Das Heisenbergsche Unsicherheitsprinzip verstehen

Heisenbergs Ungewissheitsprinzip ist einer der Eckpfeiler von Quantenphysik, aber es wird oft nicht tief verstanden von denen, die es nicht sorgfältig studiert haben. Während es, wie der Name schon sagt, ein gewisses Maß an Unsicherheit auf den grundlegendsten Ebenen von definiert Natur selbst, diese Unsicherheit manifestiert sich auf sehr eingeschränkte Weise, so dass sie uns in unserer täglichen Zeit nicht betrifft Leben. Nur sorgfältig konstruierte Experimente können dieses Prinzip bei der Arbeit offenbaren.

Der deutsche Physiker Werner Heisenberg brachte 1927 das heraus, was als das bekannt geworden ist Heisenberg-Unsicherheitsprinzip (oder nur Unschärferelation oder manchmal, Heisenberg-Prinzip). Bei dem Versuch, ein intuitives Modell der Quantenphysik aufzubauen, hatte Heisenberg dies dort aufgedeckt waren bestimmte grundlegende Beziehungen, die einschränkten, wie gut wir bestimmte wissen konnten Mengen. Insbesondere bei der einfachsten Anwendung des Prinzips:

Je genauer Sie die Position eines Partikels kennen, desto weniger genau können Sie gleichzeitig den Impuls desselben Partikels kennen.

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Das Heisenbergsche Unsicherheitsprinzip ist eine sehr genaue mathematische Aussage über die Natur eines Quantensystems. In physikalischer und mathematischer Hinsicht schränkt dies den Grad an Präzision ein, über den wir jemals über ein System sprechen können. Die folgenden zwei Gleichungen (auch in hübscherer Form in der Grafik oben in diesem Artikel dargestellt): Die als Heisenberg-Unsicherheitsbeziehungen bezeichneten Gleichungen beziehen sich am häufigsten auf die Unsicherheit Prinzip:

Gleichung 1: Delta- x * Delta- p ist proportional zu h-Bar
Gleichung 2: Delta- E. * Delta- t ist proportional zu h-Bar

Die Symbole in den obigen Gleichungen haben die folgende Bedeutung:

• h-bar: Wird als "reduzierte Planck-Konstante" bezeichnet und hat den Wert der Planck-Konstante geteilt durch 2 * pi.
• Delta-x: Dies ist die Unsicherheit in der Position eines Objekts (z. B. eines bestimmten Partikels).
• Delta-p: Dies ist die Unsicherheit im Impuls eines Objekts.
• Delta-E.: Dies ist die Energieunsicherheit eines Objekts.
• Delta-t: Dies ist die Unsicherheit bei der Zeitmessung eines Objekts.

Aus diesen Gleichungen können wir einige physikalische Eigenschaften der Messunsicherheit des Systems anhand unserer entsprechenden Genauigkeit bei unserer Messung ableiten. Wenn die Unsicherheit bei einer dieser Messungen sehr gering wird, entspricht dies einer extrem genauen Messung, dann sagen uns diese Beziehungen, dass die entsprechende Unsicherheit zunehmen müsste, um die aufrechtzuerhalten Verhältnismäßigkeit.

Mit anderen Worten, wir können nicht beide Eigenschaften innerhalb jeder Gleichung gleichzeitig mit unbegrenzter Genauigkeit messen. Je genauer wir die Position messen, desto weniger genau können wir gleichzeitig den Impuls messen (und umgekehrt). Je genauer wir die Zeit messen, desto weniger genau können wir gleichzeitig Energie messen (und umgekehrt).

Obwohl das oben Gesagte sehr seltsam erscheinen mag, gibt es tatsächlich eine anständige Entsprechung zu der Art und Weise, wie wir in der realen (dh klassischen) Welt funktionieren können. Nehmen wir an, wir haben ein Rennauto auf einer Strecke beobachtet und sollten aufnehmen, wann es eine Ziellinie überquert hat. Wir sollen nicht nur die Zeit messen, zu der es die Ziellinie überquert, sondern auch die genaue Geschwindigkeit, mit der es dies tut. Wir messen die Geschwindigkeit durch Drücken eines Knopfes auf einer Stoppuhr, sobald wir sehen, dass sie die Ziellinie überquert, und wir messen die Geschwindigkeit durch Betrachten Sie eine digitale Anzeige (die nicht mit dem Beobachten des Autos übereinstimmt, also müssen Sie Ihren Kopf drehen, sobald es das Ziel überquert Linie). In diesem klassischen Fall besteht eindeutig ein gewisses Maß an Unsicherheit, da diese Aktionen einige physische Zeit in Anspruch nehmen. Wir werden sehen, wie das Auto die Ziellinie berührt, den Stoppuhrknopf drückt und auf die Digitalanzeige schaut. Die physikalische Natur des Systems legt eine bestimmte Grenze fest, wie genau dies alles sein kann. Wenn Sie sich darauf konzentrieren, die Geschwindigkeit zu beobachten, kann es sein, dass Sie beim Messen der genauen Zeit über die Ziellinie etwas abweichen und umgekehrt.

Wie bei den meisten Versuchen, klassische Beispiele zur Demonstration des quantenphysikalischen Verhaltens zu verwenden, gibt es solche Fehler in dieser Analogie, aber sie hängt etwas mit der physischen Realität zusammen, die im Quanten wirkt Reich. Die Unsicherheitsbeziehungen ergeben sich aus dem wellenartigen Verhalten von Objekten auf der Quantenskala und der Tatsache, dass es sehr schwierig ist, die physikalische Position einer Welle selbst in der Klassik genau zu messen Fälle.

Es ist sehr häufig, dass das Ungewissheitsprinzip mit dem Phänomen der verwechselt wird Beobachter-Effekt in der Quantenphysik, wie die, die sich während der manifestiert Schrödingers Katze Gedankenexperiment. Dies sind eigentlich zwei völlig unterschiedliche Themen innerhalb der Quantenphysik, obwohl beide unser klassisches Denken belasten. Das Unsicherheitsprinzip ist tatsächlich eine grundlegende Einschränkung für die Fähigkeit, präzise Aussagen zu treffen über das Verhalten eines Quantensystems, unabhängig davon, ob wir tatsächlich beobachten oder nicht. Der Beobachter-Effekt impliziert andererseits, dass sich das System selbst anders verhält, wenn wir eine bestimmte Art von Beobachtung durchführen, als dies ohne diese Beobachtung der Fall wäre.

Aufgrund seiner zentralen Rolle in den Grundlagen der Quantenphysik liefern die meisten Bücher, die sich mit dem Quantenbereich befassen, eine Erklärung des Unsicherheitsprinzips mit unterschiedlichem Erfolg. Hier sind einige der Bücher, die es nach Meinung dieses bescheidenen Autors am besten können. Zwei sind allgemeine Bücher über die Quantenphysik als Ganzes, während die anderen beiden ebenso biografisch wie wissenschaftlich sind und echte Einblicke in Leben und Werk von Werner Heisenberg geben:

• Die erstaunliche Geschichte der Quantenmechanik von James Kakalios
• Das Quantenuniversum von Brian Cox und Jeff Forshaw
• Jenseits der Unsicherheit: Heisenberg, Quantenphysik und die Bombe von David C. Cassidy
• Unsicherheit: Einstein, Heisenberg, Bohr und der Kampf um die Seele der Wissenschaft von David Lindley