Förstå Heisenbergs osäkerhetsprincip

Heisenbergs osäkerhetsprincip är en av hörnstenarna i kvantfysik, men det förstås ofta inte djupt av dem som inte noggrant har studerat det. Även om det, som namnet antyder, definierar en viss osäkerhetsnivå på de mest grundläggande nivåerna i naturen själv, den osäkerheten manifesteras på ett mycket begränsat sätt, så det påverkar oss inte i vårt dagliga lever. Endast noggrant konstruerade experiment kan avslöja denna princip på jobbet.

1927 lade den tyska fysikern Werner Heisenberg fram vad som blivit känt som Heisenbergs osäkerhetsprincip (eller bara osäkerhetsprincipen eller ibland, Heisenberg-principen). När han försökte bygga en intuitiv modell av kvantefysik hade Heisenberg avslöjat det där var vissa grundläggande relationer som satte begränsningar för hur väl vi kunde veta vissa mängder. Specifikt i den mest enkla tillämpningen av principen:

Ju mer exakt du känner till en partikels position, desto mindre exakt kan du samtidigt känna till momentumet för samma partikel.

Heisenbergs osäkerhetsprincip är ett mycket exakt matematiskt uttalande om ett kvantsystem. I fysiska och matematiska termer begränsar det graden av precision vi någonsin kan prata om att ha om ett system. Följande två ekvationer (visas också i vackrare form, i grafiken längst upp i denna artikel), kallade Heisenberg osäkerhetsrelationer, är de vanligaste ekvationerna relaterade till osäkerheten princip:

Ekvation 1: delta- x * delta- p är proportionell mot h-bar
Ekvation 2: delta- E * delta- t är proportionell mot h-bar

Symbolerna i ovanstående ekvationer har följande betydelse:

• h-fält: Kallas den "reducerade Planck-konstanten", detta har värdet på Plancks konstant dividerat med 2 * pi.
• delta-x: Detta är osäkerheten i ett objekts position (säg en viss partikel).
• delta-p: Detta är osäkerheten i ett objekts momentum.
• delta-E: Detta är ett objekts osäkerhet i energi.
• delta-t: Detta är osäkerheten i tidsmätning av ett objekt.

Från dessa ekvationer kan vi berätta några fysiska egenskaper för systemets mätosäkerhet baserat på vår motsvarande nivå av precision med vår mätning. Om osäkerheten i någon av dessa mätningar blir mycket liten, motsvarar det att ha en extremt exakt mätning, då dessa relationer säger oss att motsvarande osäkerhet skulle behöva öka, för att upprätthålla proportionalitet.

Med andra ord kan vi inte samtidigt mäta båda egenskaperna inom varje ekvation till en obegränsad nivå av precision. Ju mer exakt vi mäter position, desto mindre exakt kan vi samtidigt mäta momentum (och vice versa). Ju mer exakt vi mäter tid, desto mindre exakt kan vi samtidigt mäta energi (och vice versa).

Även om ovanstående kan verka väldigt konstigt, finns det faktiskt en anständig korrespondens till hur vi kan fungera i den verkliga (det vill säga klassiska) världen. Låt oss säga att vi tittade på en racerbil på en bana och vi skulle spela in när den passerade en mållinje. Vi är tänkta att mäta inte bara den tid det passerar mållinjen utan också den exakta hastigheten med vilken den gör det. Vi mäter hastigheten genom att trycka på en knapp på ett stoppur när vi ser att det passerar mållinjen och vi mäter hastigheten med titta på en digital avläsning (som inte överensstämmer med att titta på bilen, så du måste vända på huvudet när det passerar finishen linje). I det här klassiska fallet finns det uppenbarligen en viss osäkerhet kring detta, eftersom dessa åtgärder tar viss fysisk tid. Vi ser bilen röra vid mållinjen, trycka på stoppuret och titta på den digitala displayen. Systemets fysiska karaktär sätter en bestämd gräns för hur exakt allt detta kan vara. Om du fokuserar på att försöka titta på hastigheten, kan du vara av lite när du mäter den exakta tiden över mållinjen, och vice versa.

Som med de flesta försök att använda klassiska exempel för att demonstrera kvant fysiskt beteende finns det brister med denna analogi, men den är något relaterad till den fysiska verkligheten på jobbet i kvanten rike. Osäkerhetsrelationerna kommer ut ur vågliknande beteende hos objekt i kvanteskalan och faktum att det är mycket svårt att exakt mäta den fysiska positionen för en våg, även i klassisk fall.

Det är mycket vanligt att osäkerhetsprincipen blir förvirrad med fenomenet observatörseffekt i kvantfysik, såsom det som manifesteras under Schroedingers katt tankeexperiment. Dessa är faktiskt två helt olika frågor inom kvantefysik, även om båda beskattar vårt klassiska tänkande. Osäkerhetsprincipen är faktiskt en grundläggande begränsning för förmågan att göra exakta uttalanden om beteendet hos ett kvantsystem, oavsett hur vi faktiskt gör observationen eller inte. Observatörseffekten innebär å andra sidan att om vi gör en viss typ av observation, kommer systemet själv att bete sig annorlunda än det skulle göra utan den observationen på plats.

På grund av dess centrala roll i grunden för kvantefysik kommer de flesta böcker som utforskar kvantområdet att förklara osäkerhetsprincipen med olika framgångsnivåer. Här är några av de böcker som gör det bäst, enligt denna ödmjuka författares åsikt. Två är allmänna böcker om kvantefysik som helhet, medan de andra två är lika mycket biografiska som vetenskapliga, vilket ger verkliga insikter i Werner Heisenbergs liv och arbete:

• Kvantmekanikens fantastiska berättelse av James Kakalios
• Quantumuniverset av Brian Cox och Jeff Forshaw
• Utöver osäkerhet: Heisenberg, kvantfysik och bomben av David C. Cassidy
• Osäkerhet: Einstein, Heisenberg, Bohr och the Struggle for the Soul of Science av David Lindley