Kvantna mehanika pokorava se vrlo različitim zakonima od klasične fizike. Na tom su polju radili mnogi utjecajni znanstvenici, uključujući Alberta Einsteina, Erwina Schrodingera, Wernera Heisenberga, Nielsa Bohra, Louisa De Brogliea, Davida Bohma i Wolfganga Paulija.
Standardna kopenhagenska interpretacija kvantne fizike kaže da sve što se može znati daje valna funkcija. Drugim riječima, ne možemo znati određena svojstva kvantnih čestica ni u kojem apsolutnom smislu. Mnogi su smatrali da je taj pojam uznemirujuć i predložili su sve vrste misaonih eksperimenata i alternativnih interpretacija, ali matematika u skladu s izvornom interpretacijom još uvijek postoji.
Valna duljina i položaj
Zamislite da više puta promućkate uže gore-dolje, stvarajući val koji putuje niz njega. Ima smisla pitati kolika je valna duljina - to je dovoljno jednostavno izmjeriti - ali manje je smisla pitati gdje je val, jer je val stvarno kontinuirani fenomen duž cijelog užeta.
Suprotno tome, ako se jedan valni impuls pošalje niz uže, prepoznavanje gdje je on postaje jednostavan, ali određivanje njegove valne duljine više nema smisla jer to nije val.
Također možete zamisliti sve između: slanje valnog paketa niz uže, na primjer, položaj je donekle definiran, a također i valna duljina, ali ne oboje u potpunosti. Ova je razlika u središtu Heisenbergova načela neizvjesnosti.
Dvojnost valova i čestica
Čut ćete kako ljudi koriste riječi foton i elektromagnetsko zračenje naizmjenično, iako se čini da se radi o različitim stvarima. Kad govore o fotonima, oni obično govore o svojstvima čestica ovog fenomena, dok kada govore o elektromagnetskim valovima ili zračenju, oni govore valovima Svojstva.
Fotoni ili elektromagnetsko zračenje pokazuju ono što se naziva dualnost čestica-val. U određenim situacijama i u određenim eksperimentima fotoni pokazuju ponašanje nalik na čestice. Jedan od primjera za to je fotoelektrični efekt, gdje svjetlost koja udara o površinu uzrokuje oslobađanje elektrona. Specifičnosti ovog učinka mogu se shvatiti samo ako se svjetlost tretira kao diskretni paketi koje elektroni moraju apsorbirati da bi mogli biti emitirani.
U drugim situacijama i eksperimentima djeluju više poput valova. Primarni primjer za to su uzorci smetnji uočeni u eksperimentima s jednim ili više proreza. U tim eksperimentima svjetlost prolazi kroz uske, usko razmaknute proreze i kao rezultat toga stvara se smetnja u skladu s onim što biste vidjeli u valu.
Još čudnije, fotoni nisu jedina stvar koja pokazuje ovu dualnost. Doista, čini se da se sve temeljne čestice, čak i elektroni i protoni, ponašaju na taj način! Što je čestica veća, njezina je valna duljina kraća, pa se manje pojavljuje ta dualnost. Zbog toga uopće ne primjećujemo ništa slično u našoj svakodnevnoj makroskopskoj ljestvici.
Tumačenje kvantne mehanike
Za razliku od jasnog ponašanja Newtonovih zakona, kvantne čestice pokazuju neku vrstu nejasnoća. Ne možete točno reći što rade, već samo dajte vjerojatnosti onoga što bi rezultati mjerenja mogli dati. A ako vaš instinkt želi pretpostaviti da je to zbog nemogućnosti preciznog mjerenja stvari, bili biste netočni, barem u pogledu standardnih interpretacija teorije.
Takozvana kopenhagenska interpretacija kvantne teorije navodi da je sve što se može znati o čestici sadržano unutar valne funkcije koja je opisuje. Ne postoje dodatne skrivene varijable ili stvari koje jednostavno nismo otkrili, a koje bi dale više detalja. To je u osnovi nejasno, da tako kažem. Heisenbergov princip nesigurnosti samo je još jedan razvoj koji učvršćuje tu nejasnoću.
Heisenbergov princip nesigurnosti
Princip nesigurnosti prvi je predložio njegov imenjak, njemački fizičar Werner Heisenberg, 1927. dok je radio na institutu Neilsa Bohra u Kopenhagenu. Svoje je nalaze objavio u radu pod naslovom "O perceptivnom sadržaju kvantne teorijske kinematike i mehanike".
Princip navodi da položaj čestice i zamah čestice (ili energija i vrijeme čestice) ne mogu biti istovremeno poznati s apsolutnom sigurnošću. Odnosno, što preciznije poznajete položaj, manje precizno znate zamah (koji je izravno povezan s valnom duljinom) i obrnuto.
Primjene principa nesigurnosti brojne su i uključuju zadržavanje čestica (određivanje energije koja je potrebna za zadržavanje čestica unutar određenog volumena), obrada signala, elektronski mikroskopi, razumijevanje kvantnih fluktuacija i nulte točke energije.
Odnosi neizvjesnosti
Primarni odnos nesigurnosti izražava se kao sljedeća nejednakost:
\ sigma_x \ sigma_p \ geq \ frac {\ hbar} {2}
gdje je ℏ reducirana Planckova konstanta iσxiσstrsu standardna devijacija položaja odnosno impulsa. Imajte na umu da što manje postaje standardno odstupanje, to drugo mora postati veće kako bi se kompenziralo. Kao rezultat toga, što preciznije znate jednu vrijednost, manje precizno znate drugu.
Dodatni odnosi nesigurnosti uključuju nesigurnost u pravokutnim komponentama kuta zamah, nesigurnost u vremenu i frekvenciji u obradi signala, nesigurnost u energiji i vremenu, i tako dalje.
Izvor neizvjesnosti
Jedan od uobičajenih načina da se objasni podrijetlo nesigurnosti jest opisati je u smislu mjerenja. Uzmite u obzir da, na primjer, za mjerenje položaja elektrona potrebna mu je interakcija na neki način - obično udaranje fotonom ili drugom česticom.
Međutim, čin udaranja fotonom uzrokuje da se njegov zamah promijeni. I ne samo to, postoji određena količina netočnosti u mjerenju s fotonom povezanim s valnom duljinom fotona. Točnije mjerenje položaja može se postići s fotonom kraće valne duljine, ali takvi fotoni nose više energije, a time i može prouzročiti veću promjenu impulsa elektrona, što onemogućava savršeno mjerenje i položaja i impulsa točnost.
Iako mjerna metoda sigurno otežava istovremeno dobivanje vrijednosti obje, kako je opisano, stvarni je problem temeljniji od toga. To nije samo pitanje naših mjernih mogućnosti; osnovno je svojstvo ovih čestica da nemaju istovremeno dobro definiran položaj i zamah. Razlozi leže u prethodno napravljenoj analogiji "vala na nizu".
Načelo nesigurnosti primijenjeno na makroskopska mjerenja
Jedno često pitanje koje ljudi postavljaju u vezi s neobičnošću kvantno-mehaničkih pojava je kako to da tu neobičnost ne vide na ljestvici svakodnevnih predmeta?
Ispada da nije da se kvantna mehanika jednostavno ne odnosi na veće objekte, već da čudni učinci na to imaju zanemariv značaj u velikim razmjerima. Dvojnost čestica-val, na primjer, nije uočena u velikim razmjerima, jer valna duljina valova materije postaje nestajuće mala, otuda i ponašanje nalik česticama koje dominira.
Što se tiče principa nesigurnosti, razmotrite koliko je velik broj s desne strane nejednakosti. ℏ/2 = 5.272859 × 10-35 kgm2/s. Dakle, nesigurnost u položaju (u metrima) pomnožena sa nesigurnošću u gibanju (u kgm / s) mora biti veća ili jednaka ovoj. Na makroskopskoj skali približavanje ovoj granici podrazumijeva nemoguće razine točnosti. Na primjer, objekt od 1 kg može se izmjeriti kao zamah od 100000000000000000 ± 10-17 kgm / s dok je na položaju 100000000000000000 ± 10-17 m i još uvijek više nego zadovoljavaju nejednakost.
Makroskopski je desna strana nejednakosti nesigurnosti relativno toliko mala da je zanemariva, ali vrijednost nije zanemariva u kvantnim sustavima. Drugim riječima: princip se i dalje odnosi na makroskopske predmete - on jednostavno postaje nebitan zbog njihove veličine!