Квантовата механика се подчинява на много различни закони от класическата физика. Много влиятелни учени са работили в тази област, включително Алберт Айнщайн, Ервин Шрьодингер, Вернер Хайзенберг, Нилс Бор, Луис Де Бройл, Дейвид Бом и Волфганг Паули.
Стандартната копенхагенска интерпретация на квантовата физика гласи, че всичко, което може да се знае, се дава от вълновата функция. С други думи, не можем да познаваме определени свойства на квантовите частици в абсолютно абсолютно изражение. Мнозина смятат, че тази идея е обезпокоителна и предлагат всякакви мисловни експерименти и алтернативни интерпретации, но математиката, съобразена с оригиналната интерпретация, все още се потвърждава.
Дължина на вълната и позиция
Помислете за многократно разклащане на въжето нагоре и надолу, създавайки вълна, пътуваща по него. Има смисъл да попитате каква е дължината на вълната - това е достатъчно лесно да се измери - но по-малко смисъл да попитате къде е вълната, защото вълната наистина е непрекъснато явление по цялото въже.
За разлика от това, ако импулс с единична вълна се изпраща надолу по въжето, идентифицирането на това къде се превръща в ясен, но определянето на дължината на вълната му вече няма смисъл, защото това не е вълна.
Можете също така да си представите всичко между тях: изпращане на вълнов пакет надолу по въжето, например, позицията е донякъде определена и дължината на вълната също, но не и двете напълно. Тази разлика е в основата на принципа на несигурност на Хайзенберг.
Двойственост на вълните и частиците
Ще чуете хората да използват думите фотон и електромагнитно излъчване взаимозаменяемо, въпреки че изглежда, че те са различни неща. Когато говорят за фотони, те обикновено говорят за свойствата на частиците на това явление, докато когато говорят за електромагнитни вълни или радиация, те говорят за вълнообразни Имоти.
Фотоните или електромагнитното излъчване показват така наречената двойственост частици-вълни. В определени ситуации и при определени експерименти фотоните проявяват подобно на частици поведение. Един пример за това е във фотоелектричния ефект, при който светлината, удряща се върху повърхността, причинява освобождаването на електрони. Спецификата на този ефект може да бъде разбрана само ако светлината се третира като дискретни пакети, които електроните трябва да поемат, за да бъдат излъчени.
В други ситуации и експерименти те действат по-скоро като вълни. Ярък пример за това са интерференционните модели, наблюдавани при експерименти с един или много процепи. В тези експерименти светлината се пропуска през тесни, разположени наблизо прорези и в резултат на това се получава интерференционен модел, съобразен с това, което бихте виждали на вълна.
Още по-странно, фотоните не са единственото нещо, което показва тази двойственост. Всъщност всички основни частици, дори електроните и протоните, изглежда се държат по този начин! Колкото по-голяма е частицата, толкова по-къса е нейната дължина на вълната, толкова по-малко се появява тази двойственост. Ето защо изобщо не забелязваме подобно нещо в ежедневния ни макроскопски мащаб.
Тълкуване на квантовата механика
За разлика от ясното поведение на законите на Нютон, квантовите частици проявяват някаква неяснота. Не можете да кажете точно какво правят, а само да дадете вероятности какви резултати от измерването могат да дадат. И ако вашият инстинкт е да приемете, че това се дължи на невъзможността да се измерват нещата точно, бихте били погрешни, поне по отношение на стандартните интерпретации на теорията.
Така наречената копенхагенска интерпретация на квантовата теория гласи, че всичко, което може да се знае за една частица, се съдържа във вълновата функция, която я описва. Няма допълнителни скрити променливи или неща, които просто не сме открили, които биха дали повече подробности. Това е фундаментално размито, така да се каже. Принципът на несигурността на Хайзенберг е просто още едно развитие, което затвърждава тази неяснота.
Принцип на несигурността на Хайзенберг
Принципът на несигурност е предложен за първи път от неговия съименник, германският физик Вернер Хайзенберг, през 1927 г., докато той е работил в института на Нийлс Бор в Копенхаген. Той публикува своите открития в статия, озаглавена „За перцептивното съдържание на квантовата теоретична кинематика и механика“.
Принципът гласи, че положението на частицата и импулсът на частицата (или енергията и времето на частицата) не могат да бъдат известни едновременно с абсолютна сигурност. Тоест, колкото по-точно познавате позицията, толкова по-точно познавате инерцията (която е пряко свързана с дължината на вълната) и обратно.
Приложенията на принципа на несигурност са многобройни и включват задържане на частици (определяне на енергията, която трябва да се съдържа частица в рамките на даден обем), обработка на сигнали, електронни микроскопи, разбиране на квантовите колебания и нулева точка енергия.
Отношения на несигурността
Съотношението на първичната несигурност се изразява като следното неравенство:
\ sigma_x \ sigma_p \ geq \ frac {\ hbar} {2}
където ℏ е редуцираната константа на Планк иσхиσстрса стандартното отклонение на позицията и импулса, съответно. Имайте предвид, че колкото по-малко става едно от стандартните отклонения, толкова по-голямо трябва да стане другото, за да се компенсира. В резултат на това, колкото по-точно знаете едната стойност, толкова по-малко познавате другата.
Допълнителните отношения на несигурност включват несигурност в ортогоналните компоненти на ъгловата инерция, несигурност във времето и честота при обработка на сигнала, несигурност в енергия и време, и така нататък.
Източникът на несигурността
Един често срещан начин да се обясни произхода на несигурността е да се опише от гледна точка на измерването. Помислете, че за да се измери положението на електрона, например, се изисква взаимодействие с него по някакъв начин - обикновено удрянето му с фотон или друга частица.
Актът на удара му с фотона обаче кара инерцията му да се промени. Не само това, има известна доза неточност в измерването с фотона, свързано с дължината на вълната на фотона. По-точно измерване на позицията може да се постигне с по-къса дължина на вълната на фотона, но такива фотони носят повече енергия и следователно може да доведе до по-голяма промяна в импулса на електрона, което прави невъзможно измерването на положението и импулса с перфектно точност.
Докато методът на измерване със сигурност затруднява получаването на стойностите и на двете едновременно, както е описано, действителният проблем е по-основен от този. Това не е просто въпрос на нашите измервателни възможности; фундаментално свойство на тези частици е, че те нямат едновременно добре дефинирана позиция и импулс. Причините се крият в аналогията "вълна на низ", направена по-рано.
Принцип на несигурност, приложен към макроскопските измервания
Един често срещан въпрос, който хората задават по отношение на странността на квантово-механичните явления, е как така те не виждат тази странност в мащаба на ежедневните обекти?
Оказва се, че не е така, че квантовата механика просто не се отнася за по-големи обекти, а че странните ефекти я пренебрегват в големи мащаби. Двойствеността на частиците и вълните, например, не се забелязва в голям мащаб, тъй като дължината на вълната на материалните вълни става изчезващо малка, следователно доминиращото като частици поведение.
Що се отнася до принципа на несигурност, помислете колко голямо е числото от дясната страна на неравенството. ℏ/2 = 5.272859 × 10-35 кгм2/s. Така че несигурността в позицията (в метри), умножена по несигурността в импулса (в kgm / s), трябва да бъде по-голяма или равна на тази. В макроскопичен мащаб, приближаването до тази граница означава невъзможни нива на точност. Например, 1-килограмов обект може да бъде измерен като имащ инерция от 100000000000000000 ± 10-17 kgm / s, докато е в положение 100000000000000000 ± 10-17 m и все още повече от задоволяват неравенството.
Макроскопски дясната страна на неравенството на несигурността е относително толкова малка, че да бъде незначителна, но стойността не е незначителна в квантовите системи. С други думи: принципът все още важи за макроскопични обекти - той просто става без значение поради техния размер!
