Heisenbergin epävarmuusperiaate on yksi sen kulmakivistä kvanttifysiikka, mutta ne, jotka eivät ole tarkkaan tutkineet sitä, eivät usein ymmärrä sitä syvästi. Vaikka se määrittelee, kuten nimestä voi päätellä, tietyn tason epävarmuuden itse luonto, se epävarmuus ilmenee erittäin rajoitetusti, joten se ei vaikuta meihin päivittäin elää. Vain huolellisesti rakennetut kokeet voivat paljastaa tämän periaatteen työssä.
Saksalainen fyysikko Werner Heisenberg julkaisi vuonna 1927 sen, josta on tullut tunnetuksi Heisenbergin epävarmuusperiaate (tai vain epävarmuusperiaate tai joskus Heisenbergin periaate). Yrittäessään rakentaa intuitiivista kvantfysiikan mallia, Heisenberg oli paljastanut sen siellä olivat tietyt perustavanlaatuiset suhteet, jotka rajoittivat sitä, kuinka hyvin voimme tietää tietyt määriä. Erityisesti periaatteen kaikkein suoraimmassa soveltamisessa:
Mitä tarkemmin tiedät hiukkasen sijainnin, sitä vähemmän tarkemmin voit samanaikaisesti tietää saman hiukkasen liikkeen.
Heisenbergin epävarmuussuhteet
Heisenbergin epävarmuusperiaate on erittäin tarkka matemaattinen lausunto kvanttijärjestelmän luonteesta. Fysikaalisesti ja matemaattisesti se rajoittaa sen tarkkuuden tasoa, josta voimme koskaan puhua siitä, että meillä on järjestelmä. Seuraavat kaksi yhtälöä (kauniimmassa muodossa myös tämän artikkelin yläosassa olevassa kuvassa), joita kutsutaan Heisenbergin epävarmuussuhteiksi, ovat yleisimmät epävarmuuteen liittyvät yhtälöt periaate:
Kaava 1: delta- x * delta- p on verrannollinen h-baari
Kaava 2: delta- E * delta- T on verrannollinen h-baari
Yllä olevien yhtälöiden symboleilla on seuraava merkitys:
- h-palkki: Nimeltään "alennettu Planck-vakio", tällä on Planckin vakion arvo jaettuna 2 * pi: llä.
- delta-x: Tämä on esineen (esimerkiksi tietyn hiukkasen) aseman epävarmuus.
- delta-p: Tämä on esineen epävarmuus vauhdissa.
- delta-E: Tämä on esineen epävarmuustekijä.
- delta-T: Tämä on esineen aikamittauksen epävarmuus.
Näistä yhtälöistä voimme kertoa joitain järjestelmän mittausepävarmuuden fysikaalisia ominaisuuksia perustuen vastaavaan tarkkuustasomme mittauksemme kanssa. Jos epävarmuus jostakin näistä mittauksista tulee hyvin pieneksi, mikä vastaa erittäin tarkkaa mittaus, sitten nämä suhteet kertovat meille, että vastaavan epävarmuuden pitäisi kasvaa, ylläpitää suhteellisuus.
Toisin sanoen, emme voi samanaikaisesti mitata kummankin yhtälön molempia ominaisuuksia rajoittamattomaan tarkkuustasoon. Mitä tarkemmin mittaamme sijaintia, sitä vähemmän tarkemmin pystymme mittaamaan samanaikaisesti vauhtia (ja päinvastoin). Mitä tarkemmin mittaamme aikaa, sitä vähemmän tarkemmin pystymme mittaamaan energiaa samanaikaisesti (ja päinvastoin).
Yleinen järki-esimerkki
Vaikka yllä oleva saattaa tuntua hyvin omituiselta, on todellakin kunnollista vastaavuutta tapaan, jolla voimme toimia todellisessa (eli klassisessa) maailmassa. Oletetaan, että katselimme kilpa-autoa radalla ja meidän piti tallentaa, kun se ylitti maaliviivan. Meidän on tarkoitus mitata paitsi aika, joka kuluu maalilinjan ylittämiseen, myös tarkka nopeus, jolla se ylittää. Mittaamme nopeutta painamalla nappia sekuntikellossa sillä hetkellä, kun näemme sen ylittävän maalilinjan ja mittaamme nopeuden katsomalla digitaalista lukemaa (mikä ei ole linjassa auton katselun kanssa, joten sinun on käännettävä päätäsi, kun se ylittää maalin linja). Tässä klassisessa tapauksessa siitä on selvästi jonkin verran epävarmuutta, koska nämä toimet vievät fyysistä aikaa. Näemme, että auto koskettaa maaliin, paina sekuntikellon painiketta ja katselee digitaalinäyttöä. Järjestelmän fyysinen luonne asettaa tietyn rajan, kuinka tarkka tämä kaikki voi olla. Jos keskityt yrittämään seurata nopeutta, saatat olla hiukan pois, kun mittaat tarkkaa aikaa maalilinjan poikki ja päinvastoin.
Kuten useimmissa yrityksissä käyttää klassisia esimerkkejä kvanttisen fyysisen käyttäytymisen osoittamiseen, on olemassa virheitä tällä analogialla, mutta se liittyy jonkin verran fyysiseen todellisuuteen työssä kvantissa valtakunta. Epävarmuussuhteet tulevat esiin objektien aaltolaisesta käyttäytymisestä kvantitaajuudessa, ja tosiasia, että on erittäin vaikea mitata tarkasti aallon fyysistä asemaa, jopa klassisessa tapauksissa.
Epäselvyys epävarmuusperiaatteesta
On hyvin yleistä, että epävarmuusperiaate sekoittuu tarkkailijavaikutus kvanttifysiikassa, kuten se, joka ilmenee Schroedingerin kissa ajatuskokeilu. Nämä ovat oikeastaan kaksi täysin erilaista kysymystä kvantfysiikassa, tosin molemmat veroavat klassista ajatteluamme. Epävarmuusperiaate on tosiasiallisesti olennainen rajoitus kyvylle antaa tarkkoja lausuntoja kvanttijärjestelmän käyttäytymisestä riippumatta siitä, teemmekö havainnon vai ei. Tarkkailijavaikutus puolestaan tarkoittaa, että jos teemme tietyntyyppisen havainnon, järjestelmä itse käyttäytyy eri tavalla kuin se toimisi ilman, että havainto olisi paikallaan.
Kvanttifysiikkaa ja epävarmuusperiaatetta koskevat kirjat:
Koska sillä on keskeinen rooli kvanttifysiikan perusteissa, suurin osa kvanttimaailmaa tutkivista kirjoista antaa selityksen epävarmuusperiaatteelle vaihtelevalla menestysasteella. Tässä on joitain kirjoja, jotka tekevät sen parhaiten tämän nöyrän kirjoittajan mielestä. Kaksi ovat yleisiä kirjoja kvanttifysiikasta kokonaisuutena, kun taas kaksi muuta ovat yhtä paljon biografisia kuin tieteellisiä, ja ne antavat todellisia käsityksiä Werner Heisenbergin elämästä ja työstä:
- Hämmästyttävä tarina kvantimekaniikasta kirjoittanut James Kakalios
- Quantum Universe kirjoittanut Brian Cox ja Jeff Forshaw
- Epävarmuuden ulkopuolella: Heisenberg, kvanttifysiikka ja David C.: n pommi Cassidy
- Epävarmuus: Einstein, Heisenberg, Bohr ja taistelu tieteen sielua varten, kirjoittanut David Lindley