Razumijevanje Heisenbergovog načela nesigurnosti

Heisenbergov princip neizvjesnosti jedan je od temelja za kvantna fizika, ali to često nisu duboko razumjeli oni koji ga nisu pažljivo proučavali. Iako to, kako i samo ime govori, definira određenu razinu neizvjesnosti na najosnovnijim razinama sama priroda, ta se neizvjesnost očituje na vrlo ograničen način, tako da ne utječe na nas u našoj svakodnevici živi. Samo pažljivo konstruirani eksperimenti mogu otkriti ovaj princip na djelu.

1927. njemački fizičar Werner Heisenberg iznio je ono što je postalo poznato kao Heisenbergov princip neizvjesnosti (ili samo princip neizvjesnosti ili, ponekad, Heisenbergov princip). Dok je pokušavao izgraditi intuitivni model kvantne fizike, Heisenberg je to otkrio bili su određeni temeljni odnosi koji su ograničavali koliko dobro možemo znati količinama. Konkretno, u najprisutnijoj primjeni načela:

Što preciznije znate položaj čestice, manje precizno možete istovremeno znati zamah te iste čestice.

Heisenbergov princip neizvjesnosti vrlo je precizna matematička izjava o prirodi kvantnog sustava. U fizičkom i matematičkom smislu ograničava stupanj preciznosti o kojem ikad možemo govoriti o sustavu. Sljedeće dvije jednadžbe (prikazane također u ljepšem obliku, na slici na vrhu ovog članka), nazvane Heisenbergovim odnosima neizvjesnosti, najčešće su jednadžbe povezane s neizvjesnošću načelo:

Jednadžba 1: delta- x * delta- p proporcionalan je h-bar
Jednadžba 2: delta- E * delta- t proporcionalan je h-bar

Simboli u gornjim jednadžbama imaju sljedeće značenje:

• h-bar: Nazvan "smanjena Planckova konstanta", to ima vrijednost Planckove konstante podijeljeno s 2 * pi.
• delta-x: Ovo je nesigurnost u položaju nekog predmeta (recimo za danu česticu).
• delta-p: Ovo je nesigurnost u zamahu objekta.
• delta-E: Ovo je nesigurnost u energiji objekta.
• delta-t: Ovo je nesigurnost u mjerenju vremena objekta.

Iz ovih jednadžbi možemo reći neka fizička svojstva mjerne nesigurnosti sustava na temelju odgovarajuće razine preciznosti našeg mjerenja. Ako nesigurnost u bilo kojem od tih mjerenja postane vrlo mala, što odgovara vrlo preciznoj mjerenje, onda nam ti odnosi govore da bi se odgovarajuća nesigurnost trebala povećati, da bi održala vrijednost proporcionalnost.

Drugim riječima, ne možemo istovremeno mjeriti oba svojstva unutar svake jednadžbe do neograničene razine preciznosti. Što preciznije mjerimo položaj, manje smo precizno u stanju istovremeno mjeriti zamah (i obrnuto). Što preciznije mjerimo vrijeme, manje smo precizno u stanju istovremeno mjeriti energiju (i obrnuto).

Iako se ovo može činiti vrlo čudnim, zapravo postoji pristojna korespondencija s načinom na koji možemo funkcionirati u stvarnom (to jest, klasičnom) svijetu. Recimo da smo na stazi gledali trkački automobil i trebali smo snimati kad je prešao ciljnu crtu. Mi bi trebali mjeriti ne samo vrijeme prelaska ciljne crte, već i brzinu kojom to postižemo. Brzinu mjerimo pritiskom na gumb na štoperici u trenutku kad vidimo da prijeđe ciljanu crtu i mjerimo brzinu prema gledajući digitalno očitanje (koje nije u skladu s gledanjem automobila, pa morate okrenuti glavu nakon što pređe cilj crta). U ovom klasičnom slučaju očito postoji određeni stupanj nesigurnosti u vezi s tim, jer te radnje zahtijevaju određeno vrijeme. Vidjet ćemo kako automobil dodiruje ciljnu crtu, pritisnite gumb štoperice i pogledamo digitalni zaslon. Fizička priroda sustava nameće određeno ograničenje koliko to sve može biti precizno. Ako se fokusirate na pokušaj promatranja brzine, možda ćete malo odstupiti tijekom mjerenja točnog vremena preko cilja, i obrnuto.

Kao i kod većine pokušaja korištenja klasičnih primjera za demonstriranje kvantnog fizičkog ponašanja, postoji nedostaje s ovom analogijom, ali donekle je povezano s fizičkom stvarnošću koja djeluje u kvantu carstvo. Odnosi nesigurnosti proizlaze iz talasnog ponašanja objekata na kvantnoj skali i činjenica da je vrlo teško precizno izmjeriti fizički položaj vala, čak i u klasičnom slučajeva.

Vrlo je uobičajeno da se princip nesigurnosti zbuni s fenomenom tog pojava efekt promatrača u kvantnoj fizici, poput one koja se očituje tijekom Schroedingerova mačka misaoni eksperiment. To su zapravo dva potpuno različita pitanja unutar kvantne fizike, premda oba oporezuju naše klasično mišljenje. Načelo nesigurnosti zapravo je temeljno ograničenje sposobnosti davanja preciznih izjava o ponašanju kvantnog sustava, bez obzira na to naš stvarni čin promatranja ili ne. Efekt promatrača, s druge strane, podrazumijeva da ćemo, ako napravimo određenu vrstu promatranja, sam sustav ponašati drugačije nego što bi to bilo bez opažanja na mjestu.

Zbog svoje središnje uloge u temeljima kvantne fizike, većina knjiga koje istražuju kvantno područje pružit će objašnjenje principa neizvjesnosti, s različitim razinama uspjeha. Evo nekih knjiga koje mi po ovom skromnom autorovom mišljenju najbolje idu. Dvije su općenite knjige o kvantnoj fizici u cjelini, dok su druge dvije jednako toliko biografske kao i znanstvene, koje daju stvarne uvide o životu i djelu Wernera Heisenberga:

• Iznenađujuća priča kvantne mehanike autor James Kakalios
• Kvantni svemir autora Briana Coxa i Jeffa Forshawa
• Iza neizvjesnosti: Heisenberg, kvantna fizika i bomba Davida C. Cassidy
• Nesigurnost: Einstein, Heisenberg, Bohr i Borba za dušu znanosti David Lindley