Heisenberg usikkerhedsprincip • James Trefil, Encyclopedia "To hundrede universets love"

Heisenberg usikkerhedsprincip

I hverdagen er vi omgivet af materielle genstande, hvis dimensioner er sammenlignelige med os: biler, huse, sandkorn mv. Vores intuitive ideer om verdens struktur er dannet som følge af daglig observation af sådanne objekters adfærd. Da vi alle har et liv bag os, oplever erfaringerne i løbet af sine år, at når alt, hvad vi ser gentagne gange opfører sig på en bestemt måde, betyder det, at i alle universet på alle skalaer skal materielle objekter opføre sig på samme måde. Og når det viser sig, at noget ikke overholder de sædvanlige regler og modsiger vores intuitive forestillinger om verden, er det ikke bare overraskende for os, det er chokerende.

I det første kvartal af det tyvende århundrede var det netop fysikernes reaktion, da de begyndte at studere materiens adfærd på atom- og subatomære niveauer. Fremkomsten og den hurtige udvikling af kvantemekanik har åbnet en hel verden før os, hvis systemstruktur simpelthen ikke passer ind inden for rammerne af sund fornuft og helt modsiger vores intuitive ideer. Men vi må huske på, at vores intuition er baseret på oplevelsen af ​​almindelige objekters adfærd i forhold til vores skala,og kvantemekanik beskriver ting der sker på et mikroskopisk og usynligt niveau for os – ingen har nogen sinde direkte ramt dem. Hvis vi glemmer det, vil vi uundgåeligt komme ind i en tilstand af fuldstændig forvirring og forvirring. For mig selv formulerede jeg følgende tilgang til kvantemekaniske virkninger: Så snart "indre stemme" begynder at gentage "der kan ikke være noget sådant!", Skal du spørge dig selv: "Og hvorfor ikke? Hvordan ved jeg, hvordan alt faktisk er arrangeret inde i atomet? Så jeg selv ind i det? "Ved at tilpasse dig selv på denne måde bliver det lettere for dig at opfatte artiklerne i denne bog afsat til kvantemekanik.

Heisenberg-princippet spiller generelt en nøglerolle i kvantemekanik, hvis den kun forklarer, hvordan og hvorfor mikrovirksomheden adskiller sig fra den materielle verden, som vi er bekendt med. For at forstå dette princip begynder man først at tænke på, hvad det betyder at "måle" enhver værdi. For at finde denne bog, for eksempel, kommer du ind i stuen og ser på den, indtil den stopper ved den. I fysikens sprog betyder det, at du har lavet en visuel måling (du har fundet en bog med dine øjne) og fik resultatet – du fik fastlagt dets rumlige koordinater (bestemt placeringen af ​​bogen i rummet).Faktisk er måleprocessen meget mere kompliceret: En lyskilde (f.eks. Solen eller en lampe) udsender stråler, som efter at have passeret en bestemt vej i rummet, interagerer med bogen, reflekterer fra overfladen, hvorefter nogle af dem når dine øjne, passerer gennem linsen fokuserer, falder på nethinden – og du ser billedet af bogen og bestemmer dens position i rummet. Nøglen til måling her er samspillet mellem lys og bogen. Så med en hvilken som helst måling, forestil dig, et måleværktøj (i dette tilfælde er det lys) interagerer med måleobjektet (i dette tilfælde er det en bog).

I klassisk fysik, bygget på newtonske principper og gældende for genstanden for vores almindelige verden, er vi vant til at ignorere det faktum, at måleværktøjet, der interagerer med måleobjektet, påvirker det og ændrer dets egenskaber, herunder faktisk de målte værdier. Når du tænder lyset i rummet for at finde en bog, tror du ikke engang, at bogen kan bevæge sig ud af stedet under påvirkning af det resulterende tryk fra lysstrålerne, og du vil finde ud af de rumlige koordinater forvrænget af det lys, du tænder på.Intuition fortæller os (og i dette tilfælde ret korrekt), at målehandlingen ikke påvirker måleobjektets målte egenskaber. Og tænk nu på de processer, der forekommer på det subatomære niveau. Antag, at jeg har brug for at fastsætte elektronens rumlige placering. Jeg har stadig brug for et måleinstrument, der vil interagere med elektronen og returnere et signal til mine detektorer med information om dets placering. Og så er der sværhedsgraden: Jeg har ingen andre værktøjer til at interagere med en elektron for at bestemme sin position i rummet, ud over andre elementære partikler. Og hvis antagelsen om at lys, der træder i samspil med bogen, ikke påvirker dets rumlige koordinater, er det umuligt at sige det med hensyn til interaktionen mellem den målte elektron med en anden elektron eller fotoner.

I begyndelsen af ​​1920'erne, da der var en hurtig stigning i kreativ tankegang, der førte til dannelsen af ​​kvantemekanik, blev dette problem først realiseret af den unge tyske teoretiske fysiker Werner Heisenberg. Begyndende med komplekse matematiske formler, der beskriver verden på det subatomære niveau,Han kom gradvist til en utrolig simpel formel, som giver en generel beskrivelse af effekten af ​​måleværktøjer på microworldens målte objekter, som vi lige har talt om. Som et resultat formulerede han usikkerhedsprincipnavngivet nu ved navn:

usikkerhed om x-koordinathastighedssikkerhed> h/m,

hvis matematiske udtryk kaldes Heisenberg usikkerhedsforhold:

Δx x Δv > h/m

hvor Δx – usikkerhed (målefejl) af mikropartiklens rumlige koordinater, Δv – usikkerhed om partikelhastighed m – partikelmasse og h – Plancks konstant, opkaldt efter den tyske fysiker Max Planck, en anden af ​​grundlæggerne af kvantemekanik. Plancks konstant er ca. 6,626 x 10-34 J · s, det vil sige, indeholder 33 nuller til det første signifikante ciffer efter decimaltegnet.

Udtrykket "usikkerhed om rumlig koordinering" betyder blot, at vi ikke kender partiklernes nøjagtige placering. Hvis du for eksempel bruger det globale GPS-reconnaissance-system til at bestemme placeringen af ​​denne bog, beregner systemet dem med en nøjagtighed på 2-3 meter.(GPS, Global Positioning System er et navigationssystem, hvor 24 kunstige jord satellitter er involveret. Hvis du har en GPS-modtager installeret på en bil, f.eks. Ved at modtage signaler fra disse satellitter og sammenligne deres forsinkelsestider, bestemmer systemet dine geografiske koordinater på Jorden med en nøjagtighed af en vinkel sekund.) Men fra en synsvinkel udført af GPS-værktøjet kan en bog med en vis sandsynlighed placeres overalt inden for rammerne af et par kvadratmeter, der er specificeret af systemet. I dette tilfælde taler vi om usikkerheden om objektets rumlige koordinater (i dette eksempel, bogen). Situationen kan forbedres ved at tage rouletten i stedet for GPS – i dette tilfælde kan vi sige, at bogen f.eks. Er 4 meter 11 cm fra en væg og 1 m 44 cm fra en anden. Men her er vi også begrænset i målepræcision ved minimumsdeling af roulette skalaen (selvom det er en millimeter) og målefejl og selve instrumentet – og i bedste fald vil vi kunne bestemme objektets rumlige position med en nøjagtighed til minimale skalaafdeling. Jo mere præcist den enhed, vi bruger, jo mere præcise resultaterne opnås, desto lavere målefejl vil være, og jo mindre usikkerhed vil være.I vores normale verden kan vi i princippet reducere usikkerheden til nul og bestemme bogens nøjagtige koordinater.

Og her kommer vi til den mest grundlæggende forskel på microworlden fra vores hverdagens fysiske verden. I den almindelige verden, måling af position og hastighed af en krop i rummet, har vi praktisk talt ikke indflydelse på det. Så ideelt vi kan på samme tid måle både objektets hastighed og koordinaterne helt nøjagtigt (med andre ord, med null usikkerhed).

I kvantefænomenernes verden påvirker imidlertid enhver måling systemet. Selve faktoren af ​​vores måling, for eksempel placeringen af ​​en partikel, fører til en ændring i dens hastighed og endvidere uforudsigelig (og omvendt). Derfor er højre side af Heisenberg-forholdet ikke et nul, men en positiv mængde. Jo mindre usikkerheden er i forhold til en variabel (for eksempel Δx), jo mere usikker bliver en anden variabel (Δv), da produktet af to fejl i den venstre del af forholdet ikke kan være mindre end konstanten i sin højre del. Faktisk, hvis vi lykkes med null fejl (absolut præcist) for at bestemme en af ​​de målte værdier, vil usikkerheden af ​​den anden værdi være lig med uendeligheden, og vi ved slet ikke noget om det.Med andre ord, hvis vi var i stand til præcist at bestemme koordinaterne for en kvantepartikel, ville vi ikke have nogen idé om dens hastighed; hvis vi kunne præcis fastsætte partikelhastigheden, ville vi ikke have nogen anelse om, hvor det er. I praksis skal eksperimentelle fysikere selvfølgelig altid søge en form for kompromis mellem disse to ekstremer og vælge målemetoder, der tillader os at bedømme både partikelhastighed og rumlig placering af partiklerne med rimelig fejl.

Faktisk binder usikkerhedsprincippet ikke kun rumlige koordinater og fart – i dette eksempel manifesterer man sig tydeligst; lige usikkerhed forbinder andre par af gensidigt beslægtede egenskaber af mikropartikler. Ved lignende resonnement kommer vi til den konklusion, at det er umuligt at måle energien af ​​et kvantesystem nøjagtigt og bestemme tidspunktet for dets energi. Det vil sige, hvis vi måler tilstanden af ​​et kvantesystem for at bestemme dets energi, vil denne måling tage en vis tidsperiode – lad os kalde det Δt. I løbet af denne tidsperiode ændrer systemets energi tilfældigt – det forekommer udsving, – og vi kan ikke afsløre det. Angiv målefejl for energien ΔE. Ved ræsonnement, ligner ovenstående, kommer vi til et tilsvarende forhold for ΔE og usikkerheden om tid, at en kvantepartikel havde denne energi:

ΔEΔt > h

Hvad angår usikkerhedsprincippet, skal der udarbejdes yderligere to vigtige punkter:

det betyder ikke, at nogen af ​​de to karakteristika ved en partikel – rumlig lokalitet eller hastighed – ikke måles vilkårligt nøjagtigt;

Usikkerhedsprincippet virker objektivt og afhænger ikke af tilstedeværelsen af ​​et rimeligt emne, der udfører målinger.

Nogle gange kan du finde udsagn om, at usikkerhedsprincippet indebærer kvantepartikler Der er ingen visse rumlige koordinater og hastigheder, eller at disse mængder er fuldstændig uvidende. Tror ikke: Usikkerhedsprincippet forhindrer ikke, som vi lige har set, at måle nogen af ​​disse mængder med ønsket nøjagtighed. Han hævder kun, at vi ikke på samme tid kan pålideligt anerkende dem begge. Og som i mange andre ting er vi nødt til at gå på kompromis.Igen hævder antroposofiske forfattere blandt de tilhængere af New Age-konceptet, at det tilsyneladende, fordi målinger indebærer tilstedeværelse af en rimelig observatør, betyder, at den menneskelige bevidsthed på et eller andet grundlæggende niveau er forbundet med det universelle sind, og det er denne forbindelse, der gør usikkerhedsprincippet . Lad os gentage dette igen: nøglen i Heisenberg-forholdet er samspillet mellem målepartikelobjektet og måleværktøjet, der påvirker dets resultater. Og det faktum, at der er en rimelig observatør hos en videnskabsmand, er ikke relevant; Måleværktøjet påvirker i hvert fald dets resultater, om et rationelt væsen er til stede eller ej.

Se også:
1867
Maxwells Demon
1900
Planck er konstant
1923
Overholdelsesprincippet
1924
Pauli forbud princippet
1964
Bells sætning
Werner Karl Geisenberg
Werner Karl Heisenberg, 1901-76

Tysk teoretisk fysiker. Født i Würzburg. Hans far var professor i byzantologi ved universitetet i München. Ud over hans strålende matematiske evner viste han en forkærlighed for musik fra barndommen og var ganske vellykket som pianist.Som skolelær var han medlem af militsen af ​​de mennesker, der holdt orden i München i de urolige tider, der opstod efter Tysklands nederlag i første verdenskrig. I 1920 blev han studerende i matematikafdelingen ved Universitetet i München, men blev overført til afdelingen for teoretisk fysik mod et afslag på at deltage i sit seminar om aktuelle matematikproblemer i disse år. I disse år levede hele verden af ​​fysikere under indtryk af et nyt kig på atomets struktur (cm. Atom Bohr), og alle teoretikere blandt dem forstod, at noget mærkeligt skete inde i atomet.

Efter at have forsvaret sit eksamensbevis i 1923, begyndte Heisenberg at arbejde i Göttingen om problemerne med atomets struktur. I maj 1925 havde han et akut angreb af høfeber, som tvang den unge videnskabsmand til at tilbringe flere måneder i fuldstændig afsondrethed på den lille ø Helgoland, afskåret fra omverdenen, og han brugte denne tvungne isolation fra omverdenen så produktivt som Isaac Newton karantænepesthytte tilbage i 1665. Især i disse måneder har forskere udviklet en teori matrix mekanik – Et nyt matematisk apparat af nye kvantemekanik. Matrixmekanikerne, som tiden har vist, er matematisk ækvivalent med kvantebølge-mekanikerne, der optrådte et år senere, indlejret i Schrödinger-ligningen, set ud fra beskrivelsen af ​​kvanteverdenens processer. Imidlertid har det i praksis vist sig sværere at anvende apparatet af matrixmekanikere, og i dag bruger teoretiske fysikere oftest begreberne bølgemekanik.

I 1926 blev Heisenberg assistent til Niels Bohr i København. Det var der, at han i 1927 formulerede sit usikkerhedsprincip – og det kan med rimelighed hævdes, at dette var hans største bidrag til udviklingen af ​​videnskaben. I samme år blev Heisenberg professor ved Leipzig Universitet – den yngste professor i Tysklands historie. Fra dette tidspunkt kom han i gang med oprettelsen af ​​en samlet feltteori (cm. Universelle teorier) – stort set uden succes. Til sin ledende rolle i udviklingen af ​​kvantemekanisk teori i 1932 blev Heisenberg tildelt Nobelprisen i fysik til dannelse af kvantemekanik.

Fra historisk synspunkt vil Werner Heisenbergs personlighed formentlig forblive synonymt med usikkerhed af en lidt anden art.Med fremkomsten af ​​socialdemokraternes parti er den sværeste at forstå side åbnet i sin biografi. For det første blev han en teoretisk fysiker involveret i den ideologiske kamp, ​​hvor den teoretiske fysik som sådan blev mærket "jødisk fysik", og Heisenberg selv blev offentligt kaldt de nye myndigheder "hvid jøde". Først efter en række personlige appeller til de højest placerede embedsmænd i den nazistiske leders ledelse lykkedes læreren at stoppe kampagnen om offentlig chikanering mod ham. Meget mere problematisk er Heisenbergs rolle i det tyske program for udvikling af atomvåben under anden verdenskrig. På et tidspunkt, hvor de fleste af hans kolleger emigrerede eller blev tvunget til at flygte Tyskland under Hitler-regimets pres, led Heisenberg det tyske nationale nukleare program.

Under hans ledelse fokuserede programmet udelukkende på at opbygge en atomreaktor, men i løbet af hans berømte møde med Heisenberg i 1941 havde Niels Bohr indtryk af, at dette kun var en dækning, men i virkeligheden blev der udviklet atomvåben som led i dette program.Så hvad skete der virkelig? Har Heisenberg med vilje og efter hans samvittighed drevet det tyske atombombe udviklingsprogram til en blindgyde og sender det på et fredeligt spor, som han senere hævdede? Eller lavede han simpelthen nogle fejl i hans forståelse af processerne i nukleare forfald? Det var tydeligt, at Tyskland ikke havde tid til at skabe atomvåben. Som det fantastiske spil fra Michael Frayn (Michael Frayn) "Copenhagen" viser, vil denne historiske gåde nok give nok materiale til mere end en generation af fiktionskribenter.

Efter krigen blev Heisenberg en aktiv tilhænger af den videre udvikling af den vesttyske videnskab og dens genforening med det internationale videnskabelige samfund. Dens indflydelse tjente som et vigtigt redskab, der gjorde det muligt at opnå ikke-nukleare status for de væbnede styrker i Vesttyskland i efterkrigstiden.


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

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