Многие в жизни слышали словосочетание "принцип неопределенности" или даже "принцип неопределенности Гейзенберга", однако далеко не все знают, что это такое, и с чем его едят. Прежде чем читать дальше, предположите в комментариях, что же это может быть. А теперь давайте разберемся с этим воистину удивительным явлением, доказывающим, что люди могут точно судить о том, чего увидеть не в силу. Маленький спойлер: это фундаментальный принцип квантовой механики, но пугаться не стоит, ведь все все объясняется своими словами. Поехали!
Немного о малых частицах
Чтобы логически вывести принцип неопределенности, давайте для начала поговорим о ничтожно малых частицах. Многим на ум придут молекулы и атомы (то, из чего состоят молекулы). Но нам нужны еще меньшие частицы, например, фотоны или электроны. Давайте сначала о фотонах.
Представим себе, как солнечный свет попадает на Землю. Он достигает ее в виде излучения, состоящего из волн. В 1900 г. ученый Макс Планк принял гипотезу, в которой говорилось, что все волны не могут испускаться как попало, с произвольной интенсивностью, а должны испускаться определенными "порциями". Он назвал их квантами. Фотон же представляет из себя квант света - "порцию", которыми излучается свет, например, Солнцем. Но давайте подумаем - если свет испускается в виде излучения, т. е. ведет себя как волна, но достигает Земли "порциями", что характерно для частиц, то можно сказать, что свет представляет собой и волну, и частицу одновременно? На самом деле, да. Это явление носит название частично-волнового дуализма и проявляется в том, что иногда частицы удобнее считать волнами, а иногда волны - частицами. Теперь поговорим об электронах.
Электрон - это частица с нулевой (на самом деле нет, просо так считается, но об этом в другой раз) массой и единичным отрицательным зарядом. Из него в том числе состоят атомы. В ядре атома находятся протоны - частицы с единичной массой и единичным положительным зарядом, и нейтроны - частицы с единичной массой и нулевым зарядом, а электроны "вращаются" вокруг ядра. Попробуем визуализировать, используя самое типичное для sci-fi фильмов изображение атомов:
Электрон с очень высокой скоростью "вращается" (опять же, это не совсем так) вокруг атомного ядра. На самом деле, он "размывается" вокруг атомного ядра, создавая так называемое электронное облако. Это можно представить как атмосферу Земли - сама Земля является ядром атома, а окружение вокруг нее - атмосфера - электронным облаком. Так происходит из-за того, что электрон, как и фотон, обладает частично-волновым дуализмом и ведет себя и как волна, и как частица.
Теперь мы знаем о частично-волновом дуализме, а принцип неопределенности является его следствием. Давайте выведем его.
Что такое принцип неопределенности Гейзенберга?
Представим себе снова электрон, размытый по атому. Теперь представим, что нам нужно определить его скорость и положение. Очевидно, что для этого нужно внести электрон на свет, и часть световых волн о него рассеется. Но ведь свет испускается квантами, а кванты подразумевают определенное расстояние между соседними волнами света - интенсивность. Отсюда возникает погрешность - точность измерений будет сопоставима с расстоянием между волнами света. Для предотвращения этого нужно использовать коротковолновый свет (расстояние между волнами будет меньше, но энергия кванта в таком случае будет больше). Этот квант света, рассеивающийся о частицу, передаст ей часть своей "лишней" энергии, став нормальным, а переданная энергия непредсказуемо изменит ее скорость. С другой стороны, раз электрон "расплывается" (ведет себя как волна) по пространству, то зная его точную скорость, его положение будет меняться в каждый миг времени, и чем точнее мы знаем скорость, тем за меньшее время будет меняться положение. Говоря проще, чем точнее мы будем измерять скорость, тем менее точно мы определим положение частицы, и наоборот. Именно это и является фундаментальным явлением в квантовой физике - принципом неопределенности Гейзенберга. Кстати говоря, да, этот принцип был сформулирован немецким ученым Вернером Гейзенбергом в 1926 г. (попробуйте найти отсылку к известному сериалу и поделитесь ей в комментариях). В математическом виде принцип неопределенности выглядит следующим образом:
- Δx - неопределенность в положении частицы;
- Δp - неопределенность в импульсе частицы;
- ℏ - физическая константа, называемая постоянной Планка.
Если Вам понравилась статья, подписывайтесь на канал и ставьте лайки! Делитесь статьей с друзьями, чтобы больше людей знало о принципе неопределенности Гейзенберга!
