Принцип неопределенности Гейзенберга - это идея из квантовой физики, которая гласит, что вы никогда нельзя одновременно знать точное положение и точный импульс объекта. Он провозглашает, что чем более мы уверены в положении объекта, тем менее уверены мы в его импульсе, и наоборот.

Этот принцип возник из осознания квантовой механикой того, что все во Вселенной ведет себя как частица и волна - одновременно! По определению, частицы существуют в одной точке пространства в любой момент времени и представляют собой форму, в которой мы воспринимаем объекты в нашем мире размером с человека. Это понятие можно понять с помощью графика, показывающего вероятность наблюдения частицы в определенном месте.

Этот график выглядит как пик, поскольку согласно определению частицы существует 100% -ная вероятность того, что объект существует в одной позиции, и, следовательно, 0% -ная вероятность того, что он существует в любом другом возможном месте.

С другой стороны, волны - это возмущения, распространяющиеся по всему пространству, как рябь в бассейне. Волны одновременно существуют в нескольких местах в любой момент времени. Возможность наблюдать волну в определенном месте можно увидеть на диаграмме волновой функции.

Мы не можем присвоить волне одно положение, мы можем только приблизить ее, поскольку с большой вероятностью она будет находиться в разных местах. Хотя мы можем идентифицировать особенности волны в целом, такие как расстояние между двумя соседними пиками, известное как длина волны.

В квантовой физике длина волны объекта равна его импульсу (масса x скорость).

Быстро движущийся объект имеет большой импульс из-за его высокой скорости, которая соответствует короткой длине волны. Тяжелый объект имеет большой импульс, даже если он не движется очень быстро из-за своей большой массы, и, следовательно, также имеет короткую длину волны. Если вы бросили мяч, увеличив его скорость, его длина волны все равно будет невероятно малой долей метра: слишком мала, чтобы мы могли ее обнаружить.

Вот почему мы не воспринимаем волновую природу повседневных предметов и вместо этого воспринимаем их как частицы, имеющие фиксированное положение в пространстве-времени.

И наоборот, крошечные объекты, такие как атомы или субатомные объекты, могут иметь длину волны, достаточную для измерения в научных экспериментах с использованием сложных устройств. Итак, если у нас есть чистая волна, мы можем измерить ее длину волны, таким образом, вывести ее импульс, но она не будет иметь единственного положения. Если у нас есть чистая частица, мы можем точно знать ее положение, но у нее нет длины волны и, следовательно, импульса.

Чтобы узнать импульс и положение объектов одновременно (например, как мы воспринимаем объекты в мире размером с человека), нам нужно смешать понятие частицы и волны, чтобы получить волну, которую мы можем заключить в определенный диапазон положений. в космосе, в любой момент времени. Известен как волновой пакет.

Волновой пакет можно получить, комбинируя волны с разными длинами волн, что дает объекту некоторую вероятность иметь разные импульсы.

Когда мы объединяем две волны, мы обнаруживаем, что есть места, где пики совпадают: образуя большую волну, и места, где пики одной волны заполняют впадины другой: создают более сглаженную волну. Чем больше мы добавляем волн, тем более отчетливыми становятся пики и плоские участки. В результате получаются узкие области волн, разделенные широкими областями пустоты. Если мы добавим достаточно волн, мы можем создать волновой пакет, который представляет собой форму волновой функции, заключенную в область пространства. Это определяется как квантовый объект, поскольку он имеет как волновую, так и частичную природу, поскольку имеет длину волны и положение. Это физическая структура всех атомных и субатомных объектов во Вселенной.

Вот предостережение: при конструировании этого квантового объекта нам пришлось потерять уверенность как в положении, так и в импульсе объекта. Положение не ограничено одной точкой: есть большая вероятность найти ее в некотором диапазоне от центра волнового пакета. А поскольку волновой пакет был построен путем объединения разных волн, существует некоторая вероятность того, что импульс объекта соответствует любой из составляющих волн.

Положение и импульс квантовых объектов теперь неопределенны, и неопределенности связаны.

Вот компромисс: если мы хотим уменьшить неопределенность положения за счет создания меньшего волнового пакета, нам нужно добавить больше волн, что, в свою очередь, увеличивает неопределенность импульса, поскольку теперь существует больше составляющих волн, чем импульс квантовых объектов мог бы соответствовать. И наоборот, если мы хотим уменьшить неопределенность импульса, нам нужно использовать более крупный волновой пакет, который, в свою очередь, увеличивает неопределенность положения, поскольку теперь существует большее пространство для размещения объекта.

В этом суть принципа неопределенности Гейзенберга.

Физическая причина этой неопределенности заключается в том, что для успешного проведения измерения нам необходимо использовать какую-то энергию. Например, популярный способ измерить объект - направить на него свет - именно так наши глаза воспринимают мир! Свет состоит из дискретных единиц энергии, известных как фотоны. Сиять светом электрон означает заглушить его фотонами, что оказывает большое влияние на электрон.

Эта неопределенность не является следствием способа измерения, а является неизбежным результатом сочетания частиц и волновой природы объектов. Это означает, что эту неопределенность нельзя уменьшить путем улучшения наших измерительных устройств; это неотъемлемая часть законов квантовой физики.

Таким образом, он представляет собой верхний предел точности любого измерения, которое мы проводим на квантовом уровне, известный как предел Гейзенберга.

Развитие квантовой механики было во многом вдохновлено знаменитым экспериментом с двойной щелью Томаса Янга в 1801 году, который проиллюстрировал волновую природу света, который в то время считался состоящим из либо волн, либо частиц. Примерно 100 лет спустя, во время появления современной физики, был реализован корпускулярно-волновой дуализм света, и эксперимент двойного расщепления был расширен для эмпирической проверки этого. В 1927 году Дэвиссион и Гермер показали такое же поведение электронов, которое позже было распространено на атомы и молекулы в 2013 году.

Такое поведенческое понимание объектов на квантовом уровне вдохновило множество сбивающих с толку философских теорий об истинной природе реальности, таких как сознание вызывает коллапс и многомировую интерпретацию квантовой механики.

Одна занимательная философская интерпретация этих открытий заключается в том, что они подтверждают существование свободы воли. Если бы мы могли точно измерить как положение, так и импульс каждого субатомного элемента, мы могли бы затем измерить положение и импульс каждого элемента в вашем теле и впоследствии предсказать их будущие положения и импульсы. Если бы это было возможно, мы могли бы точно предсказать, что вы будете делать в будущем, и мир будет казаться детерминированным, исключая возможность свободы воли. Принцип неопределенности - это одно физическое понимание того, почему свобода воли является осуществимой концепцией. Поскольку мы не можем точно предсказать положение и импульс субатомных частиц, а эти частицы являются строительными блоками каждого объекта в нашей Вселенной, мы не можем предсказать будущее макроскопических объектов (например, животных) с бесконечной точностью. Возможно, достаточное количество данных и вычислительная мощность позволят нам предсказывать будущее макроскопических объектов с почти идеальной точностью, но никогда со 100% точностью.

Хотя эта вера в свободную волю противоречит позиции многих известных интеллектуалов и сторонников теории симуляции, основанной на детерминированной вселенной. Честно говоря, я еще не определился с этим вопросом и хотел бы услышать ваши мысли!

Так почему же кажется, что объекты в нашем мире размером с человека ведут себя классически, а не квантово-механически?

Я попытаюсь ответить на этот вопрос в будущей статье, исследуя идею о том, почему принцип неопределенности применим к объектам всех масштабов, но имеет значение только на атомарном или субатомном уровне.

Если вам интересно, не стесняйтесь исследовать мои другие письма, свяжитесь со мной и подпишитесь на мой список рассылки, чтобы получать уведомления, когда я публикую!