Zasada nieoznaczoności
Jeżeli chcemy zbadać jakieś zjawisko lub obiekt musimy dokonać pomiaru.
Zmierzenie temperatury niewielkiej ilości ciepłej wody w szklance za pomocą termometru polega na ustaleniu równowagi termodynamicznej w układzie termometr - woda. Termometr przed pomiarem był prawdopodobnie chłodniejszy (temperatura otoczenia). W trakcie pomiaru jego temperatura nieco wrośnie, a wody nieco zmaleje. Pomiar temperatury wody wprowadza więc pewną niepewność co do uzyskanego wyniku. Zwykle niepewność tę pomija się.
Aby zmierzyć na przykład położenie ciała fizycznego, wystarczy je oświetlić i odnieść do pewnego ustalonego punktu. Ten fakt nie ma istotnego znaczenia dla samego pomiaru.
A jak zbadać na przykład elektron? Jeśli go oświetlić, to zderzenie z fotonami wpłynie przecież istotnie na stan tego elektronu. Co wówczas będziemy wiedzieć o na przykład prędkości tego elektronu albo jego położeniu? W skali mikrocząstek sam pomiar istotnie wpływa na badany układ. Dochodzimy do pewnej granicy. Nie mamy już pewności jakie jest położenie albo prędkość tego elektronu!
Zasadę nieoznaczoności lub inaczej zasadę nieokreśloności, jeden z fundamentów fizyki kwantowej, sformułował w 1927 roku niemiecki fizyk Werner Carl Heisenberg. Zasada ta nosi nazwę nieoznaczoności Heisenberga.
Zasadę tę można wyrazić w następujący sposób:
Do wielkości kanonicznie sprzężonych należą energia E i czas t, pęd p i współrzędne położenia x, y, z, a także moment pędu L i położenie kątowe ϑ.
Wzory
Zasada nieoznaczoności Heisenberga wyrażona za pomocą wzorów i dla różnych wielkości fizycznych kanonicznie sprzężonych:
Iloczyn niepewności pomiaru pędu i pomiaru położenia cząstki jest nie mniejszy niż stała Placka.
Iloczyn niepewności pomiaru energii cząstki i pomiaru czasu jest nie mniejszy niż stała Placka.
Iloczyn niepewności pomiaru momentu pędu i pomiaru położenia kątowego cząstki jest nie mniejszy niż stała Placka.
Konsekwencje
Zasada nieoznaczoności nie wynika z niedoskonałości urządzeń pomiarowych, czy samego pomiaru. Ona wynika z natury rzeczy, z dwoistej natury cząstek.
To granica poznania, której nie da się przekroczyć.
Zasada nieoznaczoności Heisenberga określa w jakim stopniu możemy uzyskać dokładność pomiaru. Im dokładniej chcemy zmierzyć energię cząstki, tym dłużej musi się ona znajdować w danym stanie. Im dokładniej chcemy zmierzyć położenie cząstki, tym mniej wiemy o jej pędzie, a im dokładniej chcemy zmierzyć pęd, tym mniej wiemy o jej położeniu.
Determinizm
Fizyka klasyczna jest deterministyczna. Co to znaczy? Jeżeli znamy położenie początkowe ciała i jego prędkość, to z dowolną dokładnością możemy poznać jego położenie i prędkość w dowolnej chwili przyszłości i przeszłości. W zasadzie wszystko da się przewidzieć do przodu i poznać historię, jeżeli tylko uwzględnimy odpowiednią liczbę parametrów początkowych, mających wpływ na dany układ fizycznych. Od przyczyny do skutku prowadzą nas prawa Newtona jak po sznurku.
Zasada nieoznaczoności wywraca filozofię nauki do góry nogami. Przecież nie możemy z nieskończoną dokładnością poznać położenia, prędkości, energii i czasu. Nie znamy z dowolną dokładnością warunków początkowych układu. Możemy jedynie z pewnym prawdopodobieństwem przewidywać stan układu w innym czasie. Fizyka kwantowa jest niedeterministyczna. Nie możemy być pewni historii cząstki i układu cząstek (z których się przecież składają wszystkie ciała fizyczne) do przodu i wstecz.
Pytania
Dlaczego w codziennej praktyce nie uwzględniamy zasady nieoznaczoności w pomiarach fizycznych?
Zasada nieoznaczoności wprowadza granicę poznania, ale pamiętajmy, że stała Plancka jest bardzo małą liczbą. Jeżeli mierzymy na przykład pozycję poruszającego się ciała z dokładnością do na przykład milimetra, to ta niepewność jest i tak aż kilkadziesiąt rzędów większa od niepewności wynikającej z zasady nieoznaczoności. Ta niepewność milimetra jest niewyobrażalnie większą niepewnością, niż niepewność wynikająca z zasady nieoznaczoności. Zasada nieoznaczoności ma znaczenie w skali mikroświata.
Czy istnieje praktyczne zastosowanie zasady nieoznaczoności Heisenberga?
Tak. Przykładem takiego zjawiska jest efekt tunelowy, który jest wykorzystywany na przykład w skaningowym mikroskopie tunelowym.
Inne zagadnienia z tej lekcji
Fizyka klasyczna a kwantowa
Mechanika kwantowa zajmuje się ruchem mikrocząstek i stanowi podstawę dla fizyki cząstek elementarnych, atomu, fizyki jądrowej, fizyki ciała stałego, chemii, astrofizyki. Mechanika zrywa z determinizmem, tak powszechnym w mechanice klasycznej.
Efekt fotoelektryczny
Efekt fotoelektryczny lub zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne, fotoemisja elektronowa jest to zjawisko emisji elektronów z powierzchni metali pod wpływem światła (fali elektromagnetycznej) o odpowiedniej częstotliwości.
Efekt Comptona
Efekt Comptona, zjawisko Comptona jest to zjawisko rozpraszania kwantów promieniowania γ (gamma) oraz kwantów promieniowania rentgenowskiego na elektronach swobodnych lub słabo związanych.
Dualizm korpuskularno-falowy
Światło i w ogóle fala elektromagnetyczna wykazuje dwoistość natury, czyli dualizm. Czasem zachowuje się jak cząstki materii, a znów innym razem jak fala.
Foton
Foton to kwant promieniowania elektromagnetycznego, w tym światła widzialnego. To pewna porcja światła. Foton jest cząstką elementarną, poruszającą się z prędkością światła o masie spoczynkowej równej zeru.
Fale de Broglie'a
W 1924 roku Luis de Broglie wysunął hipotezę, że dualizm korpuskularno-falowy dotyczy także cząstek materialnych. Czy zatem fale materii istnieją? Uczony założył, że nie ma powodu, dla którego wzór na pęd fotonów nie można by było zastosować dla cząstek materialnych - o ile uda się doświadczalnie potwierdzić falistą strukturę materii.
© medianauka.pl, 2020-04-30, A-3765