Jeff Forshaw
• Beyond Neistota: Heisenberg, Quantum Physics a Bomb od Davida C. Cassidy
• Nejistota: Einstein, Heisenberg, Bohr a Boj za duši vědy David Lindley