В обычном разговоре о физике мы с вами привыкли оперировать крупными объектами — брусками, автомобилями и даже целыми планетами. В микромире, где господствуют мельчайшие частицы, приняты совершенно другие законы.
Квантовое «посмотрим»: что такое принцип неопределенности Гейзенберга
Если ваш партнер никогда не может точно сказать где вы встретитесь, в какое время и какой импульс друг другу сообщите — загляните в его паспорт. Возможно, его фамилия Гейзенберг. В этом материале будет немного квантовой физики и лексических повторов — разберемся с принципом неопределенности Гейзенберга.
Freepik
Что такое квантовая механика?
Слово «квант» происходит от латинского quantum, что означает «сколько, как много». Квантом в физике принято называть мельчайшую неделимую порцию чего-либо. Если за исходную материю взять книгу, то она поделится на главы, затем на абзацы, предложения, слова и, наконец, распадется на буквы. Грубо говоря, квант книги — это буква. Таким образом, квант света — это фотон, квант материи — это фермион, амергон — квант звука и так далее.
Бозон Хиггса, открытый в 2012 году, это тоже квант. Он отвечает за массу элементарных частиц, например, электронов и кварков.
Под словом «квантовый» в данном случае мы будем понимать «дискретный» или «раздельный», то есть делать упор на отдельность и отрывистость частиц друг от друга. Итак, квантовая механика — это рассказ о мире на уровне дискретных частиц. Говоря о дискретности, мы лишаем обитателей микромира возможности болтаться в каких угодно значениях — только в определенных, дискретных значениях. Но если все так просто и четко, тогда о какой неопределенности идет речь?..
В чем суть принципа неопределенности Гейзенберга?
Принцип неопределенности гласит, что мы не можем с идеальной точностью измерить одновременно координату и скорость частицы, такой как фотон или электрон. Чем усерднее мы стараемся уточнить положение частицы, тем меньше мы знаем о ее скорости и наоборот. Грубо говоря, если бы мы могли уменьшить слона до размеров фотона, то у нас получилось бы вычислить либо то, где он находится, либо скорость его движения. Но все это одновременно узнать не выйдет, даже не пытайтесь.
Это положение, лежащее в основе всей квантовой механики, в 1927 году сформулировал великий немецкий физик Вернер Гейзенберг.
Вернер Гейзенберг — немецкий физик-теоретик и лауреат Нобелевской премии по физике 1932 года
Хотя принцип неопределенности Гейзенберга широко известен в квантовой физике, аналогичный принцип неопределенности также применяется к проблемам в чистой математике и классической физике — по сути, любой объект с волнообразными свойствами будет подчиняться этому принципу. Квантовые объекты особенные, потому что все они проявляют волнообразные свойства из-за самой природы квантовой теории.
Чтобы понять общую идею, лежащую в основе принципа неопределенности, представьте себе рябь на пруду. Чтобы измерить ее скорость, мы будем следить за прохождением нескольких пиков и впадин. Чем больше пиков и впадин пройдет мимо, тем точнее мы узнаем скорость волны, но тем меньше мы сможем сказать о ее положении.
Пример волн на воде
Местоположение распределено между пиками и впадинами. И наоборот, если бы мы хотели узнать точное положение одного пика волны, нам пришлось бы следить только за одним небольшим участком волны и мы бы потеряли информацию о ее скорости. Иными словами, принцип неопределенности описывает компромисс между двумя особыми свойствами, такими как скорость и координаты местоположения.
Квантовый скачок — это мгновенный переход системы квантов (атома, его ядра или молекулы) из одного состояния в другое. Это возможно только на уровне квантовых систем — в классической механике любые переходы протекают постепенно.
Принцип неопределенности возникает из корпускулярно-волнового дуализма. Каждая частица на самом деле демонстрирует волнообразное поведение. Частица, скорее всего, будет обнаружена в тех местах, где волнообразные движения наиболее сильны и интенсивны. Однако, чем интенсивнее становятся движения связанной волны, тем более неопределенной становится длина волны, которая, в свою очередь, определяет импульс частицы. Таким образом, строго локализованная волна имеет неопределенную длину волны, а связанная с ней частица, хотя и имеет определенное положение, не имеет определенной скорости.
С другой стороны, волна частицы, имеющая четко определенную длину, распространена, а связанная с ней частица, хотя и имеет довольно точную скорость, может находиться почти где угодно. Достаточно точное измерение одной наблюдаемой величины подразумевает относительно большую неопределенность в измерении другой. Это похоже на весы, чаши которых невозможно привести в идеальный баланс.
Теперь оправдывать свои никудышные навыки тайм-менеджмента вам будет гораздо проще — валите все на Гейзенберга.