Разбиране на принципа на несигурността на Хайзенберг

Принципът на несигурността на Хайзенберг е един от крайъгълните камъни на квантова физика, но често не се разбира дълбоко от онези, които не са го проучили внимателно. Макар че, както подсказва името, определя определено ниво на несигурност на най-фундаменталните нива на самата природа, тази несигурност се проявява по много ограничен начин, така че не ни влияе в ежедневието ни живее. Само внимателно конструираните експерименти могат да разкрият този принцип на работа.

През 1927 г. немският физик Вернер Хайзенберг излага това, което е станало известно като Принцип на несигурността на Хайзенберг (или просто принцип на несигурност или, понякога, Принцип на Хайзенберг). Докато се опитваше да изгради интуитивен модел на квантовата физика, Хайзенберг беше разкрил това бяха определени фундаментални взаимоотношения, които поставиха ограничения за това колко добре можем да знаем определени количества. По-конкретно, при най-простото прилагане на принципа:

Колкото по-точно знаете позицията на дадена частица, толкова по-малко точно можете едновременно да знаете инерцията на същата тази частица.

Принципът на несигурността на Хайзенберг е много точно математическо твърдение за същността на квантовата система. Във физически и математически план тя ограничава степента на точност, за която някога можем да говорим, че имаме система. Следните две уравнения (също показани в по-красива форма, в графиката в горната част на тази статия), наречени връзки на несигурността на Хайзенберг, са най-често срещаните уравнения, свързани с несигурността принцип на действие:

Уравнение 1: делта- х * delta- р е пропорционална на з-бар
Уравнение 2: делта- E * delta- T е пропорционална на з-бар

Символите в горните уравнения имат следното значение:

• з-bar: Наречена "намалена константа на Планк", това има стойността на константата на Планк, разделена на 2 * pi.
• делта-х: Това е несигурността в положението на даден обект (да кажем за дадена частица).
• делта-р: Това е несигурността в инерцията на даден обект.
• делта-E: Това е несигурността в енергията на даден обект.
• делта-T: Това е несигурността в измерването на време на даден обект.

От тези уравнения можем да кажем някои физични свойства на измервателната несигурност на системата въз основа на съответното нивото на точност с нашето измерване. Ако несигурността при което и да е от тези измервания стане много малка, което съответства на това да има изключително точна измерването, тогава тези отношения ни казват, че съответната несигурност ще трябва да се увеличи, за да се поддържа пропорционалност.

С други думи, не можем едновременно да измерваме и двете свойства в рамките на всяко уравнение до неограничено ниво на точност. Колкото по-прецизно измерваме позицията, толкова по-малко точно сме в състояние едновременно да измерваме инерцията (и обратно). Колкото по-точно измерваме времето, толкова по-малко точно сме в състояние едновременно да измерваме енергия (и обратно).

Въпреки че горното може да изглежда много странно, всъщност има прилична кореспонденция с начина, по който можем да функционираме в реалния (тоест класически) свят. Да кажем, че гледахме състезателен автомобил на писта и трябваше да запишем, когато той премина на финал. Предполага се, че ще измерваме не само времето, през което преминава финалната линия, но и точната скорост, с която го прави. Ние измерваме скоростта, като натискаме бутон на хронометър в момента, в който го видим да пресича финалната линия и измерваме скоростта чрез гледане на цифрово четене (което не е в съответствие с гледането на колата, така че трябва да завъртите главата си, след като пресече финала линия). В този класически случай очевидно има известна степен на несигурност за това, защото тези действия отнемат известно време. Ще видим колата да докосне финалната линия, ще натиснете бутона за хронометъра и ще разгледаме цифровия дисплей. Физическата същност на системата налага определена граница на това колко точно може да бъде всичко това. Ако се съсредоточите върху опитите да наблюдавате скоростта, тогава може да сте малко, когато измервате точното време на финалната линия и обратно.

Както при повечето опити за използване на класически примери за демонстриране на квантово физическо поведение, има недостатъци с тази аналогия, но това донякъде е свързано с физическата реалност на работа в кванта царство. Връзките на несигурността произлизат от вълнообразното поведение на обекти в квантовата скала и факт, че е много трудно да се измери точно физическото положение на една вълна, дори и в класическата случаи.

Много е обичайно принципът на несигурност да се обърка с явлението на ефект на наблюдател в квантовата физика, като тази, която се проявява по време на Котката на Шрьодингер мисловен експеримент. Това всъщност са два напълно различни въпроса в рамките на квантовата физика, макар и двата да облагат класическото ни мислене. Принципът на несигурност всъщност е основно ограничение на способността да се правят точни изявления за поведението на квантова система, независимо от нашия действителен акт на извършване на наблюдението или не. От друга страна, ефектът на наблюдателя предполага, че ако направим определен вид наблюдение, самата система ще се държи по различен начин, отколкото би била без това наблюдение на място.

Поради централната си роля в основите на квантовата физика, повечето книги, които изследват квантовата сфера, ще дадат обяснение на принципа на несигурност с различни нива на успех. Ето някои от книгите, които го правят най-добре, според това скромен автор. Две са общи книги за квантовата физика като цяло, докато другите две са толкова биографични, колкото и научни, давайки реална представа за живота и работата на Вернер Хайзенберг:

• Невероятната история на квантовата механика от Джеймс Какалиос
• Квантовата Вселена от Брайън Кокс и Джеф Форшау
• Отвъд несигурността: Хайзенберг, квантовата физика и бомбата на Дейвид С. Cassidy
• Несигурност: Айнщайн, Хайзенберг, Бор и борбата за душата на науката от Дейвид Линдли