A Heisenbergi bizonytalanság elvének megértése

Heisenberg bizonytalansági elve az egyik sarokköve kvantumfizika, de azok, akik még nem gondosan tanulmányozták, gyakran nem értik mélyen. Noha ez, ahogy a neve is sugallja, meghatározza a bizonytalanság bizonyos szintjét a maga a természet, ez a bizonytalanság nagyon korlátozottan manifesztálódik, tehát nem érinti bennünket mindennapi életünkben él. Csak alaposan megtervezett kísérletek fedhetik fel ezt az elvet a munka során.

1927-ben a német fizikus, Werner Heisenberg ismertette a Heisenberg bizonytalanság elve (vagy csak bizonytalanság elve vagy néha Heisenberg-elv). A kvantumfizika intuitív modelljének felépítésekor Heisenberg felfedezte ezt bizonyos alapvető kapcsolatok voltak, amelyek korlátozták azt, hogy mennyire tudunk bizonyosokat tudni mennyiségben. Pontosabban, az elv legegyszerűbb alkalmazása során:

Minél pontosabban ismeri a részecske helyzetét, annál kevésbé tudja egyidejűleg megismerni ugyanazon részecske lendületét.

Heisenberg bizonytalansági elve egy nagyon pontos matematikai megállapítás a kvantumrendszer természetéről. Fizikai és matematikai szempontból korlátozza annak a pontosságnak a mértékét, amelyről valaha is beszélhetünk egy rendszerről. A következő két egyenlet (szintén szebb formában, a cikk tetején látható ábra): a Heisenberg bizonytalanság kapcsolatoknak nevezik a bizonytalansággal kapcsolatos leggyakoribb egyenleteket elv:

1. egyenlet: delta- x * delta- p arányos a h-rúd
2. egyenlet: delta- E * delta- t arányos a h-rúd

A fenti egyenletekben szereplő szimbólumok jelentése a következő:

• h-sáv: A "redukált Planck-állandó" -nak nevezzük, ez a Planck-állandó értékét osztja 2 * pi-vel.
• delta-x: Ez egy objektum (mondjuk egy adott részecske) helyzetének bizonytalansága.
• delta-p: Ez egy objektum lendület bizonytalansága.
• delta-E: Ez egy tárgy energia bizonytalansága.
• delta-t: Ez egy objektum időmérésének bizonytalansága.

Ezekből az egyenletekből megtudhatjuk a rendszer mérési bizonytalanságának néhány fizikai tulajdonságát, a mérésünkkel megadott pontossági szint alapján. Ha a mérések bármelyikénél a bizonytalanság nagyon kicsi, ami megfelel egy rendkívül pontos mérésnek mérés, akkor ezek a kapcsolatok azt mondják nekünk, hogy a megfelelő bizonytalanságnak növekednie kell, hogy fenntartsa a arányosság.

Más szavakkal, nem szabad egyszerre mérni mindkét tulajdonságot az egyenletekben korlátlan pontosságig. Minél pontosabban mérjük a pozíciót, annál kevésbé képesek vagyunk egyszerre mérni a lendületet (és fordítva). Minél pontosabban mérjük az időt, annál kevésbé képesek vagyunk egyszerre mérni az energiát (és fordítva).

Noha a fentiek nagyon furcsanak tűnhetnek, valójában megfelelő módon felel meg a valós (azaz a klasszikus) világ működésének módja. Tegyük fel, hogy egy versenyautót néztünk egy pályán, és fel kellett volna készülnünk, amikor átjutott a célvonalon. Nemcsak azt kell megmérnünk, hogy mennyi idő alatt halad át a célvonalon, hanem azt is, hogy mekkora a sebesség. A sebességet úgy nyomjuk meg, hogy egy gombot megnyomunk egy stopperóra azon a pillanatban, amikor azt látjuk, hogy átlép a célvonalon, és a sebességet digitális leolvasás (ami nem felel meg az autó figyelésének, tehát el kell fordítania a fejét, ha az átlép a célba) vonal). Ebben a klasszikus esetben nyilvánvalóan bizonyos fokú bizonytalanság van ebben, mivel ezek a műveletek fizikai időt vesznek igénybe. Meglátjuk, hogy az autó megérinti a célvonalat, nyomja meg a stopper gombot, és megnézi a digitális kijelzőt. A rendszer fizikai jellege határozott korlátot szab arra, hogy mindez pontosan mekkora lehet. Ha arra koncentrál, hogy megpróbálja megfigyelni a sebességet, akkor lehet, hogy egy kicsit elhagyja a pontos idő mérését a célvonalon, és fordítva.

Mint a legtöbb kísérletnél, amelyben a klasszikus példákat alkalmazzák a kvantumfizikai viselkedés bemutatására, vannak hibákat mutat ennek az analógiának, de ez kissé kapcsolódik a kvantumban dolgozó fizikai valósághoz birodalom. A bizonytalanságviszonyok a tárgyak hullámszerű viselkedéséből adódnak kvantum skálán, és a az a tény, hogy nagyon nehéz pontosan mérni egy hullám fizikai helyzetét, még a klasszikusban is esetben.

Nagyon gyakori, hogy a bizonytalanság elve összetéveszthető a megfigyelő hatás a kvantumfizikában, mint amilyen a Schroedinger macska gondolatkísérlet. Ez valójában két teljesen eltérő kérdés a kvantumfizikában, bár mindkettő adózik a klasszikus gondolkodásunkon. A bizonytalanság elve valójában alapvetõ korlátozás a pontos állítások megtételére a kvantumrendszer viselkedéséről, függetlenül attól, hogy mi a megfigyelés tényleges cselekedete. A megfigyelő hatás viszont azt jelenti, hogy ha megteszünk egy bizonyos típusú megfigyelést, maga a rendszer másképp viselkedik, mint amellyel a megfigyelés helyett lenne.

A kvantumfizika alapjaiban betöltött központi szerepe miatt a legtöbb, a kvantum birodalmat feltáró könyv magyarázatot ad a bizonytalanság elvére, eltérő szintű sikerrel. Íme néhány könyv, amely ezt a szerény szerző véleménye szerint a legjobban csinálja. Kettő az egész kvantumfizikáról szóló általános könyv, míg a másik kettő életrajzi, mint tudományos, valódi betekintést nyújt Werner Heisenberg életébe és munkájába:

• A kvantummechanika csodálatos története James Kakalios készítette
• A kvantum-univerzum Brian Cox és Jeff Forshaw
• A bizonytalanságon túl: Heisenberg, kvantumfizika és David C. bomba Cassidy
• Bizonytalanság: Einstein, Heisenberg, Bohr és David Lindley a tudomány lélekért folytatott küzdelem