Comprensione del principio di incertezza di Heisenberg

Il principio di incertezza di Heisenberg è uno dei cardini di fisica quantistica, ma spesso non è compreso a fondo da coloro che non lo hanno studiato attentamente. Mentre, come suggerisce il nome, definisce un certo livello di incertezza ai livelli più fondamentali di la natura stessa, quell'incertezza si manifesta in modo molto limitato, quindi non ci riguarda nel nostro quotidiano vite. Solo esperimenti attentamente costruiti possono rivelare questo principio al lavoro.

Nel 1927, il fisico tedesco Werner Heisenberg pubblicò quello che è diventato noto come Principio di incertezza di Heisenberg (o solo principio di incertezza o, a volte, Principio di Heisenberg). Mentre tentava di costruire un modello intuitivo di fisica quantistica, Heisenberg l'aveva scoperto lì erano alcune relazioni fondamentali che ponevano delle limitazioni su quanto potessimo conoscerne alcune le quantità. In particolare, nell'applicazione più semplice del principio:

Più precisamente conosci la posizione di una particella, meno precisamente puoi simultaneamente conoscere lo slancio di quella stessa particella.

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Il principio di incertezza di Heisenberg è un'affermazione matematica molto precisa sulla natura di un sistema quantistico. In termini fisici e matematici, limita il grado di precisione di cui possiamo mai parlare di avere un sistema. Le seguenti due equazioni (mostrate anche, in forma più bella, nella grafica nella parte superiore di questo articolo), chiamate relazioni di incertezza di Heisenberg, sono le equazioni più comuni legate all'incertezza principio:

Equazione 1: delta- X * delta- p è proporzionale a h-bar
Equazione 2: delta- E * delta- t è proporzionale a h-bar

I simboli nelle equazioni precedenti hanno il seguente significato:

• h-bar: chiamata "costante di Planck ridotta", ha il valore della costante di Planck divisa per 2 * pi.
• delta-X: Questa è l'incertezza nella posizione di un oggetto (diciamo di una data particella).
• delta-p: Questa è l'incertezza nel momento di un oggetto.
• delta-E: Questa è l'incertezza nell'energia di un oggetto.
• delta-t: Questa è l'incertezza nella misurazione del tempo di un oggetto.

Da queste equazioni, possiamo dire alcune proprietà fisiche dell'incertezza di misura del sistema in base al nostro corrispondente livello di precisione con la nostra misura. Se l'incertezza in una di queste misurazioni diventa molto piccola, il che corrisponde ad avere un'estrema precisione misurazione, quindi queste relazioni ci dicono che l'incertezza corrispondente dovrebbe aumentare, per mantenere il proporzionalità.

In altre parole, non possiamo misurare simultaneamente entrambe le proprietà all'interno di ciascuna equazione a un livello illimitato di precisione. Più precisamente misuriamo la posizione, meno precisamente siamo in grado di misurare simultaneamente lo slancio (e viceversa). Più precisamente misuriamo il tempo, meno precisamente siamo in grado di misurare simultaneamente l'energia (e viceversa).

Sebbene quanto sopra possa sembrare molto strano, in realtà esiste una discreta corrispondenza con il modo in cui possiamo funzionare nel mondo reale (cioè classico). Diciamo che stavamo guardando una macchina da corsa su una pista e dovevamo registrare quando ha tagliato il traguardo. Dovremmo misurare non solo il tempo in cui attraversa il traguardo, ma anche la velocità esatta con cui lo fa. Misuriamo la velocità premendo un pulsante su un cronometro nel momento in cui lo vediamo attraversare il traguardo e misuriamo la velocità di guardando una lettura digitale (che non è in linea con la visione dell'auto, quindi devi girare la testa una volta che attraversa il traguardo linea). In questo caso classico, c'è chiaramente un certo grado di incertezza su questo, perché queste azioni richiedono del tempo fisico. Vedremo la macchina toccare il traguardo, premere il pulsante del cronometro e guardare il display digitale. La natura fisica del sistema impone un limite definito su quanto tutto ciò possa essere preciso. Se ti stai concentrando sul tentativo di guardare la velocità, potresti essere un po 'fuori strada quando misuri il tempo esatto attraverso il traguardo e viceversa.

Come con la maggior parte dei tentativi di utilizzare esempi classici per dimostrare il comportamento fisico quantistico, ci sono difetti di questa analogia, ma è in qualche modo correlato alla realtà fisica al lavoro nel quanto regno. Le relazioni di incertezza derivano dal comportamento ondulatorio degli oggetti su scala quantistica e fatto che è molto difficile misurare con precisione la posizione fisica di un'onda, anche nella classica casi.

È molto comune che il principio di incertezza si confonda con il fenomeno del effetto osservatore nella fisica quantistica, come quella che si manifesta durante il Il gatto di Schroedinger esperimento mentale. Si tratta in realtà di due questioni completamente diverse all'interno della fisica quantistica, sebbene entrambe tassino il nostro pensiero classico. Il principio di incertezza è in realtà un vincolo fondamentale per la capacità di fare affermazioni precise sul comportamento di un sistema quantistico, indipendentemente dal nostro atto effettivo di fare l'osservazione o meno. L'effetto osservatore, d'altra parte, implica che se facciamo un certo tipo di osservazione, il sistema stesso si comporterà in modo diverso da come farebbe senza quell'osservazione in atto.

A causa del suo ruolo centrale nelle basi della fisica quantistica, la maggior parte dei libri che esplorano il regno quantico fornirà una spiegazione del principio di incertezza, con vari livelli di successo. Ecco alcuni dei libri che lo fanno meglio, secondo l'umile opinione dell'autore. Due sono libri di carattere generale sulla fisica quantistica nel suo insieme, mentre gli altri due sono tanto biografici quanto scientifici, fornendo spunti reali sulla vita e sul lavoro di Werner Heisenberg:

• La straordinaria storia della meccanica quantistica di James Kakalios
• L'universo quantico di Brian Cox e Jeff Forshaw
• Oltre l'incertezza: Heisenberg, la fisica quantistica e la bomba di David C. Cassidy
• Incertezza: Einstein, Heisenberg, Bohr e la lotta per l'anima della scienza di David Lindley