Înțelegerea principiului incertitudinii Heisenberg

Principiul de incertitudine al lui Heisenberg este unul dintre elementele de temelie ale fizicii cuantice, dar deseori nu este înțeles profund de către cei care nu au studiat-o cu atenție. Deși, așa cum sugerează și numele, definește un anumit nivel de incertitudine la nivelurile cele mai fundamentale ale naturii în sine, acea incertitudine se manifestă într-un mod foarte restrâns, deci nu ne afectează în viața noastră de zi cu zi. Doar experimentele construite cu atenție pot dezvălui acest principiu în lucru. 

În 1927, fizicianul german Werner Heisenberg a prezentat ceea ce a devenit cunoscut sub numele de Principiul incertitudinii Heisenberg (sau doar principiul incertitudinii sau, uneori, Principiul Heisenberg). În timp ce încerca să construiască un model intuitiv al fizicii cuantice, Heisenberg a descoperit că există anumite relații fundamentale care pun limitele cât de bine am putea cunoaște anumite cantități. Mai exact, în cea mai simplă aplicare a principiului:

Cu cât cunoașteți mai exact poziția unei particule, cu atât mai puțin puteți cunoaște simultan impulsul aceleiași particule.

Heisenberg Relații de incertitudine

Principiul de incertitudine al lui Heisenberg este o afirmație matematică foarte precisă despre natura unui sistem cuantic. În termeni fizici și matematici, limitează gradul de precizie despre care putem vorbi vreodată despre un sistem. Următoarele două ecuații (arătate, de asemenea, într-o formă mai frumoasă, în graficul din partea de sus a acestui articol), numite relații de incertitudine Heisenberg, sunt cele mai frecvente ecuații legate de principiul incertitudinii:

Ecuația 1: delta- X * delta- p este proporțional cu h-bar
Ecuația 2: delta- E * delta- T este proporțional cu h-bar

Simbolurile din ecuațiile de mai sus au următorul sens:

• h-bara: Numită „constantă planck redusă”, aceasta are valoarea constantei Planck divizată la 2 * pi.
• deltă-X: Aceasta este incertitudinea în poziția unui obiect (să zicem o particulă dată).
• deltă-p: Aceasta este incertitudinea în impulsul unui obiect.
• deltă-E: Aceasta este incertitudinea în energie a unui obiect.
• deltă-T: Aceasta este incertitudinea în măsurarea timpului unui obiect.

Din aceste ecuații, putem spune unele proprietăți fizice ale incertitudinii de măsurare a sistemului pe baza nivelului de precizie corespunzător cu măsurarea noastră. Dacă incertitudinea în oricare dintre aceste măsurători devine foarte mică, ceea ce corespunde unei măsurări extrem de precise, atunci aceste relații ne spun că incertitudinea corespunzătoare ar trebui să crească, pentru a menține proporționalitatea.

Cu alte cuvinte, nu putem măsura simultan ambele proprietăți din fiecare ecuație la un nivel nelimitat de precizie. Cu cât măsurăm mai exact poziția, cu atât mai precis suntem în măsură să măsurăm simultan impulsul (și invers). Cu cât măsurăm mai precis timpul, cu atât suntem mai puțini în măsură să măsurăm simultan energia (și invers).

Un exemplu de sens comun

Deși cele de mai sus pot părea foarte ciudate, există de fapt o corespondență decentă cu modul în care putem funcționa în lumea reală (adică clasică). Să spunem că urmăream o mașină de curse pe o pistă și trebuia să înregistrăm când traversa linia de sosire. Se presupune că măsurăm nu numai timpul în care traversează linia de sosire, ci și viteza exactă cu care face acest lucru. Măsurăm viteza apăsând un buton pe un cronometru în momentul în care îl vedem traversând linia de sosire și măsurăm viteza privind o citire digitală (care nu este în conformitate cu vizionarea mașinii, așa că trebuie să vă întoarceți capul tău odată ce trece linia de sosire). În acest caz clasic, există în mod clar un anumit grad de incertitudine în acest sens, deoarece aceste acțiuni durează ceva timp. Vom vedea că mașina atinge linia de sosire, apăsăm butonul de cronometru și privim afișajul digital. Natura fizică a sistemului impune o limită certă asupra cât de precise pot fi toate acestea. Dacă vă concentrați să încercați să urmăriți viteza, atunci puteți opri un pic atunci când măsurați ora exactă peste linia de sosire și invers.

La fel ca în majoritatea încercărilor de a utiliza exemple clasice pentru a demonstra un comportament fizic cuantic, există aceste defecte cu această analogie, dar este oarecum legată de realitatea fizică la locul de muncă pe tărâmul cuantic. Relațiile de incertitudine ies din comportamentul asemănător undei obiectelor la scara cuantică și faptul că este foarte dificil să măsoare precis poziția fizică a unei unde, chiar și în cazurile clasice.

Confuzie despre principiul incertitudinii

Este foarte comun ca principiul incertitudinii să se confunde cu fenomenul efectului observator în fizica cuantică, cum ar fi cel care se manifestă în timpul experimentului gândirii pisicii lui Schroedinger. Acestea sunt de fapt două probleme complet diferite în fizica cuantică, deși ambele impozitează gândirea noastră clasică. Principiul incertitudinii este de fapt o constrângere fundamentală asupra capacității de a face afirmații precise despre comportamentul unui sistem cuantic, indiferent de actul nostru real de a face observația sau nu. Efectul de observator, pe de altă parte, implică faptul că, dacă facem un anumit tip de observație, sistemul însuși se va comporta diferit decât ar face fără observația respectivă.

Cărți despre fizica cuantică și principiul incertitudinii:

Datorită rolului său central în bazele fizicii cuantice, majoritatea cărților care explorează tărâmul cuantic vor oferi o explicație a principiului incertitudinii, cu diferite niveluri de succes. Iată câteva dintre cărțile care o fac cel mai bine, în opinia acestui autor umil. Două sunt cărți generale despre fizica cuantică în ansamblu, în timp ce celelalte două sunt la fel de biografice ca științifice, oferind informații reale despre viața și opera lui Werner Heisenberg:

• Povestea uimitoare a mecanicii cuantice de James Kakalios
• Universul cuantic de Brian Cox și Jeff Forshaw
• Dincolo de incertitudine: Heisenberg, fizica cuantică și bomba de David C. Cassidy
• Incertitudine: Einstein, Heisenberg, Bohr și Lupta pentru sufletul științei de David Lindley