Ποια είναι η Αρχή της Αβεβαιότητας του Heisenberg

Η αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg, που εισήχθη το 1927, δηλώνει απλώς ότι όσο ακριβέστερα προσδιορίζουμε τη θέση οποιουδήποτε σωματιδίου, τόσο λιγότερο ακριβής μπορούμε να προσδιορίσουμε την ορμή του από τις δεδομένες αρχικές συνθήκες. Η αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg κληρονομεί από τις θεωρίες των κυματοειδών συστημάτων που δηλώνουν την κυματική φύση της ύλης όλων των κβαντικών αντικειμένων. Έτσι, μπορούμε να πούμε ότι η αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg έχει τη βαθιά της ρίζα στο πεδίο της κβαντικής μηχανικής της φυσικής.

Η αρχή του Heisenberg εξετάζει τις θεμελιώδεις ιδιότητες των κβαντικών συστημάτων αντί για κάποια παρατηρητική επιτυχία της τεχνολογίας. Δεν μπορούμε εύκολα να εφαρμόσουμε αυτόν τον κανόνα στην καθημερινή μας ζωή, αλλά έχει μεγάλη σημασία για μικρά σωματίδια όπως τα άτομα και τα υποατομικά σωματίδια. Η αρχή του Heisenberg είναι αντίθετη με την κλασική φυσική του Νεύτωνα. Σύμφωνα με την κλασική φυσική του Νεύτωνα, όλα τα σωματίδια είναι μετρήσιμα σε μια αυθαίρετη αβεβαιότητα παρουσία του καλύτερου εξοπλισμού. Οι νόμοι της κβαντικής φυσικής και της κλασικής φυσικής έχουν μεγάλη αντίθεση. Ωστόσο, η μελέτη της κβαντικής φυσικής μας βοήθησε πολύ να κατανοήσουμε καλύτερα τον φυσικό κόσμο. Ας μελετήσουμε εν συντομία τη σημασία της αρχής της αβεβαιότητας του Heisenberg.

Τι είναι η αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg;

Η αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg δημοσιεύτηκε το 1927, δηλώνοντας ότι είναι αδύνατο να αποδοθούν ταυτόχρονες τιμές τόσο στη θέση όσο και στην ορμή σε ένα φυσικό σύστημα. Αυτές οι ποσότητες θα περιέχουν σίγουρα κάποιες μικρές αβεβαιότητες. Αυτή η σχέση ισχύει επίσης για τη σχέση μεταξύ ενέργειας και χρόνου. Αυτό σημαίνει ότι είναι αδύνατο να προσδιοριστεί η ακριβής ενέργεια οποιουδήποτε συστήματος σε συγκεκριμένο χρονικό διάστημα. Ο Heisenberg όρισε αυτές τις αβεβαιότητες ότι έχουν αντιστοιχία τιμής στη σταθερά του Planck διαιρούμενο με το 4π.

Δ σελ. Δ x ≥ h/4π.

Όπου h=η σταθερά του Planck

Δp =Αβεβαιότητα στην ορμή.

Δx =Αβεβαιότητα στη θέση.

Η ορμή ενός αντικειμένου:Η γραμμική ορμή είναι η τιμή που προκύπτει από το γινόμενο της μάζας οποιουδήποτε συστήματος με την ταχύτητά του. Έτσι, είναι σαφές ότι είναι ευθέως ανάλογο τόσο με τη μάζα όσο και με την ταχύτητα. Είναι ένα διανυσματικό μέγεθος (ένα μέγεθος που έχει και μέγεθος και κατεύθυνση). Το σύμβολο που χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της γραμμικής ορμής είναι «p» και η μονάδα του είναι χιλιόγραμμα μέτρο ανά δευτερόλεπτο (kg. m/s), δηλαδή οι συνδυασμένες μονάδες μάζας και ταχύτητας. Ωστόσο, σε ένα κλειστό σύστημα, το οποίο είναι ένα σύστημα στο οποίο δεν υπάρχει ανταλλαγή ή μεταφορά ύλης, η ορμή παραμένει αμετάβλητη.

p=mv

όπου p=Γραμμική ορμή,

m=μάζα του σωματιδίου και

v=ταχύτητα του σωματιδίου.

Σταθερά Planck:Η σταθερά του Planck είναι μια σημαντική φυσική σταθερά στην κβαντική φυσική, που συμβολίζεται με h. Αυτή η σταθερά περιγράφει τη συμπεριφορά των σωματιδίων και των κυμάτων σε ατομικό επίπεδο. Αυτή η σταθερά του Planck είναι το γινόμενο της ενέργειας από το χρόνο και γι' αυτό ονομάζεται στοιχειώδες κβάντο δράσης. Η μονάδα του είναι ένα μέτρο-κιλό-δευτερόλεπτο και η ακριβής τιμή είναι 6,62607015 × 10−34 τζάουλ δευτερόλεπτο.

Δυαδικότητα σωματιδίων που μοιάζει με κύμα:Η αρχή της αβεβαιότητας προκύπτει από τη δυαδικότητα σωματιδίων που μοιάζει με κύμα που δηλώνει ότι κάθε σωματίδιο θα έχει ένα συσχετισμένο κύμα. Αυτά τα σωματίδια είναι ως επί το πλείστον παρόντα στα σημεία με τους υψηλότερους κυματισμούς του κύματος. Επιπλέον, το πιο κακώς καθορισμένο μήκος κύματος θα έχει πιο έντονους κυματισμούς του κύματος. Αυτό βοηθά στον προσδιορισμό της ορμής οποιουδήποτε σωματιδίου.

Η σημασία της αρχής της αβεβαιότητας του Heisenberg

• Αποκλείει τις σαφείς διαδρομές των ηλεκτρονίων και άλλων υποατομικών σωματιδίων

• Βοηθά στον προσδιορισμό της πιθανότητας της θέσης οποιουδήποτε σωματιδίου σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή. Για παράδειγμα, αν γνωρίζουμε τη θέση οποιουδήποτε σωματιδίου και την ταχύτητά του εκείνη τη στιγμή, τότε μπορούμε να προσδιορίσουμε τη θέση αυτού του σωματιδίου μετά από κάποιο χρονικό διάστημα

• Η αρχή του Heisenberg έχει τη σημασία της μόνο για τα μικροσκοπικά σωματίδια και όχι για τα μακροσκοπικά σωματίδια

Επιλύθηκαν ερωτήσεις σχετικά με την αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg

Ερώτηση 1:Ένα δεδομένο νετρόνιο έχει αβεβαιότητα 20 μ.μ. Προσδιορίστε την αβεβαιότητα στην ταχύτητα του νετρονίου χρησιμοποιώντας την αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg.

Λύση:

Μαθηματικά, η αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg είναι:

Δ x. Δ p ≥ h/4π

Σύμφωνα με την ερώτηση,

Δ x =20 μ.μ.

Εφαρμογή της αρχής της αβεβαιότητας του Heisenberg,

Δ x. Δ p ≥ h/4π

Δ p≥ h/ 4πΔ x

Δ p≥

Δp≥2,6364×10−24 (kg⋅ m/s)

mΔv≥2,6364×10−24 (kg⋅ m/s)

Ή, 

Δv≥2893962.67837m/s

Δv≈2,9×106 m/s

Απάντηση:Η αβεβαιότητα στην ταχύτητα του νετρονίου χρησιμοποιώντας την αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg θα είναι Δv≈2,9×106 m/s.

Ερώτηση 2:Η αβεβαιότητα στην ορμή (ας πούμε Δp) μιας μπάλας του τένις 0,5 kg που ταξιδεύει στα 20 Το m/s είναι 1×10−6 της ορμής του. Προσδιορίστε το Δx ή την αβεβαιότητα στη θέση;

Λύση:

Σύμφωνα με την Ερώτηση:

v =20 m/s,

m =0,5 kg,

h =6,62607004 × 10-34 m2 kg / s (σταθερά Planck)

Δp =p×1×10−6

P =m×v

=0,5×20

=10kg m/s

Δp =10 × 1 × 10−6

Δp =10-5

Τύπος της αρχής αβεβαιότητας του Heisenberg,

Δ x. Δ p ≥ h/4π

Δ x≥ h/4π Δ p

Δ x≥0,527×10- 29μ

Απάντηση:Η αβεβαιότητα στη θέση μιας μπάλας του τένις 0,5 kg που ταξιδεύει με ταχύτητα 20 m/s είναι 0,527 ×10-29 m

Συμπέρασμα

Σύμφωνα με την αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg, είναι αδύνατο να προσδιοριστεί η θέση και η ορμή οποιουδήποτε σωματιδίου ταυτόχρονα. Με άλλα λόγια, μπορούμε να πούμε ότι όσο ακριβέστερα προσδιορίζουμε την ορμή, τόσο λιγότερο ακριβής είναι η θέση αυτού του σωματιδίου. Η αρχή που προκύπτει από την κυματομορφή φύση των σωματιδίων έχει μεγάλη σημασία στην κβαντική μηχανική. Η κβαντομηχανική διαφέρει πολύ από την κλασική φυσική και βοηθά στην καλύτερη κατανόηση του φυσικού κόσμου. Η σημασία της αρχής της αβεβαιότητας του Heisenberg είναι μόνο για τα μικροσκοπικά σωματίδια, όχι για τα μακροσκοπικά σωματίδια.