Heisenbergio neapibrėžtumo principas • Jamesas Trefilis, Enciklopedija "Dviejų šimtų visatos įstatymų"

Heisenbergo neapibrėžtumo principas

Kasdieniame gyvenime esame apsupti materialių objektų, kurių matmenys yra panašūs į mus: automobiliai, namai, smėlio grūdai ir tt Mūsų intuityvios idėjos apie pasaulio struktūrą formuojamos kasdieniškai stebint tokių objektų elgesį. Kadangi visi mes gyvename už mus, per savo metus sukaupta patirtis mums parodo, kad kai viskas, ką mes matome, pakartotinai elgiasi tam tikru būdu, tai reiškia, kad visoje Visatoje visais svarstymais materialieji objektai turėtų elgtis panašiai. O kai pasirodo, kad kažkas kažkuo nevykdo įprastų taisyklių ir prieštarauja mūsų intuityviam požiūriui į pasaulį, tai ne tik stebina mus, tai yra šokiruojantis.

Pirmuoju dvidešimto amžiaus ketvirčiu tai buvo fizikų reakcija, kai jie pradėjo tirti materijos elgesį atominiame ir subatominiame lygmenyse. Kvantinės mechanikos atsiradimas ir spartus vystymasis atvėrė mums visą pasaulį, kurio sistemos struktūra paprasčiausiai netelpa į sveikuosius jausmus ir visiškai prieštarauja mūsų intuityvioms idėjoms. Tačiau turime prisiminti, kad mūsų intuicija yra pagrįsta įprastų objektų, atitinkančių mūsų mastą, elgesio patirtimi,ir kvantinė mechanika apibūdina tai, kas mums atsiranda mikroskopiniame ir nematomajame lygmenyje – niekas jų niekada nebuvo tiesiogiai susidūręs. Jei pamirsime apie tai, mes neišvengiamai pateksime į visišką painiavą ir susižavėjimą. Dėl savęs aš suformulavau tokį požiūrį į kvantinius-mechaninius efektus: kai "vidinis balsas" pradeda kartoti "tokio dalyko negali būti"! Jūs turite užduoti sau klausimą: "Kodėl gi ne? Kaip sužinoti, kaip viskas iš tikrųjų yra išdėstyta atomo viduje? Ar aš pažiūrėjau ten pats? "Koreguodami save tokiu būdu, jums bus lengviau priimti šios knygos straipsnius, skirtus kvantinei mechanikai.

"Heisenbergo principas dažniausiai atlieka pagrindinį vaidmenį kvantinėje mechanikoje, jei tik todėl, kad jis gana aiškiai paaiškina, kaip ir kodėl mikrogarsis skiriasi nuo materialaus pasaulio, kuriame mes esame susipažinę. Norėdami suprasti šį principą, pradėkite galvoti apie tai, ką reiškia "išmatuoti" bet kokią vertę. Pavyzdžiui, norėdami rasti šią knygą, jūs, įeinate į kambarį, žiūrėkite į ją, kol ji sustos. Fizikos kalba tai reiškia, kad jūs padarėte vizualų matavimą (radote knygą savo akimis) ir gavo rezultatą – nustatėte savo erdvines koordinates (nustatė knygos vietą kambaryje).Tiesą sakant, matavimo procesas yra daug sudėtingesnis: šviesos šaltinis (pvz., Saulė ar lempa) skleidžia spindulius, kurie, pravažiuodami tam tikru keliu erdvėje, sąveikauja su knyga, atspindi jo paviršių, po kurio kai kurie iš jų pasiekia jūsų akis, praeina pro objektyvas sufokusuoja, patenka į tinklainę – ir jūs matote knygos įvaizdį ir nustatote savo poziciją erdvėje. Čia matavimo raktas yra šviesos ir knygos sąveika. Taigi su bet kokiu matavimu įsivaizduokite, kad matavimo priemonė (šiuo atveju ji yra šviesa) sąveikauja su matavimo objektu (šiuo atveju tai yra knyga).

Klasikinėje fizikoje, pagrįstoje Niutono principais ir taikomomis mūsų paprasto pasaulio objektui, esame įpratę ignoruoti faktą, kad matavimo priemonė, sąveikaujanti su matavimo objektu, paveikia ją ir keičia jo savybes, iš tikrųjų, išmatuotas vertes. Kai įjungiate į kambarį esančią šviesą, kad surastumėte knygą, jūs net nemanote, kad knyga gali pasitraukti iš savo vietos veikiant šviesos spindulių spaudimui, ir jūs sužinosite erdvines koordinates, iškreiptas jūsų įjungtos šviesos.Intuicija mums (ir šiuo atveju gana teisingai) mums sako, kad matavimo aktas neturi įtakos matavimo objekto išmatuotoms savybėms. Ir dabar galvok apie procesus, vykstančius subatominiame lygyje. Tarkime, man reikia nustatyti erdvinę elektrono vietą. Man tebėra reikalinga matavimo priemonė, kuri bendraus su elektronu ir grąžins signalą savo detektoriams su informacija apie jo vietą. Ir tada yra sunku: aš neturiu kitų priemonių bendravimui su elektronu nustatyti savo padėtį erdvėje, be kitų elementarių dalelių. Ir jei prielaida, kad šviesa, į kurią įeina sąveika su knyga, neturi įtakos jo erdvinėms koordinacijoms, tai neįmanoma pasakyti apie matuoto elektrono sąveiką su kitu elektronu ar fotonais.

1920-ųjų pradžioje, kai sparčiai augo kūrybinės minties, kuri sukūrė kvantinę mechaniką, šią problemą pirmą kartą suprato jaunas vokiečių teorinis fizikas Werneris Heisenbergas. Pradedant sudėtingomis matematinėmis formulėmis, apibūdinančiomis pasaulį subatominiu lygmeniu,Jis palaipsniui atėjo į nuostabiai paprastą formulę, kurioje pateikiamas bendras matuoklių matavimo priemonių poveikis matuojamiems microworld objektams, apie kuriuos ką tik kalbėjome. Kaip rezultatas, jis suformulavo netikrumo principaspavadintas dabar pagal jo pavadinimą:

x koordinatės greičio neapibrėžtumo neapibrėžtis> h/m,

kurio matematinė išraiška yra vadinama Heisenbergio neapibrėžtumo santykis:

Δx x Δv > h/m

kur Δx – mikroskopos erdvinių koordinačių neapibrėžtis (matavimo paklaida), Δv – dalelių greitis netikrumas, m – dalelių masė ir h – Plancko konstanta, pavadinta po vokiečių fiziko Maxo Planco, kuris buvo vienas iš kvantavimo mechanikų steigėjų. Plancko konstanta yra maždaug 6,626 x 10-34 J · s, ty yra 33 nuliai po pirmojo reikšmingo skaičiaus po kablelio.

Sąvoka "erdvinės koordinatės neapibrėžtys" tiesiog reiškia, kad mes nežinome tikslios dalelės vietos. Pvz., Jei naudosite bendrąsias GPS žvalgybos sistemas, kad nustatytumėte šios knygos vietą, sistema apskaičiuoja juos 2-3 metrų tikslumu.(GPS, Global Positioning System yra navigacijos sistema, kurioje dalyvauja 24 dirbtiniai Žemės palydovai. Jei ant automobilio yra įdiegtas GPS imtuvas, pavyzdžiui, priimant signalus iš šių palydovų ir lyginant jų vėlinimo laiką, sistema nustato jūsų geografines koordinates Žemėje su kampo sekundės tikslumu). Tačiau, atsižvelgiant į GPS priemonės atliktą matavimą, knyga gali su kuria nors tikimybe būti vienoje vietoje, esančioje sistemos nustatytų kelių kvadratinių metrų ribose. Šiuo atveju mes kalbame apie objekto erdvinių koordinačių neapibrėžtumą (šiame pavyzdyje – knygą). Padėtis gali būti pagerinta priimant ruletę vietoj GPS – šiuo atveju galime pasakyti, kad knyga yra, pavyzdžiui, 4 metrai 11 cm nuo vienos sienos ir 1 m 44 cm nuo kitos. Tačiau čia matavimo tikslumu taip pat ribojamas minimalus ruletės skalės padalijimas (net jei jis yra milimetras) ir matavimo klaidos bei pats instrumentas, o geriausiu atveju mes galime nustatyti objekto erdvinę padėtį tikslumu iki minimalaus skalės padalijimo. Kuo tiksliau naudojamas įrenginys, tuo tikslesni gaunami rezultatai, tuo mažesnė bus matavimo paklaida, taigi mažesnė neapibrėžtis.Iš esmės mūsų paprasto pasaulio galime sumažinti netikrumą iki nulio ir nustatyti tikslias knygos koordinates.

Ir čia mes ateiti į pagrindinį mikrobrandų skirtumą iš mūsų kasdienio fizinio pasaulio. Paprastame pasaulyje, matuojant kūno padėtį ir greitį erdvėje, mes praktiškai į jį neveikia. Taigi idealu galime tuo pačiu metu tiksliai matuoti objekto greitį ir jo koordinates (kitaip tariant, su nuline neapibrėžtimi).

Tačiau kvantinių reiškinių pasaulyje bet koks matavimas daro poveikį sistemai. Iš tikrųjų mūsų matavimo faktas, pavyzdžiui, dalelių buvimo vieta, lemia jo greičio pasikeitimą, be to, nenuspėjamą (ir atvirkščiai). Štai kodėl dešinysis Heisenbergo santykis nėra nulinis, o teigiamas kiekis. Kuo mažesnis netikrumas, palyginti su vienu kintamu (pvz., Δx), tuo labiau neapibrėžtas tampa kitu kintamuoju (Δv), nes dviejų kreivių santykio klaidų produktas negali būti mažesnis nei jo dešinėje pusėje esantis konstanta. Tiesą sakant, jei nustačius vieną iš išmatuotų verčių nulinę klaidą (visiškai tiksliai), kitos vertės netikrumas bus begalybė, ir mes apie tai nieko nežinome.Kitaip tariant, jei mes galėtume tiksliai nustatyti kvantinės dalelės koordinates, mes neturėtume apie jo greitį suprasti; jei galėtume tiksliai nustatyti dalelių greitį, mes neturėtume suprasti, kur tai yra. Praktikoje, žinoma, eksperimentuotojai visada turėtų ieškoti kompromiso tarp šių dviejų kraštutinumų ir pasirinkti matavimo metodai turi būti vertinami pakankamai tiksliai ir greitai, ir erdvinės padėties dalelių.

Tiesą sakant, Heizenbergo neapibrėžtumo principas yra susijęs ne tik erdvinių koordinačių ir greičio – šiame pavyzdyje jis tiesiog pats aiškiai pasireiškiantis; vienodai neapibrėžtumas jungia kitas poras tarpusavyje susijusių mikroskopinių savybių. Panaši logika, mes atvykti į į tiksliai išmatuoti kvantinės sistemos energiją, siekiant nustatyti laiką, per kurį ši energija ji turi negalėjimo sudarymo. Tai yra, jei mes atliekame su Kvantinė sistemos būklę matavimą siekiant nustatyti savo energijos, tai matavimas užtruks tam tikrą laiką – tegul ją vadina Δt. Per šį laikotarpį sistemos energija keičiasi atsitiktinai – tai įvyksta svyravimai, – ir mes negalime atskleisti. Apibūdinkite energijos paklaidą ΔE. Remiantis motyvais, panašiu į aukščiau pateiktą, mes susiduriame su panašiu santykiu ΔE ir laiko neapibrėžtumai, kad kvantinė dalelė turėjo šią energiją:

ΔEΔt > h

Kalbant apie neapibrėžtumo principą, reikia padaryti dar du svarbesnius dalykus:

tai nereiškia, kad bet kuri iš dviejų dalelių savybių – erdvinė vieta ar greitis – negali būti savavališkai tiksliai išmatuota;

Neapibrėžties principas veikia objektyviai ir nepriklauso nuo pagrįsto matavimo objekto buvimo.

Kartais galite rasti teiginių, kad neapibrėžtumo principas reiškia, kad kvantinės dalelės nėra tam tikras erdvines koordinates ir greitis arba kad šie kiekiai yra visiškai nepasenami. Netikėkite: kaip ką tik matėme, neapibrėžtumo principas mums neužkerta kelio bet kuriuo iš šių kiekių matuoti bet kokiu norimu tikslumu. Jis tvirtina tik, kad mes negalime patikimai atpažinti abu juos tuo pačiu metu. Ir, kaip ir daugeliu kitų dalykų, esame priversti kompromisą.Vėlgi, rašytojai Anthroposophists rėmėjai "New Era" sąvoka kartais teigiama, kad, neva, nes matavimai suponuoja pagrįstą stebėtojo buvimą, tai reiškia, kad dėl kai kurių pagrindinio lygio, žmogaus sąmonė yra sujungtas su Visuotinio Proto, ir kad tai santykiai sukelia neapibrėžtumo principas . Pakartoti šia proga dar kartą, kad raktas į Heizenbergo neapibrėžtumo anketa atžvilgiu yra tarp dalelių matavimo objektą ir matavimo priemonės, turinčios įtakos jos rezultatus sąveika. Ir faktas, kad mokslininkas yra pagrįstas stebėtojas, nėra aktualus; bet kokiu atveju matavimo priemonė daro įtaką jo rezultatams, nepaisant to, ar yra racionali būtybė.

Taip pat žiūrėkite:
1867
Maksvelo demonas
1900
Planka pastovi
1923
Atitikties principas
1924
Pauli ban principas
1964
Bell'io teorema
Werner Karl Geisenberg
Werneris Karlas Heisenbergas, 1901-76

Vokiečių teorinis fizikas. Gimė Würzburge. Jo tėvas buvo Miuncheno universiteto Bizantologijos profesorius. Be savo puikių matematinių sugebėjimų, jis pasirodė muzikoje nuo vaikystės ir siekė pianisto.Būdamas moksleivis, jis buvo milicijos žmonių, kurie išlaikė tvarką Miunchene neramus laikais, įvykusius po Vokietijos pralaimėjimo I pasauliniame kare. 1920 m. Jis tapo Miuncheno universiteto matematikos katedros studentu, tačiau tais metais atsisakydamas dalyvauti seminare aktualiomis matematikos problemomis jis buvo perkeltas į teorinės fizikos skyrių. Tais metais visas fizikų pasaulis gyveno po įspūdžio, kad atrodo naujas atomas (žr Atomas Bohras), ir visi iš jų teorininkai suprato, kad atomo aplinkoje vyksta kažkas keista.

Apsaugodamas diplomą 1923 m., Heisenbergas pradėjo darbą Gottingene dėl atominės struktūros problemų. 1925 m. Gegužės mėn. Jis sirgo šienligės ataką, o tai privertė jauną mokslininką kelis mėnesius visiškai ištverti mažoje Helgolando saloje, nukirsta iš išorinio pasaulio, ir taip priverstinai izoliuoti nuo išorinio pasaulio, kaip ir Izaokas Newtonas karantino maro namelis dar 1665 m. Visų pirma, per šiuos mėnesius mokslininkai sukūrė teoriją matrica mechanika – naujas kintamos mechanikos matematinis aparatas. Matricos mechanika, kaip parodė laikas, yra matematiniu požiūriu lygiavertė kvantinės bangos mechanikai, kuri pasirodė po metų, įterptų į lygtys Шредингера, apibūdinantys procesus квантового pasaulio. Tačiau praktikoje pasirodė, kad sunkiau naudoti matricos mechanikos aparatą, o šiandien teoriniai fizikai dažniausiai naudoja bangų mechanikos koncepcijas.

1926 m. Heisenbergas Kopenhagoje tapo Nielso Bohro padėjėju. Būtent ten jis 1927 m. Suformulavo savo neapibrėžtumo principą – ir galima pagrįstai teigti, kad tai buvo jo didžiausias indėlis į mokslo raidą. Tais pačiais metais Heisenbergas tapo Leipcigo universiteto profesoriaus, jauniausio Vokietijos istorijos profesoriaus. Nuo to laiko jis pradėjo kovoti su vieningos lauko teorijos kūrimu (žr Visuotinės teorijos) – iš esmės ir nesėkmingai. Už jo pagrindinį vaidmenį plėtojant Kvantinės mechanikos teoriją 1932 m. Heisenbergas buvo suteikta Nobelio premija fizikoje, skirta sukurti kvantinę mechaniką.

Istoriniu požiūriu Wernerio Heisenbergo asmenybė turbūt amžinai liktų sinonimu su šiek tiek kitokio pobūdžio neapibrėžtumu.Su nacionalsocialistų partijos atsiradimu sunkiausiai suprantamas puslapis buvo atidarytas jo biografijoje. Pirma, esant teoriniam fizikui, jis įsitraukė į ideologinę kovą, kurioje teorinė fizika buvo pavadinta "žydų fizika", o pats Heisenbergas viešai vadinosi naujomis institucijomis "baltu žydu". Tik po eilės asmeninių kreipimųsi į aukščiausio rango pareigūnus nacistinės vadovybės gretas mokslininkas sugebėjo sustabdyti prieš jį viešą persekiojimo kampaniją. Labiau probleminis yra Heisenbergo vaidmuo Vokietijos branduolinių ginklų kūrimo programoje Antrojo pasaulinio karo metu. Tuo metu, kai dauguma jo kolegų emigravo arba buvo priversti bėgti iš Vokietijos Hitlerio režimo spaudimu, Heisenbergas vadovavo Vokietijos nacionalinei branduolinei programai.

Jo vadovaujama programa skirta tik branduolinio reaktoriaus statybai, tačiau jo garsiojo susitikimo su Heisenbergo 1941 m. Metu Niels Bohr sukūrė įspūdį, kad tai tik padengti, bet iš tikrųjų branduoliniai ginklai buvo sukurti kaip šios programos dalis.Taigi, kas iš tikrųjų atsitiko? Ar Heisenbergas sąmoningai ir savo sąžinės vadovo vadovavosi Vokietijos atominės bombų plėtros programai iki galo ir atsiųs jį taikiai, kaip vėliau tvirtino? Ar jis paprasčiausiai padarė klaidų suprasti branduolinio nykstymo procesus? Kaip ir taip, Vokietija neturėjo laiko sukurti atominių ginklų. Kaip rodo "Copenhagen" puikiosios Michael Frayn (Michael Frayn) pjesės, ši istorinė mįslė greičiausiai suteiks pakankamai medžiagos daugiau nei vienai kartai grojant literatūrininkus.

Po karo Heisenbergas aktyviai palaikė tolesnę Vakarų Vokietijos mokslo plėtrą ir susivienijo su tarptautine mokslo bendruomene. Jos įtaka tarnavo kaip svarbi priemonė, leidžianti pasiekti po Vakarų Vokietijos ginkluotųjų pajėgų branduolinę laisvę pokario laikotarpiu.


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: