![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
asthfghl...Или защо Слънцето грее, а вакуумът всъщност не е празен.
Принципът на неопределеността, или още Съотношение на неопределеността, е най-известната (и вероятно най-недоразбрана) идея във физиката. Той гласи, че на фундаментално ниво природата е "мъглява" и несигурна, тъй като има ограничения на това какво и доколко можем да знаем за поведението на квантовия свят (т.е. на най-микроскопично ниво). При тези мащаби единственото, на което можем да се надяваме, е да изчислим вероятността за местоположението на частиците и на тяхното поведение. За разлика от предвидимата като часовников механизъм Вселена на Нютон, където всичко следва ясно определени правила и прогнозирането е лесно при положение, че сме наясно с началните условия, Принципът на несигурността придава известна степен на мъглявост в квантовата физика.
Идеята на Вернер Хайзенберг е доста проста и успешно обяснява защо атомите не се смачкват, защо Слънцето постоянно грее и, което е най-странното, защо вакуумът всъщност не е празно пространство.
Една ранна версия на принципа се появява през 1927 г. в една разработка на Хайзенберг - немски физик, който по онова време работи в института на Нилс Бор в Копенхаген. Озаглавена е "За възприеманото съдържание на квантовата теоретична кинематика и механика". По-известната форма на уравнението му се появява няколко години по-късно в една подобрена версия, която той доразвива в поредица от лекции и трудове.
Хайзенберг работи възоснова на изводите от откритията на квантовата теория - един чудат и новаторски за времето си начин за обяснение на поведението на атомите, разработен от физици като Нилс Бор, Пол Дирак и Ервин Шрьодингер, в продължение на предходното десетилетие. Сред множеството противоречащи на всякаква интуиция идеи на квантовата теория е хипотезата, че енергията не нараства в плавен постоянен поток, а вместо това се състои от миниатюрни "пакетчета" с определен размер, наречени кванти. И че светлината може да се разглежда едновременно като вълна и като поток от тези кванти.
При извеждането на своя радикален подход, Хайзенберг се натъква на един проблем в начина, по който основните физични свойства на една частица в квантовия свят могат да бъдат измервани. В едно от редовните си писма до своя колега Волфганг Паули, той представя наченките на една идея, която в днешни дни се е превърнала в основен елемент от квантовото описание на света, а оттам е повлияла и върху почти всички съвременни технологии.
Принципът на несигурността гласи, че не можем да измерим едновременно и с абсолютна точност местоположението (x) и момента (p) на една частица. Колкото по-точно знаем едната от тези две величини, толкова по-малко информация ще имаме за другата. Като се насложат грешките в изчисляването на тези стойности (представени чрез символа делта в уравнението), се получава число, което винаги е по-голямо или равно на половината от една определена константа, наречена Константата на Планк (h), разделена на 2 пъти пи. Тази константа е много важно число в квантовата теория, тъй като тя дава представа за "зърнестата" структура на света в най-микроскопичен мащаб. Стойността й е 6.626 х 10^-34 джаула / сек.
Един начин да се тълкува този Принцип на несигурността е като продължение на това как виждаме и измерваме нещата от ежедневния живот. Например в момента читателят е в състояние да чете тези редове, тъй като поток от фотони (частиците на светлината) се отразяват от повърхността на компютърния екран и достигат до очите ни, носейки информация за свойствата на тази повърхност (със скоростта на светлината). По подобен начин можем да изпратим фотон към един атом и след като той се отрази и се върне към измервателния ни инструмент, да получим информация за поведението на електроните в него. Само че в този случай има голяма вероятност фотонът да внесе определен допълнителен момент в електрона при тяхното съприкосновение и така да промени посоката му на движение, като това ще повлияе на крайния резултат.
От друга страна, тъй като елементарните частици се движат с огромна скорост, електронът може вече да не е на същото място, където е бил в момента, когато фотонът първоначално е взаимодействал с него. Във всеки случай, наблюдението на местоположението или момента на въпросния електрон няма да е прецизно, или което е по-важното - самият акт на наблюдение ще е повлиял на поведението му.
Принципът на несигурността е в основата на много явления, които наблюдаваме, но не можем да обясним със средствата на класическата (не-квантова) физика. Например атомите, в които отрицателно заредени електрони кръжат около положително заредено ядро. Ако следваме класическата логика, би следвало да очакваме, че противоположните им електрически заряди ще ги привлекат едни към други и целият атом бързо ще се смачка в кълбо от елементарни частици. Само че Принципът на несигурността обяснява защо не се получава така: ако електронът се доближи прекалено до ядрото, неговото местоположение в пространството вече ще е известно с голяма степен на сигурност, следователно грешката (несигурността) при измерването на позицията му ще е минимална. Това пък означава, че грешката при измерването на момента му (и оттам - скоростта и траекторията му на движение) ще клони към безкрайност. В такъв случай електронът би могъл да се движи достатъчно бързо, за да излети извън атома.
Идеята на Хайзенберг също така дава обяснение на един вид ядрена радиация, наречен алфа-разпад. Алфа-частиците представляват комбинация от два протона и два неутрона и се излъчват от някои особено тежки ядра като например това на уран-238. Обикновено тези частици са свързани в тежки ядра и им е е нужно огромно количество енергия, за да преодолеят силните връзки, които ги крепят заедно. Но тъй като алфа-частиците в ядрото имат скорост с висока степен на определеност, съответно има някаква вероятност (малка, но не и нула) някоя от тях в един момент да се окаже извън ядрото, макар и технически да не разполагат с достатъчно енергия, за да избягат от него. Когато това се случи (един процес, метафорично обозначен като "квантово тунелиране" поради това, че частицата по някакъв начин успява да си намери "проход" през уж непреодолима за нея енергийна бариера), алфа-частицата наистина напуска атома и в резултат наблюдаваме радиоактивен разпад.
Подобно квантово "промушване", но с обратен знак, се случва и в ядрото на Слънцето, където при екстремните условия протоните се сливат в нови, по-тежки атоми, като освобождават енергия, която позволява на нашата звезда да грее. Температурите в сърцевината на Слънцето не са достатъчно високи, че да дадат достатъчно енергия на протоните да преодолеят взаимното си електрическо отблъскване (поради еднаквия заряд). Но благодарение на Принципа на неопределеността, част от тях могат да си намерят "тунел" през тази енергийна бариера и да се слеят.
Вероятно най-странният измежду всички ефекти от Принципа на неопределеността е свойството на вакуума. Обикновено гледаме на вакуума като на пространство, в което няма нищо. Но не е така в квантовата физика. Има определена степен на неопределеност на количеството енергия, участваща в квантовите процеси, както и във времето, което им отнема да протекат. В случая вместо местоположение и момент, уравнението на Хайзенберг може да се разглежда и като съотношение между енергия/материя от една страна и време от друга. По сходен начин, колкото по-ограничена е неопределеността за едната величина, толкова по-"освободена" е другата.
Следователно е възможно в рамките на изключително къси периоди от време енергията на квантовите системи да бъде неопределена дотам, че двойки частици могат да се появяват от нищото и после моментално да изчезват обратно в него. Тези така наречени "виртуални частици" се появяват на двойки - електрон, заедно с неговия еквивалент от антиматерия (позитрон). Те съществуват много кратко време, докато отново не се унищожат взаимно, съответно с най-близо разположения позитрон и електрон. Това е напълно позволено от законите на квантовата физика - при условие, че не се задържат твърде дълго и изчезнат, когато им изтече времето. При унищожението си те освобождават определено количество енергия и така вакуумът всъщност е запълнен с "фон" от енергия (вакуумна енергия), от чийто потенциал непрестанно се "пръкват" такива двойки.
Разбира се, квантовата неопределеност не е нещо, което трябва да ни притеснява. Поне не и на нашето макроскопично ниво. Всъщност ако не беше тя, нас нямаше да ни има.
Една ранна версия на принципа се появява през 1927 г. в една разработка на Хайзенберг - немски физик, който по онова време работи в института на Нилс Бор в Копенхаген. Озаглавена е "За възприеманото съдържание на квантовата теоретична кинематика и механика". По-известната форма на уравнението му се появява няколко години по-късно в една подобрена версия, която той доразвива в поредица от лекции и трудове.
Хайзенберг работи възоснова на изводите от откритията на квантовата теория - един чудат и новаторски за времето си начин за обяснение на поведението на атомите, разработен от физици като Нилс Бор, Пол Дирак и Ервин Шрьодингер, в продължение на предходното десетилетие. Сред множеството противоречащи на всякаква интуиция идеи на квантовата теория е хипотезата, че енергията не нараства в плавен постоянен поток, а вместо това се състои от миниатюрни "пакетчета" с определен размер, наречени кванти. И че светлината може да се разглежда едновременно като вълна и като поток от тези кванти.
При извеждането на своя радикален подход, Хайзенберг се натъква на един проблем в начина, по който основните физични свойства на една частица в квантовия свят могат да бъдат измервани. В едно от редовните си писма до своя колега Волфганг Паули, той представя наченките на една идея, която в днешни дни се е превърнала в основен елемент от квантовото описание на света, а оттам е повлияла и върху почти всички съвременни технологии.
Принципът на несигурността гласи, че не можем да измерим едновременно и с абсолютна точност местоположението (x) и момента (p) на една частица. Колкото по-точно знаем едната от тези две величини, толкова по-малко информация ще имаме за другата. Като се насложат грешките в изчисляването на тези стойности (представени чрез символа делта в уравнението), се получава число, което винаги е по-голямо или равно на половината от една определена константа, наречена Константата на Планк (h), разделена на 2 пъти пи. Тази константа е много важно число в квантовата теория, тъй като тя дава представа за "зърнестата" структура на света в най-микроскопичен мащаб. Стойността й е 6.626 х 10^-34 джаула / сек.
Един начин да се тълкува този Принцип на несигурността е като продължение на това как виждаме и измерваме нещата от ежедневния живот. Например в момента читателят е в състояние да чете тези редове, тъй като поток от фотони (частиците на светлината) се отразяват от повърхността на компютърния екран и достигат до очите ни, носейки информация за свойствата на тази повърхност (със скоростта на светлината). По подобен начин можем да изпратим фотон към един атом и след като той се отрази и се върне към измервателния ни инструмент, да получим информация за поведението на електроните в него. Само че в този случай има голяма вероятност фотонът да внесе определен допълнителен момент в електрона при тяхното съприкосновение и така да промени посоката му на движение, като това ще повлияе на крайния резултат.
От друга страна, тъй като елементарните частици се движат с огромна скорост, електронът може вече да не е на същото място, където е бил в момента, когато фотонът първоначално е взаимодействал с него. Във всеки случай, наблюдението на местоположението или момента на въпросния електрон няма да е прецизно, или което е по-важното - самият акт на наблюдение ще е повлиял на поведението му.
Принципът на несигурността е в основата на много явления, които наблюдаваме, но не можем да обясним със средствата на класическата (не-квантова) физика. Например атомите, в които отрицателно заредени електрони кръжат около положително заредено ядро. Ако следваме класическата логика, би следвало да очакваме, че противоположните им електрически заряди ще ги привлекат едни към други и целият атом бързо ще се смачка в кълбо от елементарни частици. Само че Принципът на несигурността обяснява защо не се получава така: ако електронът се доближи прекалено до ядрото, неговото местоположение в пространството вече ще е известно с голяма степен на сигурност, следователно грешката (несигурността) при измерването на позицията му ще е минимална. Това пък означава, че грешката при измерването на момента му (и оттам - скоростта и траекторията му на движение) ще клони към безкрайност. В такъв случай електронът би могъл да се движи достатъчно бързо, за да излети извън атома.
Идеята на Хайзенберг също така дава обяснение на един вид ядрена радиация, наречен алфа-разпад. Алфа-частиците представляват комбинация от два протона и два неутрона и се излъчват от някои особено тежки ядра като например това на уран-238. Обикновено тези частици са свързани в тежки ядра и им е е нужно огромно количество енергия, за да преодолеят силните връзки, които ги крепят заедно. Но тъй като алфа-частиците в ядрото имат скорост с висока степен на определеност, съответно има някаква вероятност (малка, но не и нула) някоя от тях в един момент да се окаже извън ядрото, макар и технически да не разполагат с достатъчно енергия, за да избягат от него. Когато това се случи (един процес, метафорично обозначен като "квантово тунелиране" поради това, че частицата по някакъв начин успява да си намери "проход" през уж непреодолима за нея енергийна бариера), алфа-частицата наистина напуска атома и в резултат наблюдаваме радиоактивен разпад.
Подобно квантово "промушване", но с обратен знак, се случва и в ядрото на Слънцето, където при екстремните условия протоните се сливат в нови, по-тежки атоми, като освобождават енергия, която позволява на нашата звезда да грее. Температурите в сърцевината на Слънцето не са достатъчно високи, че да дадат достатъчно енергия на протоните да преодолеят взаимното си електрическо отблъскване (поради еднаквия заряд). Но благодарение на Принципа на неопределеността, част от тях могат да си намерят "тунел" през тази енергийна бариера и да се слеят.
Вероятно най-странният измежду всички ефекти от Принципа на неопределеността е свойството на вакуума. Обикновено гледаме на вакуума като на пространство, в което няма нищо. Но не е така в квантовата физика. Има определена степен на неопределеност на количеството енергия, участваща в квантовите процеси, както и във времето, което им отнема да протекат. В случая вместо местоположение и момент, уравнението на Хайзенберг може да се разглежда и като съотношение между енергия/материя от една страна и време от друга. По сходен начин, колкото по-ограничена е неопределеността за едната величина, толкова по-"освободена" е другата.
Следователно е възможно в рамките на изключително къси периоди от време енергията на квантовите системи да бъде неопределена дотам, че двойки частици могат да се появяват от нищото и после моментално да изчезват обратно в него. Тези така наречени "виртуални частици" се появяват на двойки - електрон, заедно с неговия еквивалент от антиматерия (позитрон). Те съществуват много кратко време, докато отново не се унищожат взаимно, съответно с най-близо разположения позитрон и електрон. Това е напълно позволено от законите на квантовата физика - при условие, че не се задържат твърде дълго и изчезнат, когато им изтече времето. При унищожението си те освобождават определено количество енергия и така вакуумът всъщност е запълнен с "фон" от енергия (вакуумна енергия), от чийто потенциал непрестанно се "пръкват" такива двойки.
Разбира се, квантовата неопределеност не е нещо, което трябва да ни притеснява. Поне не и на нашето макроскопично ниво. Всъщност ако не беше тя, нас нямаше да ни има.
