Forstå Heisenberg-usikkerhetsprinsippet

Heisenbergs usikkerhetsprinsipp er en av hjørnesteinene i kvantefysikk, men det blir ofte ikke dypt forstått av dem som ikke har studert det nøye. Mens det, som navnet antyder, definerer et visst usikkerhetsnivå på de mest grunnleggende nivåene i naturen i seg selv, at usikkerheten manifesterer seg på en veldig begrenset måte, slik at den ikke påvirker oss i det daglige bor. Bare nøye konstruerte eksperimenter kan avsløre dette prinsippet på jobb.

I 1927 la den tyske fysikeren Werner Heisenberg frem det som har blitt kjent som Heisenberg usikkerhetsprinsipp (eller bare usikkerhetsprinsipp eller noen ganger, Heisenberg-prinsippet). Mens han forsøkte å bygge en intuitiv modell av kvantefysikk, hadde Heisenberg avdekket det der var visse grunnleggende forhold som satte begrensninger for hvor godt vi kunne vite visse mengder. Nærmere bestemt i den mest enkle anvendelsen av prinsippet:

Jo mer presist du kjenner posisjonen til en partikkel, jo mindre presist kan du samtidig vite momentumet til den samme partikkelen.

Heisenbergs usikkerhetsprinsipp er en veldig presis matematisk uttalelse om kvantesystemets natur. I fysiske og matematiske termer begrenser det graden av presisjon vi noen gang kan snakke om å ha om et system. Følgende to ligninger (også vist, i penere form, i grafikken øverst i denne artikkelen), kalt Heisenberg usikkerhetsforhold, er de vanligste likningene knyttet til usikkerheten prinsipp:

Ligning 1: delta- x * delta- p er proporsjonal med h-bar
Ligning 2: delta- E * delta- t er proporsjonal med h-bar

Symbolene i likningene ovenfor har følgende betydning:

• h-linje: Kalt "redusert Planck-konstant", og dette har verdien av Plancks konstant delt på 2 * pi.
• delta-x: Dette er usikkerheten i et objekt (si om en gitt partikkel).
• delta-p: Dette er usikkerhetsmomentet til et objekt.
• delta-E: Dette er usikkerheten i energien til et objekt.
• delta-t: Dette er usikkerheten i tidsmåling av et objekt.

Fra disse ligningene kan vi fortelle noen fysiske egenskaper ved systemets måleusikkerhet basert på vårt tilsvarende presisjonsnivå med vår måling. Hvis usikkerheten i noen av disse målingene blir veldig liten, tilsvarer det å ha en ekstremt presis måling, så forteller disse forholdene oss at den tilsvarende usikkerheten måtte øke, for å opprettholde proporsjonalitet.

Med andre ord, vi kan ikke samtidig måle begge egenskapene i hver ligning til et ubegrenset presisjonsnivå. Jo mer presist vi måler posisjon, desto mindre presis er vi i stand til å måle momentum (og omvendt). Jo mer presist vi måler tid, desto mindre presist er vi i stand til å måle energi samtidig (og omvendt).

Selv om ovennevnte kan virke veldig rart, er det faktisk en anstendig korrespondanse til måten vi kan fungere i den virkelige (det vil si klassiske) verdenen. La oss si at vi så på en racerbil på en bane, og vi skulle registrere når den krysset målstreken. Vi skal måle ikke bare tiden det krysser målstreken, men også den nøyaktige hastigheten den gjør. Vi måler hastigheten ved å trykke på en knapp på en stoppeklokke i øyeblikket vi ser den krysse målstreken og vi måler hastigheten ved ser på en digital avlesning (som ikke er i tråd med å se på bilen, så du må snu hodet når det krysser finishen linje). I dette klassiske tilfellet er det tydeligvis en viss grad av usikkerhet rundt dette, fordi disse handlingene tar litt fysisk tid. Vi ser bilen berøre målstreken, trykke på stoppeklokke-knappen og se på det digitale displayet. Systemets fysiske natur pålegger en klar grense for hvor nøyaktig dette kan være. Hvis du fokuserer på å prøve å se på hastigheten, kan det hende du er i gang når du måler den nøyaktige tiden over målstreken, og omvendt.

Som med de fleste forsøk på å bruke klassiske eksempler for å demonstrere kvantefysisk atferd, er det det mangler med denne analogien, men den er noe relatert til den fysiske virkeligheten på jobben i kvanten riket. Usikkerhetsrelasjonene kommer ut av bølgelignende oppførsel til objekter i kvanteskalaen, og faktum at det er veldig vanskelig å nøyaktig måle den fysiske plasseringen av en bølge, selv i klassisk saker.

Det er veldig vanlig at usikkerhetsprinsippet forveksles med fenomenet observatøreffekt i kvantefysikk, slik som det som manifesterer seg i løpet av Schroedingers katt tenkte eksperiment. Dette er faktisk to helt forskjellige spørsmål innen kvantefysikk, selv om begge beskatter vår klassiske tenkning. Usikkerhetsprinsippet er faktisk en grunnleggende begrensning for evnen til å gi presise uttalelser om oppførselen til et kvantesystem, uavhengig av vår faktiske handling for å gjøre observasjonen eller ikke. Observatoreffekten derimot, innebærer at hvis vi gjør en viss type observasjon, vil systemet i seg selv oppføre seg annerledes enn det ville gjort uten at den observasjonen på plass.

På grunn av sin sentrale rolle i grunnlaget for kvantefysikk, vil de fleste bøker som utforsker kvanteområdet, gi en forklaring på usikkerhetsprinsippet, med varierende suksessnivå. Her er noen av bøkene som gjør det best, etter denne ydmyke forfatterens mening. To er generelle bøker om kvantefysikk som helhet, mens de to andre er like mye biografiske som vitenskapelige, og gir reell innsikt i livet og arbeidet til Werner Heisenberg:

• Den fantastiske historien om kvantemekanikk av James Kakalios
• Quantum Universe av Brian Cox og Jeff Forshaw
• Beyond Usikkerhet: Heisenberg, Quantum Physics and the Bomb av David C. Cassidy
• Usikkerhet: Einstein, Heisenberg, Bohr og the Struggle for the Soul of Science av David Lindley