Неопределенность Гейзенберга дверь в микромир
Неопределенность Гейзенберга дверь в микромир

Неопределенность Гейзенберга дверь в микромир

Неопределенность Гейзенберга – дверь в микромир

Когда молодой Макс Планк сказал своему учителю, что хочет дальше заниматься теоретической физикой, тот, улыбнувшись, заверил его, что как раз там ученым уже делать нечего – осталось только «подчистить шероховатости». Увы! Усилиями Планка, Нильса Бора, Эйнштейна, Шредингера и др. все становится с ног на голову, причем так основательно, что назад не вернешься, и впереди бездорожье. Дальше – больше: среди всеобщего теоретического хаоса вдруг появляется, например, неопределенность Гейзенберга. Как говорится, этого нам только не хватало. На рубеже 19-20 веков ученые приоткрыли дверь в неведомую область элементарных частиц, а там привычная механика Ньютона дала сбой.

Казалось бы, «до того», все хорошо – вот физическое тело, вот его координаты. В «нормальной физике» всегда можно взять стрелу и точно «ткнуть» ее в «нормальный» объект, даже движущийся. Промах, теоретически, исключается – законы Ньютона не ошибаются. Но вот объект исследования становится все меньше – зернышко, молекула, атом. Сначала исчезают точные контуры объекта, потом в его описании появляются вероятностные оценки среднестатистических скоростей для молекул газа, и, наконец, координаты молекул становятся «среднестатистическими», а о молекуле газа можно сказать: находится то ли здесь, то ли там, но, вероятнее всего, где-то в этой области. Пройдет время и проблему решит неопределенность Гейзенберга, но это потом, а сейчас… Попробуйте попасть «теоретической стрелой» в объект, если он находится «в области наиболее вероятных координат». Слабо? А что же это за объект, какие у него размеры, формы? Здесь вопросов было больше, чем ответов.

А как быть с атомом? Хорошо ныне известная планетарная модель была предложена в 1911 году и сразу же вызвала массу вопросов. Главный из них: как на орбите держится отрицательный электрон и почему он не падает на положительное ядро? Как сейчас говорят – хороший вопрос. Следует заметить, что все теоретические выкладки в это время проводились на базе классической механики – неопределенность Гейзенберга еще не заняла почетное место в теории атома. Именно этот факт не позволял ученым понять сущность механики атома. «Спас» атом Нильс Бор – он подарил ему стабильность своим предположением, что у электрона есть орбитальные уровни, находясь на которых он не излучает энергию, т.е. не теряет ее и не падает на ядро.

Исследование вопроса непрерывности энергетических состояний атома уже дало толчок развитию совершенно новой физики – квантовой, начало которой положил Макс Планк еще в 1900 году. Он открыл явление квантования энергии, а Нильс Бор нашел ему применение. Однако в дальнейшем оказалось, что описывать модель атома классической механикой понятного нам макромира совершенно неправомерно. Даже время и пространство в условиях квантового мира приобретает совершенно иной смысл. К этому времени попытки физиков-теоретиков дать математическую модель планетарного атома заканчивались многоэтажными и безрезультатными уравнениями. Проблему удалось решить, используя соотношение неопределенности Гейзенберга. Это удивительно скромное математическое выражение связывает неопределенности пространственной координаты Δx и скорости Δv с массой частицы m и постоянной Планка h:.

Отсюда следует принципиальная разница микро- и макромира: координаты и скорости частиц в микромире не определяются в конкретном виде – они имеют вероятностный характер. С другой стороны, принцип Гейзенберга в правой части неравенства содержит вполне конкретное положительное значение, из чего следует, что исключается нулевое значение хотя бы одной из неопределенностей. На практике это значит, что скорость и положение частиц в субатомном мире определяется всегда с погрешностью, и она никогда не бывает нулевой. В точно таком же ракурсе неопределенность Гейзенберга связывает другие пары увязанных характеристик, например, неопределенности энергии ΔЕ и времени Δt :

Суть этого выражения в том, что невозможно одновременно измерить энергию атомной частицы и момент времени, в который она ею обладает, без неопределенности ее значения, поскольку измерение энергии занимает некоторое время, в течение которого энергия случайным образом изменится.

Источник

Новый эксперимент показывает, что принцип неопределенности не так неопределенен, как мы думали

Слово неопределенность часто используется в квантовой механике. Одна мысль состоит в том, что это означает, что в мире есть что-то, в чем мы не уверены. Но большинство физиков считают, что сама природа неопределенна.

Внутренняя неопределенность была центральной в том, как немецкий физик Вернер Гейзенберг, один из создателей современной квантовой механики, представил теорию.

Он выдвинул принцип неопределенности, который показал, что мы никогда не можем знать все свойства частицы одновременно.

Например, измерение положения частицы позволит нам узнать ее положение. Но это измерение обязательно нарушит его скорость на величину, обратно пропорциональную точности измерения положения.

Был ли Гейзенберг неправ?

Гейзенберг использовал Принцип неопределенности, чтобы объяснить, как измерение может разрушить эту классическую особенность квантовой механики, двухщелевую интерференционную картину (подробнее об этом ниже).

Читайте также:  Задержка 2 дня выделения красные

Но еще в 1990-х годах некоторые выдающиеся квантовые физики утверждали, что доказали, что можно определить, через какую из двух щелей проходит частица, без существенного нарушения ее скорости.

Значит ли это, что объяснение Гейзенберга должно быть неверным? В работе, только что опубликованной в Science Advances, мои экспериментальные коллеги и я показали, что было бы неразумно делать такой вывод.

Мы показываем, что нарушение скорости — размера, ожидаемого от принципа неопределенности, — всегда существует в определенном смысле.

Но прежде чем углубляться в детали, нам нужно кратко объяснить двухщелевой эксперимент.

Двухщелевой эксперимент

В этом типе эксперимента есть барьер с двумя отверстиями или щелями. У нас также есть квантовая частица с неопределенностью положения, достаточно большой, чтобы покрыть обе щели, если она выстрелит в барьер.

Поскольку мы не можем знать, через какую щель проходит частица, она действует так, как если бы она проходила через обе щели.

Признаком этого является так называемая «интерференционная картина»: рябь в распределении того места, где частица может быть обнаружена на экране в дальнем поле за щелями, что означает длинный путь (часто несколько метров) за щелями.

Но что, если мы поместим измерительное устройство рядом с барьером, чтобы выяснить, через какую щель проходит частица? Увидим ли мы еще интерференционную картину?

Мы знаем, что ответ отрицательный, и объяснение Гейзенберга состояло в том, что если измерение положения будет достаточно точным, чтобы определить, через какую щель проходит частица, это даст случайное возмущение ее скорости, достаточно большое, чтобы повлиять на то, где она окажется в дальнем поле. и, таким образом, смыть рябь помех.

Выдающиеся квантовые физики поняли, что обнаружение, через какую щель проходит частица, не требует измерения положения как такового. Подойдет любое измерение, которое дает разные результаты в зависимости от того, через какую щель проходит частица.
И они придумали устройство, которое воздействует на частицу не так, как случайный скачок скорости. Следовательно, они утверждали, что не принцип неопределенности Гейзенберга объясняет потерю помех, а какой-то другой механизм.

Как и предсказывал Гейзенберг

Нам не нужно вдаваться в то, что, как они утверждали, было механизмом уничтожения помех, потому что наш эксперимент показал, что влияние на скорость частицы оказывает только предсказанный Гейзенбергом размер.

Мы увидели то, что упустили другие, потому что это нарушение скорости не происходит, когда частица проходит через измерительное устройство. Скорее это задерживается до тех пор, пока частица не пройдет мимо щелей на пути к дальнему полю.

Как это возможно? Ну, потому что квантовые частицы на самом деле не просто частицы. Они тоже волны.
Фактически, теория, лежащая в основе нашего эксперимента, была той, в которой проявляется природа волны и частицы — волна направляет движение частицы в соответствии с интерпретацией, предложенной физиком-теоретиком Дэвидом Бомом, поколением после Гейзенберга.

Давай поэкспериментируем

В нашем последнем эксперименте ученые в Китае следовали методике, предложенной мной в 2007 году, для восстановления гипотетического движения квантовых частиц из множества возможных начальных точек через обе щели и для обоих результатов измерения.

Они сравнивали скорости с течением времени, когда не было измерительного устройства, с теми, когда они были, и таким образом определяли изменение скоростей в результате измерения.

Эксперимент показал, что влияние измерения на скорость частиц продолжалось еще долго после того, как частицы очистили само измерительное устройство, на расстоянии 5 метров от него.

К этому моменту в дальнем поле кумулятивное изменение скорости было в среднем достаточно большим, чтобы вымыть рябь в интерференционной картине.

Итак, в конце концов принцип неопределенности Гейзенберга торжествует.

Взять домой сообщение? Не делайте далеко идущих утверждений о том, что принцип может или не может объяснить явление, пока вы не рассмотрели все теоретические формулировки принципа.

Да, это немного абстрактное сообщение, но это совет, который может применяться в областях, далеких от физики.

Эта статья переиздана из беседы под лицензией Creative Commons. Прочитайте оригинальную статью.

Источник

Принцип неопределенности Гейзенберга. Причина криз

Виктор Гуляев Принцип неопределенности Гейзенберга. Причина кризиса фундаментальной науки.

Поговорим о важном принципе Гейзенберга. Об этом принципе можно прочитать в любой литературе по квантовой механике следующее: «Приведенный выше эксперимент ясно указывает на то, что точное знание координаты электрона означает полное незнание его импульса, и наоборот. Такая ситуация совер­шенно необъяснима с точки зрения классической физики. Немало усилий было приложено физиками для устранения возникшего противоречия с целью сохранения классичес­кого идеала описания движения физических объектов. Наиболее революционно настроенные ученые посчитали, что подобное неклассическое поведение объектов в микро­мире требует критического пересмотра самого понятия «ча­стицы», точно локализованной во времени и пространстве. Можно говорить лишь о вероятности того, где в данный момент времени находится частица, и это является неиз­бежным следствием введения в физическую теорию посто­янной Планка, представлений о квантовых скачках. Фи­зическая интерпретация «неклассического» поведения мик­рообъектов была впервые дана Вернером Гейзенбергом, указавшим на необходимость отказа от представлений об объектах микромира как об объектах, движущихся по стро­го определенным траекториям, для которых однозначно с полной определенностью могут быть одновременно указа­ны и координата и импульс частицы в любой заданный момент времени. Надо принять в качестве закона, описы­вающего движение микрообъектов, тот факт, что знание точной координаты частицы приводит к полной неопреде­ленности ее импульса, и наоборот, точное знание импуль­са частицы — к полной неопределенности ее координаты. Исходя из созданного им математического аппарата кван­товой механики, Гейзенберг установил предельную точность, с которой можно одновременно определить координату и импульс микрочастицы, и получил следующее соотношение неопределенностей этих значений:
дельта Х * дельта Рх >_ h

Читайте также:  День моряка подводника красивые открытки и картинки на праздник

где— неопределенность в значении координаты — дельта Х;— неопределенность в значении импульса — дельта Р. Произве­дение неопределенности в значении координаты и неопре­деленности в значении импульса не меньше, чем величи­на порядка постоянной Планка h.
Чем точнее определена одна величина, скажем, X тем больше становится неопределенность другой величины — импульс частицы Р.
Итак, соотношение неопределенности накладывает оп­ределенные ограничения на возможность описания движе­ния частицы по некоторой траектории; понятие траекто­рии для микрообъектов теряет смысл.
Вся информация о микрообъектах может быть получена с помощью только макроприборов, работающих в опреде­ленных диапазонах, позволяющих довести эту информацию, в конечном итоге, до органов чувств познающих субъектов. Макроприборы подчиняются законам классической физики и должны переводить информацию о явлениях в микроми­ре на язык понятий классической физики. Следовательно, любое явление в микромире не может быть проанализиро­вано как само по себе отдельно взятое, а обязательно долж­но включать в себя взаимодействие с классическим мик­роскопическим прибором. С помощью конкретного макро­скопического прибора мы можем исследовать либо кор­пускулярные свойства микрообъектов, либо волновые, но не и те, и другие одновременно. Обе стороны предмета долж­ны рассматриваться как дополнительные по отношению друг к другу.»

О чем идет речь? На квантовом уровне невозможно одновременно измерить координату и импульс элементарной частицы. Следовательно, делается поспешный вывод, что квантовый уровень — это особый уровень, который в корне отличается от макроуровня, описываемого классической физикой. То есть классическая физика непригодна для описания принципа неопределенности. Но и квантовая механика не дает объяснения физической природы принципа неопределенности. Возникает тупик. А дальше делается фундаментальный вывод, что человечество достигло предела познания, за который невозможно выйти. Опять же «вырисовывается» сингулярность.
Эта тупиковая ситуация является одной из причин кризиса фундаментальной науки.
Как преодолеть кризис?
Мы с Вами, уважаемый читатель, определили, что имеются энергетические уровни. Каждый энергетический уровень имеет свои носители (вихри), которые, в свою очередь, имеют конкретные параметры: массу, скорость, размеры вихря, энергию и так далее. Но каждый уровень имеет свою величину «постоянной Планка». Приведем величины «постоянной Планка» для соседних энергетических уровней:
уровень элементарных частиц
h = 6,62 * 10^ — 34 степени (Дж*сек);
уровень эфира или электрического поля
h эф. = 8,67 * 10^ — 69 степени (Дж*сек);
уровень гравитационного поля
h гр. = 2,05 * 10^ — 121 степени (Дж*сек);
уровень инерционного поля
h ин. = 1,18 * 10^ — 200 степени (Дж*сек).
Примечание: ниже инерционного уровня лежит следующий уровень и так далее до бесконечности.
Какой можно сделать вывод: на уровне элементарных частиц «работает» величина «постоянной Планка», которая была определена в волновой квантовой механике. Эта величина «не работает» на уровне эфира или электрического поля. На втором уровне «работает» другая величина «постоянной Планка», которая имеет меньшее числовое значение, приведенное выше. Аналогично, на гравитационном уровне «работает» своя величина «постоянной Планка». И так далее.
Когда нам с Вами, читатель, стало окончательно понятно, как качественно и количественно различаются энергетические уровни между собой, то принцип неопределенности Гейзенберга решается просто. Автор может дальше не продолжать рассуждения, которые уважаемый читатель сделает сам.
И тем не менее, посмотрим еще раз на формулу неопределенности. В правой части видим величину Планка h, если быть точнее, то правая часть записывается так:
h/4п.
То есть в очередной раз физики приблизились к размеру вихря элементарной частицы и не поняли, какая форма материи скрывается за этой величиной (смотри физический смысл величины постоянной Планка).
Чтобы «перейти» принцип неопределенности и двигаться дальше, необходимо рассматривать энергетический уровень элементарных частиц с соседнего уровня эфира или электрического поля. То есть «просвечивать» атомы или элементарные частицы лучами амеров (носителями электрического поля). Появляется новое направление в науке и новые технологии.
И последнее, когда в будущем ученые «освоят» уровень эфира (электрического поля), то они обязательно «наткнутся» на принцип неопределенности этого энергетического уровня:
дельта Х амера * дельта Рх амера >_ h амера ,
где h амера — Постоянная Планка уровня электрического поля;
который так же следует преодолевать, то есть лучами гравитонов просвечивать вихри амеры, а это уже другая история.

Читайте также:  Варианты сказать спасибо красиво и оригинально в различных жизненных ситуациях

Источник



История науки: неопределенность Гейзенберга

Отец квантовой механики или участник нацистского ядерного проекта? Коллаборационист или патриот? О том, определился ли со своими убеждениями великий физик Вернер Гейзенберг, о его противоречивой жизни и научных достижениях в своей ежедневной рубрике «История науки» рассказывает Indicator.Ru

Отец квантовой механики или участник нацистского ядерного проекта? Коллаборационист или патриот? О том, определился ли со своими убеждениями великий физик Вернер Гейзенберг, о его противоречивой жизни и научных достижениях в своей ежедневной рубрике «История науки» рассказывает Indicator.Ru.

5 декабря 1901 года родился Вернер Гейзенберг. Как верно отметил советский физик Яков Смородинский, изучавший его труды и биографию, слово «неопределенность» как нельзя лучше описывает судьбу Гейзенберга, как светлые, так и сумрачные периоды его жизни.

Интересоваться физикой Вернер начал еще в школе, по большей части самостоятельно («Я очень интересовался теоремой Ферма и, разумеется, как и все остальные, провел некоторое время в попытках доказать ее», как вспоминал он позже). Увлечение точными науками привело его в Мюнхенский университет, куда он поступил в 1920 году. В этот период ему повезло познакомиться со многими известными математиками и физиками: Фердинандом фон Линдеманом, Давидом Гильбертом, Арнольдом Зоммерфельдом, Максом Борном и Нильсом Бором. Защитив диссертацию и получив степень, он работал под руководством Борна и Бора. К этому же времени относятся его работы по квантовой механике и формулировка принципа неопределенности, который принес Гейзенбергу известность. «Если мы хотим себе уяснить, что следует понимать под словом «положение объекта», например электрона (по отношению к заданной системе отсчета), необходимо указать определенные эксперименты, при помощи которых намереваются определить «положение электрона»; в противном случае это слово не имеет смысла», — описывает он этот принцип в статье 1927 года.

В 1932 году Гейзенбергу присуждают Нобелевскую премию по физике «за создание квантовой механики, приложения которой, в числе прочего, привели к открытию аллотропных форм водорода». Однако после этого наступает самый трудный и противоречивый период его жизни. Новая власть быстро начинает давить на столь, казалось бы, далекий от политики мир науки — притесняет целые категории ученых (евреев и других «неарийцев») и некоторые теории (относительности, квантовую механику). Попытки Гейзенберга и некоторых его коллег остаться вне политики не увенчались успехом: при каждом новом вмешательстве властей перед ними вставал выбор, как реагировать, и единственного правильного решения не существовало. Несмотря на притеснения и обвинения, прослушку и допросы, Гейзенберг не принимает приглашения из-за рубежа и, в отличие от многих других ученых, остается в Германии.

По мере подготовки к войне власти старались принудить (или привлечь) ученых к работе над военными проектами, в том числе над созданием ядерного оружия. Трудно сказать, чем руководствовался Гейзенберг: патриотизмом, симпатией отдельным идеям новой власти, стремлением сохранить немецкую науку или планами саботировать работу, но он принял участие в немецкой ядерной программе.

В 1941 году состоялось одно из самых спорных и широко обсуждаемых событий в жизни Гейзенберга — его визит в Копенгаген и встреча с Нильсом Бором. Собеседники по-разному (мягко говоря) описывали содержание разговора. Гейзенберг утверждал, что он пытался сообщить, что не будет работать для успеха немецкой бомбы. Бор доказывал, что коллега пытался склонить его к участию в проекте.

Несмотря на многочисленные исследования, роль Гейзенберга в немецком ядерном проекте и его провале (к концу войны не было создано ни атомного оружия, ни готового к использованию реактора — здесь первенство у американцев) остается источником споров и предположений.

Однако, если «перенести центр тяжести исторических исследований на развитие науки и не возвращать на «доследование» одни и те же дела», то перед нами остается один из великих физиков: один из «отцов» квантовой механики, автор работ по квантовой электродинамике и квантовой теории поля, обладатель множества наград и премий.

После войны Гейзенберг работал над проектами мирного атома и противодействовал распространению и испытаниям ядерного оружия. Много сил приложил к созданию Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN) и продолжению исследований в области теоретической физики.

Источник