Razumevanje Heisenbergovega načela negotovosti

Načelo negotovosti Heisenberga je eden od temeljev tega kvantna fizika, toda tisti, ki ga niso natančno preučili, ga pogosto ne razumejo globoko. Medtem ko to, kot že ime pove, opredeljuje določeno raven negotovosti na najbolj temeljnih ravneh leta 2007 narava sama, se ta negotovost manifestira na zelo omejen način, zato nas ne vpliva na naš vsakdan življenja. Samo skrbno sestavljeni poskusi lahko razkrijejo to načelo pri delu.

Leta 1927 je nemški fizik Werner Heisenberg predstavil tisto, kar je postalo znano kot Načelo negotovosti Heisenberga (ali samo načelo negotovosti ali včasih Heisenbergovo načelo). Medtem ko je poskušal zgraditi intuitiven model kvantne fizike, je Heisenberg tam razkril so bili določeni temeljni odnosi, ki omejujejo, kako dobro bi jih lahko vedeli količine. Zlasti pri najpreprostejši uporabi načela:

Bolj ko natančno poznate položaj delca, manj natančno lahko istočasno poznate zagon istega delca.

Heisenbergovo načelo negotovosti je zelo natančna matematična izjava o naravi kvantnega sistema. V fizikalnem in matematičnem smislu omejuje stopnjo natančnosti, o kateri lahko kdaj govorimo o sistemu. Naslednji dve enačbi (tudi v lepši obliki, prikazani na sliki na vrhu tega članka), imenovane Heisenbergova razmerja negotovosti, so najpogostejše enačbe, povezane z negotovostjo načelo:

Enačba 1: delta- x * delta- str je sorazmerna z h-bar
Enačba 2: delta- E * delta- t je sorazmerna z h-bar

Simboli v zgornjih enačbah imajo naslednji pomen:

• h-bar: Klicano je "zmanjšana Planckova konstanta", to ima vrednost Planckove konstante, deljeno z 2 * pi.
• delta-x: To je negotovost položaja predmeta (recimo določenega delca).
• delta-str: To je negotovost v zagonu predmeta.
• delta-E: To je negotovost energije predmeta.
• delta-t: To je negotovost pri merjenju časa predmeta.

Iz teh enačb lahko povemo nekatere fizikalne lastnosti merilne negotovosti sistema, ki temeljijo na ustrezni stopnji natančnosti z meritvijo. Če negotovost pri kateri koli od teh meritev postane zelo majhna, kar ustreza izjemno natančni meritev, potem nam ta razmerja povedo, da bi se morala ustrezna negotovost povečati, da bi ohranili sorazmernost.

Z drugimi besedami, ne moremo hkrati meriti obeh lastnosti znotraj vsake enačbe do neomejene stopnje natančnosti. Bolj ko natančno merimo položaj, manj natančno smo sposobni hkrati meriti zagon (in obratno). Bolj ko natančno merimo čas, manj natančno smo sposobni hkrati meriti energijo (in obratno).

Čeprav se zgornje morda zdi zelo nenavadno, dejansko obstaja spodobno ujemanje s tem, kako lahko delujemo v resničnem (torej klasičnem) svetu. Recimo, da smo na dirkališču gledali dirkalnik in naj bi snemali, ko je prečkal ciljno črto. Meriti bi morali ne le čas, ko prečka ciljno črto, temveč tudi natančno hitrost, pri kateri to stori. Hitrost izmerimo s pritiskom gumba na štoparici v trenutku, ko jo prečkamo ciljno črto in merimo hitrost s gledanje digitalnega odčitavanja (ki ni v skladu z gledanjem avtomobila, zato morate obrniti glavo, ko prečka cilj vrstica). V tem klasičnem primeru je glede tega očitno določena stopnja negotovosti, saj ta dejanja trajajo nekaj fizičnega časa. Videli bomo, da se bo avtomobil dotaknil ciljne črte, pritisnil gumb štoparice in pogledal na digitalni zaslon. Fizična narava sistema postavlja natančno mejo, kako natančno je to lahko. Če se osredotočate na to, da poskušate opazovati hitrost, potem boste morda merili malo, če merite točen čas čez ciljno črto in obratno.

Tako kot pri večini poskusov uporabe klasičnih primerov za prikaz kvantnega fizičnega vedenja tudi tukaj obstajajo pomanjkljivosti s to analogijo, vendar je nekoliko povezano s fizično resničnostjo pri delu v kvantu kraljestvo Razmerja negotovosti izhajajo iz vedenja objektov na kvantni lestvici in podobno dejstvo, da je zelo težko natančno izmeriti fizični položaj vala, tudi v klasičnem primerov.

Zelo običajno je, da se načelo negotovosti zmede s pojavom opazovalni učinek v kvantni fiziki, kot je tista, ki se manifestira med Schroedingerjeva mačka miselni eksperiment. To sta pravzaprav dva popolnoma različna vprašanja kvantne fizike, čeprav oba obdavčujeta naše klasično razmišljanje. Načelo negotovosti je pravzaprav temeljna omejitev zmožnosti natančnih izjav o obnašanju kvantnega sistema, ne glede na naše dejansko dejanje opazovanja ali ne. Po drugi strani pa opazovalni učinek pomeni, da se bo sistem sam obnašal drugače, kot če ne bi imel opazovanja.

Večina knjig, ki raziskujejo kvantno področje, bo zaradi svoje osrednje vloge v temeljih kvantne fizike podala razlago načela negotovosti z različnimi stopnjami uspeha. Tukaj je nekaj knjig, po katerih gre po mojem mnenju, najbolje. Dve sta splošni knjigi o kvantni fiziki kot celoti, drugi dve pa sta toliko biografski kot znanstveni, da dajeta resnični vpogled v življenje in delo Wernerja Heisenberga:

• Neverjetna zgodba kvantne mehanike avtor James Kakalios
• Kvantni vesolje avtor Brian Cox in Jeff Forshaw
• Nad negotovostjo: Heisenberg, kvantna fizika in bomba Davida C. Cassidy
• Negotovost: Einstein, Heisenberg, Bohr in boj za dušo znanosti Davida Lindleyja