A kvantummechanika egészen más törvényeknek engedelmeskedik, mint a klasszikus fizika. Sok befolyásos tudós dolgozott ezen a területen, köztük Albert Einstein, Erwin Schrodinger, Werner Heisenberg, Niels Bohr, Louis De Broglie, David Bohm és Wolfgang Pauli.
A kvantumfizika standard koppenhágai értelmezése kimondja, hogy mindazt, amit meg lehet tudni, a hullámfüggvény adja. Más szavakkal, a kvantumrészecskék bizonyos tulajdonságait nem ismerhetjük meg abszolút értelemben. Sokan nyugtalanítónak találták ezt a fogalmat, és mindenféle gondolatkísérletet és alternatív értelmezést javasoltak, de az eredeti értelmezésnek megfelelő matematika még mindig érvényesül.
Hullámhossz és helyzet
Gondoljon arra, hogy egy kötelet többször fel és le rázzon, és hullámot hozzon létre rajta. Van értelme megkérdezni, hogy mi a hullámhossz - ezt elég könnyű megmérni -, de kevésbé értelmes megkérdezni, hogy hol van a hullám, mert a hullám valóban folyamatos jelenség a kötél mentén.
Ezzel szemben, ha egyetlen hullámimpulzust küldenek a kötélen, akkor annak azonosítása, ahol az egyenes lesz, egyértelművé válik, de hullámhosszának meghatározása már nincs értelme, mert nem hullám.
Elképzelhet mindent a kettő között is: például hullámcsomagot küld a kötélen lefelé, például a helyzet kissé meghatározott, és a hullámhossz is, de nem mindkettő. Ez a különbség áll Heisenberg bizonytalansági elvének középpontjában.
Hullám-részecske kettősség
Hallani fogja, hogy az emberek felváltva használják a foton és az elektromágneses sugárzás szavakat, bár úgy tűnik, hogy ezek különböző dolgok. Amikor fotonokról beszélünk, tipikusan ennek a jelenségnek a részecske tulajdonságairól beszélnek, míg amikor elektromágneses hullámokról vagy sugárzásról beszélnek, akkor a hullámhegyre beszélnek tulajdonságait.
A fotonok vagy az elektromágneses sugárzás úgynevezett részecske-hullám kettősséget mutat. Bizonyos helyzetekben és bizonyos kísérletek során a fotonok részecskeszerű viselkedést mutatnak. Ennek egyik példája a fotoelektromos effektus, ahol a felületet érő fény az elektronok felszabadulását okozza. Ennek a hatásnak a sajátosságait csak akkor lehet megérteni, ha a fényt különálló csomagként kezeljük, amelyet az elektronoknak el kell szívniuk ahhoz, hogy kibocsássanak.
Más helyzetekben és kísérletekben inkább hullámként viselkednek. Ennek kiváló példája az egy- vagy többréses kísérletekben megfigyelt interferencia-minták. Ezekben a kísérletekben a fény áthalad keskeny, szorosan elhelyezett réseken, és ennek eredményeként olyan interferencia-mintát eredményez, amely összhangban van azzal, amit egy hullámban látna.
Még furcsább, hogy nem a fotonok mutatják ezt a kettősséget. Valójában úgy tűnik, hogy minden alapvető részecske, még az elektron és a proton is, így viselkedik! Minél nagyobb a részecske, annál rövidebb a hullámhossza, így annál kevésbé jelenik meg ez a kettősség. Éppen ezért egyáltalán nem észlelünk ilyesmit a mindennapi makroszkopikus skálán.
A kvantummechanika értelmezése
Newton törvényeinek egyértelmű viselkedésétől eltérően a kvantumrészecskék egyfajta homályosságot mutatnak. Nem mondhatja el pontosan, hogy mit csinálnak, hanem csak annak valószínűségét adja meg, hogy a mérési eredmények milyen eredményeket hozhatnak. És ha ösztönének feltételeznie kell, hogy ez azért van, mert nem tudja pontosan mérni a dolgokat, akkor helytelen lenne, legalábbis az elmélet szokásos értelmezése szempontjából.
A kvantumelmélet úgynevezett koppenhágai értelmezése kimondja, hogy minden, ami egy részecskéről megismerhető, benne van az azt leíró hullámfüggvényben. Nincsenek további rejtett változók vagy olyan dolgok, amelyeket egyszerűen nem fedeztünk volna fel, amelyek részletesebbet adnának. Úgyszólván alapvetően homályos. A Heisenberg-bizonytalansági elv csak egy újabb fejlemény, amely megszilárdítja ezt a homályosságot.
Heisenberg bizonytalansági elve
A bizonytalanság elvét először névadója, Werner Heisenberg német fizikus javasolta 1927-ben, amikor a koppenhágai Neils Bohr intézetében dolgozott. Megállapításait „A kvantelméleti kinematika és mechanika perceptuális tartalmáról” című cikkében tette közzé.
Az alapelv kimondja, hogy a részecske helyzete és a részecske lendülete (vagy a részecske energiája és ideje) nem ismerhető meg egyszerre, teljes bizonyossággal. Vagyis minél pontosabban ismeri a helyzetet, annál kevésbé pontosan tudja a lendületet (amely közvetlenül kapcsolódik a hullámhosszhoz), és fordítva.
A bizonytalansági elv sokféle alkalmazást tartalmaz, amelyek magukban foglalják a részecskék bezárását (a tároláshoz szükséges energia meghatározása) egy részecske egy adott térfogaton belül), jelfeldolgozás, elektronmikroszkópok, a kvantumingadozások és a nulla pont megértése energia.
Bizonytalansági kapcsolatok
Az elsődleges bizonytalansági kapcsolatot a következő egyenlőtlenség fejezi ki:
\ sigma_x \ sigma_p \ geq \ frac {\ hbar} {2}
ahol ℏ a redukált Planck-állandó ésσxésσoa helyzet és a lendület szórása. Vegye figyelembe, hogy minél kisebb lesz a szórás, annál nagyobb lesz a másik a kompenzáció érdekében. Ennek eredményeként, minél pontosabban ismeri az egyik értéket, annál kevésbé pontosan ismeri a másikat.
További bizonytalansági kapcsolatok közé tartozik a szög ortogonális komponenseinek bizonytalansága lendület, bizonytalanság az időben és a frekvencia a jelfeldolgozásban, bizonytalanság az energiában és az időben, stb.
A bizonytalanság forrása
A bizonytalanság eredetének magyarázatának egyik általános módja, ha méréssel írják le. Vegyük fontolóra, hogy például az elektron helyzetének méréséhez meg kell bizonyos módon kölcsönhatásba lépni vele - általában egy fotonnal vagy más részecskével ütni.
A fotonnal való ütközés azonban megváltoztatja a lendületét. Nem csak, hogy van egy bizonyos pontatlanság a fotonnal végzett mérésben, amely a foton hullámhosszához kapcsolódik. Pontosabb helyzetmérést lehet elérni rövidebb hullámhosszú fotonnal, de az ilyen fotonok több energiát hordoznak, és ennélfogva nagyobb változást okozhat az elektron lendületében, lehetetlenné téve mind a helyzet, mind a lendület tökéletes mérését pontosság.
Míg a mérési módszer minden bizonnyal megnehezíti mindkettő egyidejű értékeinek megszerzését a leírtak szerint, a tényleges probléma ennél alapvetőbb. Ez nem csak a mérési képességeink kérdése; ezen részecskék alapvető tulajdonsága, hogy nincs egyszerre jól körülhatárolt helyzetük és lendületük. Az okok a korábban megfogalmazott "húros hullám" analógiában rejlenek.
A makroszkopikus mérésekre alkalmazott bizonytalansági elv
Az emberek által feltett egyik gyakori kérdés a kvantummechanikai jelenségek furcsaságával kapcsolatban az, hogy miért nem látják ezt a furcsaságot a mindennapi tárgyak skáláján?
Kiderült, hogy nem az, hogy a kvantummechanika egyszerűen nem vonatkozik a nagyobb tárgyakra, hanem az, hogy az a furcsa hatás, amely nagy méretarányban elhanyagolható. Például a részecske-hullám kettősséget nem veszik észre nagy léptékben, mert az anyaghullámok hullámhossza eltűnően kicsi lesz, ezért a részecskeszerű viselkedés dominál.
A bizonytalanság elvét illetően vegye figyelembe, hogy mekkora az egyenlőtlenség jobb oldalán lévő szám. ℏ/2 = 5.272859 × 10-35 kgm2/s. Tehát a helyzet bizonytalanságának (méterben) és a lendület bizonytalanságának (kgm / s-ban) ennek nagyobbnak vagy egyenlőnek kell lennie. Makroszkopikus skálán ennek a határnak a megközelítése lehetetlen pontosságot jelent. Például egy 1 kg-os tárgy impulzusa 1,0000000000000000000 ± 10 lehet-17 kgm / s, miközben 1,0000000000000000000 ± 10 helyzetben van-17 m és még mindig több, mint kielégíti az egyenlőtlenséget.
Makroszkopikusan a bizonytalansági egyenlőtlenség jobb oldala viszonylag olyan kicsi, hogy elhanyagolható, de az érték nem elhanyagolható kvantumrendszerekben. Más szavakkal: az elv továbbra is érvényes a makroszkopikus tárgyakra - méretük miatt csak lényegtelenné válik!
