Понимание принципа неопределенности Гейзенберга

Принцип неопределенности Гейзенберга является одним из краеугольных камней квантовая физика, но это часто не глубоко понято теми, кто не тщательно изучил это. Хотя это, как следует из названия, определяет определенный уровень неопределенности на самых фундаментальных уровнях сама природа, эта неопределенность проявляется очень ограниченно, поэтому она не влияет на нас в нашей повседневной жизни жизни. Только тщательно построенные эксперименты могут раскрыть этот принцип на работе.

В 1927 году немецкий физик Вернер Гейзенберг выдвинул то, что стало известно как Принцип неопределенности Гейзенберга (или просто принцип неопределенности или иногда Принцип Гейзенберга). Пытаясь построить интуитивную модель квантовой физики, Гейзенберг обнаружил, что были определенные фундаментальные отношения, которые накладывали ограничения на то, насколько хорошо мы могли знать определенные величины. В частности, в самом прямом применении принципа:

Чем точнее вы знаете положение частицы, тем менее точно вы можете одновременно узнать импульс этой же частицы.

Принцип неопределенности Гейзенберга - очень точное математическое утверждение о природе квантовой системы. В физическом и математическом плане это ограничивает степень точности, которую мы можем когда-либо говорить о системе. Следующие два уравнения (также показаны в более красивой форме на рисунке вверху этой статьи), называемые отношения неопределенности Гейзенберга, являются наиболее распространенными уравнениями, связанными с неопределенностью принцип:

Уравнение 1: дельта- Икс * дельта- п пропорционально час-бар
Уравнение 2: дельта- Е * дельта- T пропорционально час-бар

Символы в приведенных выше уравнениях имеют следующие значения:

• час-bar: называется «уменьшенная постоянная Планка», это значение постоянной Планка делится на 2 * пи.
• дельта-ИксЭто неопределенность в положении объекта (скажем, данной частицы).
• дельта-пЭто неопределенность в импульсе объекта.
• дельта-ЕЭто неопределенность в энергии объекта.
• дельта-T: Это неопределенность в измерении времени объекта.

Из этих уравнений мы можем определить некоторые физические свойства неопределенности измерения системы, основываясь на соответствующем уровне точности наших измерений. Если неопределенность в любом из этих измерений становится очень маленькой, что соответствует наличию чрезвычайно точного измерения, то эти соотношения говорят нам, что соответствующая неопределенность должна возрасти, чтобы сохранить пропорциональность.

Другими словами, мы не можем одновременно измерять оба свойства в каждом уравнении с неограниченным уровнем точности. Чем точнее мы измеряем положение, тем менее точно мы можем одновременно измерять импульс (и наоборот). Чем точнее мы измеряем время, тем менее точно мы можем одновременно измерять энергию (и наоборот).

Хотя вышесказанное может показаться очень странным, на самом деле есть приличное соответствие тому, как мы можем функционировать в реальном (то есть в классическом) мире. Допустим, мы наблюдали за гоночной машиной на трассе и должны были записывать, когда она пересекла финишную черту. Мы должны измерить не только время, когда он пересекает финишную черту, но и точную скорость, с которой он это делает. Мы измеряем скорость, нажимая кнопку на секундомере в тот момент, когда видим, что он пересекает финишную черту, и измеряем скорость смотреть на цифровую индикацию (которая не соответствует просмотру машины, поэтому вы должны повернуть голову, как только она пересечет финишную черту) линия). В этом классическом случае явно есть некоторая неопределенность по этому поводу, потому что эти действия занимают некоторое физическое время. Мы увидим, как машина коснулась финишной линии, нажала кнопку секундомера и посмотрела на цифровой дисплей. Физическая природа системы накладывает определенные ограничения на то, насколько точно все это может быть. Если вы сосредоточены на попытке наблюдать за скоростью, то при измерении точного времени на финишной прямой вы можете быть немного не в себе, и наоборот.

Как и в большинстве попыток использовать классические примеры для демонстрации квантового физического поведения, существуют недостатки этой аналогии, но это в некоторой степени связано с физической реальностью в работе в квантовой область. Соотношения неопределенности проистекают из волнообразного поведения объектов в квантовом масштабе, и Тот факт, что очень трудно точно измерить физическое положение волны, даже в классическом случаев.

Принцип неопределенности очень часто путают с феноменом эффект наблюдателя в квантовой физике, такой как то, что проявляется во время Кот Шредингера мысленный эксперимент. На самом деле это две совершенно разные проблемы в квантовой физике, хотя обе они обременяют наше классическое мышление. Принцип неопределенности на самом деле является фундаментальным ограничением способности делать точные заявления о поведении квантовой системы, независимо от нашего фактического акта наблюдения или нет. Эффект наблюдателя, с другой стороны, подразумевает, что если мы сделаем определенный тип наблюдения, сама система будет вести себя иначе, чем без этого наблюдения.

Из-за его центральной роли в основах квантовой физики, большинство книг, которые исследуют квантовую сферу, дадут объяснение принципа неопределенности с различными уровнями успеха. Вот некоторые из книг, которые делают это лучше всего, по мнению этого скромного автора. Две книги общего характера по квантовой физике в целом, в то время как две другие являются настолько же биографическими, что и научными, и дают реальное представление о жизни и творчестве Вернера Гейзенберга:

• Удивительная история квантовой механики Джеймс Какалиос
• Квантовая Вселенная Брайан Кокс и Джефф Форшоу
• За пределами неопределенности: Гейзенберг, Квантовая физика и бомба Дэвида С. Кэссиди
• Неопределенность: Эйнштейн, Гейзенберг, Бор и борьба за душу науки Дэвид Линдли