Izpratne par Heizenberga nenoteiktības principu

Heizenberga nenoteiktības princips ir viens no Stūrakmeņiem kvantu fizika, bet tie, kas to nav rūpīgi izpētījuši, bieži to dziļi neizprot. Kaut arī tas, kā norāda nosaukums, definē noteiktu nenoteiktības līmeni visizplatītākajos pati daba, šī nenoteiktība izpaužas ļoti ierobežotā veidā, tāpēc tā mūs ikdienā neietekmē dzīvo. Tikai rūpīgi izstrādāti eksperimenti var atklāt šo principu darbā.

1927. gadā vācu fiziķis Verners Heizenbergs izteicis to, kas kļuvis pazīstams kā Heizenberga nenoteiktības princips (vai tikai nenoteiktības princips vai dažreiz Heizenberga princips). Mēģinot izveidot intuitīvu kvantu fizikas modeli, Heizenbergs to atklāja tās bija noteiktas pamata attiecības, kas ierobežo to, cik labi mēs zinām dažus daudzumi. Proti, visvienkāršākajā principa piemērošanā:

Jo precīzāk jūs zināt daļiņas stāvokli, jo mazāk precīzi vienlaikus varat uzzināt tās pašas daļiņas impulsu.

Heizenberga nenoteiktības princips ir ļoti precīzs matemātisks paziņojums par kvantu sistēmas būtību. Fizikāli un matemātiski tas ierobežo precizitātes pakāpi, par kādu mēs kādreiz varam runāt, ja par sistēmu. Šie divi vienādojumi (glītākā formā parādīti arī šī raksta augšpusē): ko sauc par Heizenberga nenoteiktības attiecībām, ir visizplatītākie vienādojumi, kas saistīti ar nenoteiktību princips:

1. vienādojums: delta- x * delta- lpp ir proporcionāls h-bārs
2. vienādojums: delta- E * delta- t ir proporcionāls h-bārs

Iepriekš minētajos vienādojumos izmantotajiem simboliem ir šāda nozīme:

• h-josla: Saukta par “samazinātu Planka konstanti”, tā ir Plankas konstantes vērtība, dalīta ar 2 * pi.
• delta-x: Tā ir objekta (teiksim, par noteiktu daļiņu) pozīcijas nenoteiktība.
• delta-lpp: Tā ir objekta impulsa nenoteiktība.
• delta-E: Tā ir objekta enerģijas nenoteiktība.
• delta-t: Šī ir objekta laika mērīšanas nenoteiktība.

Izmantojot šos vienādojumus, mēs varam pateikt dažas sistēmas mērījumu nenoteiktības fizikālās īpašības, pamatojoties uz mūsu mērījumiem atbilstošo precizitātes līmeni. Ja nenoteiktība kādā no šiem mērījumiem kļūst ļoti maza, kas nozīmē, ka tā ir ārkārtīgi precīza mērījums, tad šīs attiecības mums saka, ka attiecīgajai nenoteiktībai vajadzētu palielināties, lai saglabātu samērīgums.

Citiem vārdiem sakot, mēs nevaram vienlaicīgi izmērīt abas īpašības katrā vienādojumā līdz neierobežotam precizitātes līmenim. Jo precīzāk mēs mēra pozīciju, jo mazāk precīzi mēs varam vienlaikus izmērīt impulsu (un otrādi). Jo precīzāk mēs mēra laiku, jo mazāk precīzi mēs varam vienlaikus izmērīt enerģiju (un otrādi).

Lai gan iepriekšminētais var šķist ļoti dīvains, patiesībā ir pienācīga atbilstība tam, kā mēs varam darboties reālajā (tas ir, klasiskajā) pasaulē. Teiksim, ka mēs trasē skatījāmies sacīkšu mašīnu un mums vajadzēja ierakstīt, kad tā šķērsoja finiša līniju. Mums ir paredzēts izmērīt ne tikai laiku, kad tas šķērso finiša līniju, bet arī precīzu ātrumu, ar kādu tas tiek veikts. Mēs mēra ātrumu, nospiežot pogu uz hronometra brīdī, kad redzam, ka tas šķērso finiša līniju, un mēs mēra ātrumu skatoties digitālu nolasījumu (kas neatbilst automašīnas vērošanai, tāpēc jums jāpagriež galva, kad tas šķērso finišu līnija). Šajā klasiskajā gadījumā par to acīmredzami ir zināma nenoteiktība, jo šīs darbības prasa zināmu fizisko laiku. Mēs redzēsim, kā automašīna pieskaras finiša taisnei, nospiež hronometra pogu un aplūko digitālo displeju. Sistēmas fiziskā daba nosaka noteiktu ierobežojumu tam, cik precīzi tas viss var būt. Ja jūs koncentrējaties uz mēģinājumu novērot ātrumu, tad, mērot precīzu laiku visā finiša taisnē, iespējams, esat mazliet nost, un otrādi.

Tāpat kā lielākajā daļā mēģinājumu izmantot klasiskos piemērus kvantu fiziskās izturēšanās demonstrēšanai, ir arī šādi ir trūkumi ar šo analoģiju, bet tas ir nedaudz saistīts ar fizisko realitāti darbā kvantā valstība. Nenoteiktības attiecības rodas no viļņiem līdzīgas objektu izturēšanās kvantu skalā, un fakts, ka ir ļoti grūti precīzi izmērīt viļņa fizisko stāvokli, pat klasiskajā gadījumi.

Ļoti bieži nenoteiktības principu var sajaukt ar novērotāja efekts kvantu fizikā, piemēram, tajā, kas izpaužas Šroedingera kaķis domas eksperiments. Patiesībā tie ir divi pilnīgi atšķirīgi jautājumi kvantu fizikā, lai gan abi apliek mūsu klasisko domāšanu. Nenoteiktības princips faktiski ir būtisks ierobežojums spējai izteikt precīzus paziņojumus par kvantu sistēmas izturēšanos neatkarīgi no mūsu faktiskās darbības veikt novērojumu vai ne. Novērotāja efekts, no otras puses, nozīmē, ka, ja mēs veiksim noteikta veida novērojumus, pati sistēma izturēsies savādāk, nekā tā rīkotos, ja šāds novērojums nebūtu izveidots.

Tā kā tai ir centrālā loma kvantu fizikas pamatos, vairums grāmatu, kas pēta kvantu valstību, sniegs nenoteiktības principa skaidrojumu ar atšķirīgiem panākumu līmeņiem. Šeit ir dažas grāmatas, kuras, pēc šī pazemīgā autora domām, to dara vislabāk. Divas ir vispārīgas grāmatas par kvantu fiziku kopumā, bet pārējās divas ir tikpat biogrāfiskas kā zinātniskas, sniedzot patiesu ieskatu Vernera Heisenberga dzīvē un darbā:

• Pārsteidzošais stāsts par kvantu mehāniku autors Džeimss Kakalios
• Kvantu Visums autori Braiens Kokss un Džefs Forshavs
• Ārpus nenoteiktības: Heizenbergs, Kvantu fizika un Dāvida C bumba. Cassidy
• Neskaidrība: Einšteins, Heizenbergs, Bohrs un Deivida Lindlija cīņa par zinātnes dvēseli