- Сообщения
- 8.444
- Реакции
- 11.091
Принцип неопределенности Гейзенберга не является просто математической особенностью, удобным руководящим принципом или вдохновением для некоторых настоящих занудных физиков.
Он отражает сущность природы и пронизывает всю материю.
Вместе мы отправимся в мысленную лабораторию, чтобы с помощью нескольких обычных предметов продемонстрировать, как природа говорит нам:
"нельзя иметь все одновременно".
Он отражает сущность природы и пронизывает всю материю.
Вместе мы отправимся в мысленную лабораторию, чтобы с помощью нескольких обычных предметов продемонстрировать, как природа говорит нам:
"нельзя иметь все одновременно".
Пожалуйста Войдите или Зарегистрируйтесь чтобы видеть скрытые ссылки.
, что привычные им правила перестают работать в мельчайших масштабах. Например, вопрос о том, является ли свет частицей или волной, который вызывал споры десятилетиями, не мог быть решен до тех пор, пока не было выявлено, что он обладает свойствами обеих. Физики также обнаружили, что этот корпускулярно-волновой дуализм применим к частицам материи, таким как электроны. 
Портрет Вернера Гейзенберга, сделанный в 1933 году.
По иронии судьбы, автор изображения неизвестен (CC by SA)
В 1925 году Гейзенберг опубликовал статью, в которой проинформировал физиков о том, что у природы есть способ сказать вам, что вы не можете взять свой пирог и съесть его тоже. Нечто внутреннее, встроенное в саму ткань Вселенной, напоминающее вам, что независимо от того, насколько вы умны, насколько сложен ваш экспериментальный метод и насколько чувствительно ваше оборудование, вы не можете ‘знать’ все о системе. Идея, которая противоречит принципам на которых была построена классическая физика.
Приняв название "Принцип неопределенности Гейзенберга", "принцип неопределенности Гейзенберга" или просто "принцип неопределенности", концепция стала бы, возможно, вторым наиболее широко признанным элементом квантовой физики, помимо одноименной кошачьей работы Шредингера.
Согласно самой общей формулировке принципа неопределенности Гейзенберга, измеряя импульс частицы с погрешностью Δp, вы ограничены в точности знания ее положения. Вам невозможно знать положение более точно, чем Δx ≥ ℏ / 2 Δp, где ℏ (или H-бар) представляет собой очень маленькую константу Планка, что становится важным, когда мы задаемся вопросом, почему принцип неопределенности не влияет на макроскопические объекты, такие как машины и мячи.
Одно из самых известных уравнений в физике, которое возможно не уступает по известности E=mc^2, является уравнение, полученное из перестановки вышеупомянутого уравнения, и содержит наиболее обобщенную форму принципа неопределенности Гейзенберга. Это уравнение утверждает, что результат произведения неопределенности положения и неопределенности импульса не может превышать половину приведенной постоянной Планка.
Хотя версия принципа неопределенности, основанная на импульсе и положении, может быть наиболее распространенной, но это не означает, что другие версии менее важны. Фактически, изменение энергии / времени приводит к появлению одного из самых удивительных и нелогичных явлений в реальности — возникновение и исчезновение виртуальных пар частиц.
Если вы изучаете малую изолированную область пространства-времени, которую наблюдаете в течение определенного периода времени, то принцип неопределенности для энергии и времени ( ΔE Δt = ≥ ℏ / 2 Δ ) утверждает, что вы не можете точно определить энергетическое содержание этой области. Это означает, что вероятно частицы появляются и исчезают в этой области.
Некоторые остроумные физики прозвали эту концепцию "природным средством для овердрафта". Хоть звучит она маловероятно, даже невозможно, она была подтверждена экспериментально. Принцип неопределенности Гейзенберга лишь ограничивает то, насколько долго Вселенная может "перерасходоваться", прежде чем частицы аннигилируются и этот заем энергии будет возвращен.
Грубая аналогия:
Вам предлагают участвовать в эксперименте по квантовой физике в лабораториях. По прибытии в лабораторию вам выдают теннисную ракетку и просят зайти в темную комнату. Задача заключается в том, чтобы найти теннисные мячи в комнате и отбить их ракеткой. Поначалу это кажется простым, но вскоре вы осознаете, что мячи летят на вас под случайными углами, и вам приходится использовать свои рефлексы, чтобы отбить их. В конце концов, после нескольких неудачных попыток, вы все же попадаете по мячу. "Я нашел один!" - говорите вы. "Отлично!" - отвечает голос по внутренней связи. "Где он сейчас находится?"
Конечно, проблема с этой грубой аналогией заключается в том, что само действие ‘измерения’ положения мяча или его импульса изменяет внутреннее состояние системы и, по сути, возвращает вас к исходной точке. Это напоминает каждый раз, когда мы пытаемся провести квантово-механическое измерение.
Для ‘видимости’ электрона исследователи должны направить на него фотоны. Однако проблема заключается в том, что фотоны переносят свой импульс вместе с ними. И поскольку электроны настолько малы, длины волн фотонов должны быть того же порядка. Чем короче длина волны, тем выше энергия и, в свою очередь, тем больше импульс. Это означает, что бомбардировка электрона фотонами придает им этот импульс и изменяет само состояние системы.
Причина полуклассического описания принципа неопределенности Гейзенберга заключается в том, что оно создает впечатление, что если бы существовало невероятно чувствительное измерительное устройство, его можно было бы "обойти". Это неправда. Независимо от того, насколько чувствителен измерительный прибор, избежать этих взаимосвязей невозможно. Это "встроено" в природу.
Чтобы понять, почему это так, нам нужно исследовать один из фундаментальных принципов квантовой механики — повсеместность волн.
Снова пример:
Вам звонят и говорят -
"Мы знаем, что последний эксперимент прошел неудачно, и мы действительно надеемся, что синяки заживают", — говорит знакомый голос. "Послушайте, у нас есть еще один тест, и этот действительно продемонстрирует принцип неопределенности Гейзенберга... никаких теннисных мячей."
Вы с неохотой соглашаетесь присутствовать на тесте. По прибытии вам вручают скакалку и просят ритмично размахивать ею вверх-вниз. Нервно выглядящий лаборант держит противоположный конец, покрытый рубцами размером с теннисный мяч. Вы продолжаете взмахивать скакалкой, и устойчивая форма волны начинает возникать на экране. Но вот голос из громкоговорителя прерывает ваше занятие: "Хорошо, теперь скажите нам, где на оси x (которая отмечает положение) находится эта волна?"
Вы с неохотой прибыли и по прибытии, вам выдали скакалку, с просьбой ритмично ею размахивать вверх-вниз. Противоположный конец держал нервный лаборант, на теле которого были заметны рубцы размером с теннисный мяч.
Когда вы взмахивали скакалкой, образовалась устойчивая волна, как и ожидалось. Однако голос из громкоговорителя внезапно задал вам вопрос: "Где на оси x находится волна?"
Вы посмотрели на волну и поняли, что, подобно квантовой частице, она не имела четко определенного положения. В математике, используемой для описания квантовых систем, распространение волны отвечает импульсу, а квадрат амплитуды отвечает вероятности нахождения частицы в определенном положении.
Таким образом, то, что мы видим, — это хорошо определенный импульс. Но, согласно принципу неопределенности Гейзенберга, мы не можем точно сказать о положении, поскольку волна не имеет единственного положения на оси x. Квадрат амплитуды везде одинаков.
Вас уже утомили эти загадочные эксперименты и странные вопросы. Вы решаете прервать эту игру и, чтобы дать исследователям урок, вы даете веревке один резкий удар, как Индиана Джонс.
Это можно сравнить с точным определением местоположения частицы. Так как распределение волновой функции было связано с импульсом частицы, то с внезапной локализацией волны вы больше не знаете ничего о ее импульсе.
Это демонстрирует, что принцип неопределенности Гейзенберга действительно возникает из того факта, что материя на квантовом уровне может быть описана в виде волн.
Покидая лабораторию, вы надеетесь, что это был ваш последний визит, и лечите травму запястья, полученную во время работы. Тут ведущий исследователь дарит вам теннисный мяч. "На память", - говорит он.
Вы благодарите его, но внутренне решаете попробовать перебросить его через самую высокую стену, которую сможете найти на пути к своей машине и дому.
Квантовое туннелирование – одна из наиболее удивительных особенностей квантового мира. Без нее процессы ядерного синтеза, питающие звезды и создающие более тяжелые элементы Вселенной, не могли бы происходить.
Когда протоны в ядре Солнца сталкиваются с потенциальным барьером, вызванным их положительными зарядами, даже при экстремальном давлении у них не хватает кинетической энергии, чтобы его преодолеть. Но благодаря квантовому туннелированию протоны могут преодолеть этот барьер и создавать дейтерий, что запускает процесс ядерного синтеза в ядре звезды и приводит к образованию гелия и высвобождению огромной энергии.
Вы думаете о квантовом туннелировании, когда чувствуете, как теннисный мяч, который вам подарили, давит на бедро. Вы смотрите на ближайшую стену, которая кажется непреодолимой для обычного мяча. Но этот мяч особенный – исследователи нашли способ придать ему свойства квантовой частицы.
Вы решаете сделать несколько попыток, бросая мяч с одинаковой силой, понимая, что вы не можете придать ему достаточно кинетической энергии, чтобы он перелетел через стену. Но благодаря квантовой природе мяча, он может пройти сквозь стену, используя явление квантового туннелирования. Это напоминает процесс ядерного синтеза в звездах, где квантовое туннелирование позволяет протонам преодолеть барьер и создать более тяжелые элементы Вселенной.
Когда вы бросаете свой 47-й квантовый мяч с той же кинетической энергией, что и прежде, он приближается к своему обычному пределу и внезапно исчезает. Оглядываясь на стену, вы не замечаете никаких дыр, и вы уверены, что мяч не мог пролететь через нее. Тут вы слышите громкий крик со стороны стены: "Мои цветы... Чей это был мяч?" Вы понимаете, что лучше всего поступить разумно и быстро убегаете с места происшествия.
Итак, принцип неопределенности Гейзенберга может объяснить, почему квантовый мяч может оказаться на другой стороне стены, в зоне, которую в физике называют 'классически запрещенной'. Это связано с тем, что мы точно знаем импульс мяча, но не можем быть уверены в его положении. Это означает, что существует малая вероятность того, что мяч окажется в области, где он не должен был бы находиться.
Ниже вы можете увидеть симуляцию, которая показывает, что происходит, когда частица с определенной энергией приближается к энергетическому барьеру, который превышает ее энергию. Важно отметить, что чем шире или выше барьер, т.е. чем больше энергии требуется, тем меньше вероятность того, что частица сможет преодолеть его.
Однако при таком размышлении может возникнуть беспокойный вопрос: "Если я точно знаю скорость своей машины, то это означает, что я не могу точно знать ее положение?"
До сих пор мы рассматривали примеры макроскопических объектов, таких как теннисные мячи и скакалки, которые проявляют квантовое поведение. Однако, возможно, вы задаетесь вопросом, почему мы не наблюдаем такое поведение в повседневной жизни.
Важным фактором является малое значение постоянной Планка (ℏ), которая определяет нижний предел неопределенности измерения положения и импульса. Для крупных объектов, таких как теннисные мячи, скакалки и автомобили, этот предел ничтожно мал по сравнению с их массой.
Хотя каждый объект имеет свою волну де Бройля (λdb), эта волна должна быть сравнима с уменьшенной постоянной Планка, чтобы принцип неопределенности Гейзенберга оказал значительное влияние. Для теннисного мяча волна де Бройля настолько мала, что принцип неопределенности не имеет значительного эффекта на его поведение.
Это подобно тому, как движущиеся объекты не рассеиваются вокруг деревьев, потому что их волна де Бройля слишком мала, чтобы существенно влиять на их поведение.
Доп. материалы:
Видео.
- Более общий принцип неопределенности
- Как понять принцип неопределённости Гейзенберга?
- Принцип Неопределенности Гейзенберга
- Принцип неопределённости Гейзенберга
Все вопросы по разделам
Пожалуйста Войдите или Зарегистрируйтесь чтобы видеть скрытые ссылки.
и
Пожалуйста Войдите или Зарегистрируйтесь чтобы видеть скрытые ссылки.
писать
Neural Network
Aintelligence
Конкурсы
Пожалуйста Войдите или Зарегистрируйтесь чтобы видеть скрытые ссылки.
Пожалуйста Войдите или Зарегистрируйтесь чтобы видеть скрытые ссылки.
Пожалуйста Войдите или Зарегистрируйтесь чтобы видеть скрытые ссылки.
Научный телеграм канал
Пожалуйста Войдите или Зарегистрируйтесь чтобы видеть скрытые ссылки.
и
Пожалуйста Войдите или Зарегистрируйтесь чтобы видеть скрытые ссылки.
