Когда Гейзенберг в 1927 г открыл соотношение неопределенностей, в физике произошел резкий поворот, и назад пути нет. Вероятности, волновые функции, интерференция и кванты — все это требует радикально новых способов видения мира. Однако не исключено, что какой-нибудь твердолобый физик-«классик» продолжает держаться за тонкую нить надежды, что когда все уляжется, эти отклонения от «классики» удастся встроить в систему понятий, не слишком сильно отличающуюся от прежних представлений. Однако соотношение неопределенностей ясно и недвусмысленно отрицает любую возможность возврата к прошлому.
Принцип Неопределенности Гейзенберга
Принцип неопределенности - одна из самых известных (и, вероятно, неправильно понимаемых) идей в физике. Он говорит нам, что в природе существует неточность, фундаментальный предел тому, что мы можем знать о поведении квантовых частиц и, следовательно, о мельчайших масштабах природы. Самое большее, на что мы можем надеяться, - это вычислить вероятности того, где находятся объекты и как они будут себя вести. В отличие от детерминистичной, предсказуемой вселенной Исаака Ньютона, где все следует четким законам о том, как двигаться, а предсказать поведение объекта просто, если вы знаете начальные условия, принцип неопределенности закрепляет уровень вероятности в квантовой теории.
Вернер Гейзенберг
Вернер Гейзенберг родился 5 декабря 1901 года в Вюрцбурге. Он был сыном доктора Августа Гейзенберга и его жены Энни Векляйн. Его отец позже стал профессором древнегреческого и новогреческого языков в Мюнхенском университете.
Гейзенберг ходил в школу Максимилиана в Мюнхене до 1920 года, после ее окончания он отправился в Мюнхенский университет изучать физику у Зоммерфельда, Прингсхайма и Розенталя. Зимой 1922-1923 гг. он поехал в Геттинген изучать физику у Макса Борна , Франка и Гильберта. В 1923 году защитил кандидатскую диссертацию в Мюнхенском университете, а затем стал ассистентом Макса Борна в Геттингенском университете.
С 1924 по 1925 год он работал по гранту Рокфеллера с Нильсом Бором в Копенгагенском университете. В 1926 году он был назначен преподавателем теоретической физики в Копенгагенском университете под руководством Нильса Бора, а в 1927 году, когда ему было всего 26 лет, он был назначен профессором теоретической физики в Лейпцигском университете.
В 1929 году он отправился с лекциями в США, Японию и Индию. В 1941 году он был назначен профессором физики Берлинского университета и директором Института физики кайзера Вильгельма. В конце Второй мировой войны он и другие немецкие физики были взяты в плен американскими войсками и отправлены в Англию, но в 1946 году он вернулся в Германию и вместе со своими коллегами реорганизовал Физический институт в Геттингене. В 1948 году этот институт был переименован в Физический институт Макса Планка.
С 1957 г. Гейзенберг интересовался работой по проблемам физики плазмы и термоядерных процессов, а также большой работой в тесном сотрудничестве с Международным институтом атомной физики в Женеве. В течение нескольких лет он был председателем комитета по научной политике этого института, а затем оставался членом этого комитета.
С 1953 года его собственная теоретическая работа была сосредоточена на единой теории поля элементарных частиц, которая, по его мнению, является ключом к пониманию физики элементарных частиц.
Одно из его увлечений - классическая музыка: он выдающийся пианист. В 1937 году Гейзенберг женился на Элизабет Шумахер. У них было семеро детей, и онипостоянно проживали в Мюнхене.
Вернер Гейзенберг умер 1 февраля 1976 года в возрасте 74 лет. Википедия
Первая формулировка Принципа неопределенности появилась в 1927 году, когда Гейзенберг работал в в Копенгагенском университете под руководством Нильса Бора. В это время Гейзенберг работал над следствиями квантовой теории, странным новым способом объяснения поведения атомов, который был разработан физиками, в том числе Нильсом Бором, Полем Дираком и Эрвином Шредингером, за предыдущее десятилетие. Среди множества противоречащих интуиции идей квантовая теория предполагала, что энергия не является непрерывной, а вместо этого существует в виде дискретных пакетов (квантов), и что свет можно описать как волну и как частицу квант.
Обосновывая это радикальное мировоззрение, Гейзенберг обнаружил проблему в способе измерения основных физических свойств частицы в квантовой системе. В одном из писем своему коллеге, Вольфгангу Паули, он представил намек на идею, которая с тех пор стала фундаментальной частью квантового описания мира:
Принцип неопределенности гласит, что мы не можем измерить положение (x) и импульс (p) частицы с абсолютной точностью. Чем точнее мы знаем одно из этих значений, тем менее точно мы знаем другое.
Один из способов думать о принципе неопределенности - это как расширение того, как мы видим и измеряем вещи в повседневном мире. Мы можем прочитать эти слова, потому что частицы света, фотоны, отразились от экрана и достигли наших глаз. Каждый фотон на этом пути несет с собой некоторую информацию о поверхности, от которой он отскочил, со скоростью света. Увидеть субатомную частицу, например электрон, не так-то просто. Мы могли бы точно так же отразить от него фотон, а затем надеяться обнаружить этот фотон с помощью инструмента. Но есть вероятность, что фотон передаст некоторый импульс электрону, когда он столкнется с ним, и изменит путь частицы, которую мы пытаетемся измерить. Или же, учитывая, что квантовые частицы часто движутся так быстро, электрон может больше не находиться на том месте, где он был, когда фотон первоначально отразился от него.
Освещая электроны светом все возрастающей частоты, мы измеряем их положение со все большей точностью, но за это приходится платить тем, что сами измерения вносят все большие возмущения. Высокочастотные фотоны обладают большой энергией и, следовательно, дают электронам резкий «толчок», значительно изменяющий их скорости. Подобно беспорядку в комнате, полной детей, мгновенное положение которых вам известно с большой точностью, но скорость которых, точнее, величину скорости и направление перемещения, вы почти не можете контролировать, эта неспособность определить одновременно положение и скорость элементарных частиц свидетельствует об изначальной хаотичности микромира.
Принцип неопределенности лежит в основе многих вещей, которые мы наблюдаем, но не можем объяснить с помощью классической физики. Возьмем, к примеру, атомы, где отрицательно заряженные электроны вращаются вокруг положительно заряженного ядра. Согласно классической логике, мы могли бы ожидать, что два противоположных заряда будут притягиваться друг к другу, в результате чего все схлопнется в шар частиц. Принцип неопределенности объясняет, почему этого не происходит: если электрон подойдет слишком близко к ядру, то его положение в пространстве будет точно известно, и, следовательно, ошибка измерения его положения будет минимальной. Это означает, что ошибка измерения его импульса (и, следовательно, его скорости) будет огромной. В этом случае электрон мог бы двигаться достаточно быстро, чтобы вообще вылететь из атома.
Можно было бы думать, что неопределенность возникает только тогда, когда мы — бестактные наблюдатели — вмешиваемся в происходящее на сцене мироздания. Это не верно. Пример попытки удержать электрон в небольшой коробке и его бурная реакция на это — увеличение скорости и хаотичности движения — подводит нас немного ближе к истине. Даже без «прямых столкновений» с вносящими возмущение «экспериментаторскими» фотонами скорость электрона резко и непредсказуемо изменяется от одного момента времени к другому. Но и этот пример не раскрывает все ошеломляющие свойства микромира, следующие из открытия Гейзенберга. Даже в самой спокойной ситуации, которую только можно себе представить, например, в пустой области пространства, согласно соотношению неопределенностей в микромире имеет место невероятная активность. И эта активность возрастает по мере уменьшения масштабов расстояния и времени.
Из соотношения неопределенностей Гейзенберга следует, что подобный хаотический перенос энергии и импульса непрерывно происходит во Вселенной на микроскопических расстояниях и в микроскопическом временном масштабе. Согласно соотношению неопределенностей, даже в пустых областях пространства (вакууме) энергия и импульс являются неопределенными: они флуктуируют между крайними значениями, которые возрастают по мере уменьшения объемов пространства и временного масштаба, на котором проводятся измерения. Это выглядит так, как если бы область ограниченного пространства являлась маниакальным «заемщиком» энергии и импульса, непрерывно беря «в долг» у Вселенной и неизменно «возвращая долг».
Но что участвует в этих обменах, например, в пустой области пространства? Все. В буквальном смысле слова. Энергия (как и импульс) являются универсальной конвертируемой валютой. Формула Е = мс2 говорит нам, что энергия может превращаться в материю и наоборот. Например, если флуктуации энергии достаточно велики, они могут привести к мгновенному возникновению электрона и соответствующей ему античастицы — позитрона, даже в области, которая первоначально была пустой! Поскольку энергия должна быть быстро возвращена, данные частицы должны спустя мгновение аннигилировать, высвободив энергию, заимствованную при их создании. То же самое справедливо для всех других форм, которые могут принимать энергия и импульс — при рождении и аннигиляции других частиц, сильных колебаниях интенсивности электромагнитного поля, флуктуациях полей сильного и слабого взаимодействий.
Квантово-механическая неопределенность говорит нам, что в микроскопическом масштабе Вселенная является ареной, изобилующей бурными и хаотическими событиями. Как заметил однажды Фейнман:
«возникать и аннигилировать, возникать и аннигилировать — какая пустая трата времени»
Поскольку заем и возврат в среднем компенсируют друг друга, пустая область в пространстве продолжает выглядеть тихой и спокойной, если исследовать ее в любом масштабе, кроме микроскопического. Однако соотношение неопределенностей указывает, что макроскопическое усреднение скрывает интенсивную микроскопическую активность.
Эйнштейн пытался минимизировать этот отход от позиций классической физики, утверждая, что хотя квантовая механика определенно ставит предел нашему знанию положения и скорости, электрон, тем не менее, имеет определенное положение и скорость в том смысле, который мы привыкли вкладывать в эти слова. Однако в течение последних трех десятилетий прогресс в теоретической физике, достигнутый группой исследователей, возглавляемых ирландским физиком Джоном Беллом, и экспериментальные данные Алана Аспекта и его коллег убедительно продемонстрировали, что Эйнштейн был не прав. Про электроны, как и про любые другие частицы, нельзя одновременно сказать, что они находятся в таком-то месте и имеют такую-то скорость.
Спасибо за внимание!
Все фото взяты с Яндекса в свободном доступе.