Heizenbergo neapibrėžtumo principas

Straipsnis iš Vikipedijos, laisvosios enciklopedijos.
Peršokti į: navigaciją, paiešką

Heizenbergo neapibrėžtumo principas arba Heizenbergo nelygybė kvantinėje fizikoje (šį pavadinimą suteikė Nilsas Boras) – teigia, kad matuojant dualiąsias vienos elementariosios dalelės charakteristikas (angl. conjugate variables), vis didėjantis vieno dydžio tikslumas didina kito tuo pačiu metu matuojamo dydžio paklaidą (neapibrėžtumą). Žinomiausia iš šių porų yra dalelės padėtis ir impulsas.

Kvantinė fizika uždeda žemutinę ribą matuojamų dydžių paklaidų sandaugai matuojant dualiuosius dydžius (angl. conjugate quantities). Neapibrėžtumo principas – vienas iš kertinių kvantinės mechanikos principų, kurį suformulavo Verneris Heizenbergas 1927 metais. Neapibrėžtumo principas seka iš kvantinės mechanikos operatorių apibrėžimo. Jis išvedamas panaudojant funkcinės analizės teoremas. Labai dažnai jis yra nepagrįstai painiojamas su stebėtojo efektu.

Apžvalga[taisyti | redaguoti kodą]

Iki kvantinės fizikos atsiradimo buvo manoma, kad vienintelis neapibrėžtumo šaltinis (paklaidos) matuojant fizikinius dydžius yra matavimo priemonių tobulumas ir tikslumas. Dabar yra suprasta, kad eksperimento duomenų interpretacija yra galima, tik jei yra žinoma matavimo paklaidų tikimybinė pasiskirstymo funkcija. Neapibrėžtumas iš esmės yra matuojamo dydžio pasiskirstymo pagal vertes funkcijos išplitimo matas, dar vadinamas matavimo paklaida.

Įsivaizduokime, kad žinant pradinę dalelės būseną atliekame vienas po kito du eksperimentus, kurių pirmas išmatuoja dalelės padėtį x, o antras dalelės impulsą p. Priklausomai nuo eksperimento instrumentų tikslumo kiekviena sekanti pora matavimų (padėties ir impulso) iš esmės turėtų beveik sutapti. Realiame pasaulyje jie visada skirsis dėl to, kad matavimo instrumentai yra netikslūs. Heizenbergas parodė, kad net turint absoliučiai tikslius matavimo prietaisus, negalima kiek norima dideliu tikslumu išmatuoti ir dalelės padėtį ir impulsą.

Heizenbergo neapibrėžtumo principas tai yra sąryšis tarp begalinio tikslumo x ir p matavimų paklaidų. T. y. jei dalelės būsena tokia, kad pirmasis matavimas duoda Δx padėties matavimų sklaidą, tai sekantis matavimas duos Δp impulso matavimų sklaidą, kuri yra atvirkščiai proporcinga Δx. Ribiniu atveju proporcingumo konstanta išvedama operatorių komutatorių skaičiavimo. Ji yra lygi Planko konstantai padalintai iš 4\pi.

Tai reiškia, kad padėties ir impulso paklaidų sandauga yra didesnė arba lygi nei 10−35 Js. Taigi, ši sandauga tampa reikšminga tik jei matavimo paklaida yra maža ir šis dėsningumas turi reikšmę tik mikro pasaulyje. Makropasaulyje tai yra labai mažas dydis ir gali būti ignoruotas.

Bangos - dalelės dualumas[taisyti | redaguoti kodą]

Heizenbergo neapibrėžtumo principo pasekmė yra ta, kad nė vienas (mikro)fizikinis objektas negali būti aprašytas tik kaip dalelė arba tik kaip banga. Šią situaciją geriausiai charakterizuoja bangų ir dalelių dualumo principas.

Galime rasti analogijas tarp Heizenbergo neapibrėžtumo principo ir bangų bei signalų savybių. Jei turime laike kintantį signalą, pvz., garso bangą, tai nėra jokios prasmės nagrinėti signalo dažnio spektrą vienu konkrečiu laiko momentu, kadangi dažnio analizė turi prasmę tik per tam tikrą laiko intervalą. Tai reiškia, kad laiko tikslumas yra prarandamas, jei norime ištirti signalo dažnininį spektrą. Taip pat kaip tarp padėties ir impulso dualiųjų savybių, yra toks pat sąryšis tarp dalelės energijos ir matavimo laiko neapibrėžtumų.

Paplitęs neteisingas aiškinimas[taisyti | redaguoti kodą]

Kartais mokslo populiarinimo literatūroje šis principas neteisingai aiškinamas, teigiant kad bet koks dalelės padėties matavimas būtinai pakeičia jos impulsą (arba tai reiškia kad abu matavimai atliekami ne vienu laiko momentu). Nors Heizenbergas galbūt ir buvo pateikęs tokį aiškinimą (vadinamasis Heizenbergo mikroskopas), tačiau tai nenusako neapibrėžtumo principo esmės. Neklasikinis jo aiškinimas (EPR paradoksas) atsirado dėka Einšteino pastangų įrodyti, jog turėtų būti tikslesnė teorija, neturinti „neapibrėžtumo“ trūkumų. EPR paradokso formulavimas leidžia atlikti matavimus su dalele, tiesiogiai jos nepaveikiant (bandymai atliekami su jos nutolusia dalele - dvyne).

Formuluotė ir charakteristikos[taisyti | redaguoti kodą]

Bet kokie padėties arba impulso matavimai, tarp jų ir kvantinėje mechanikoje, yra pasiskirstę pagal tam tikrus žinomus tikimybinius pasiskirstymus. Jei mes paskaičiuosime padėties Δx ir impulso Δp matavimų paklaidas, tai

\Delta x \Delta p \ge \frac{\hbar}{2}

kur

\hbar yra redukuotoji Planko konstanta (Planko konstanta, padalinta iš 2\pi).

1925 metais, kai Heizenbergas išvystė matricų panaudojimą kvantinėje mechanikoje, jau buvo matyti skirtumai tarp padėties ir impulso. Vienos dalelės padėties ir impulso banginių funkcijų (turinčių 2\pi periodą) amplitudės sudaugintos tarpusavy duoda intensyvumą. Tačiau Heizenbergas pastebėjo, kad yra skirtumas lygus h/(2\pi) tarp sandaugų su skirtinga daugiklių tvarka (t. y. padėties amplitudė padauginta iš impulso amplitudės nelygi impulso amplitudei padaugintai iš padėties amplitudės). Matematiškai kalbant, šie du dydžiai nekomutuoja. 1927 metais Heizenbergas panaudojo Gausinį matavimo paklaidų pasiskirstymo modelį. Iš jo gaunama, kad minimalus standartinis nuokrypis tarp dualiųjų savybių (padėties ir impulso) yra ½ h/(2\pi), arba, \hbar/2 .

Kai kada neapibrėžtumas gaunamas imant skirtumą tarp matavimo verčių 25 % ir 75 % kvartilių. Jei vertės turi normalųjį pasiskirstymą, tai duos didesnę apatinę neapibrėžtumų sandaugos vertę: h/(2\pi).

Neapibrėžtumo principas sako, kad padėtį išmatavus su labai dideliu tikslumu, impulsą galėsime pateikti tik labai apytiksliai/netiksliai. Ir, žinoma, yra „tarpinė“ būsena, kai abu dyžiai išmatuoti su baigtiniu, bet ne be galo dideliu – „protingu“ tikslumu.

Dualiosios savybės[taisyti | redaguoti kodą]

Neapibrėžtumo principas galioja bet kokioms stebimų dydžių poroms, kurios yra apibrėžiamos nekomutuojančiais operatoriais. Tokios dydžių poros vadinamos dualiosiomis.

  • Žinomiausias yra sąryšis tarp padėties ir impulso:
\Delta x_i \Delta p_i \geq \frac{\hbar}{2}
  • Neapibrėžtumo principas tarp dviejų erdvinių impulso momento komponenčių:
 \Delta J_i \Delta J_j \geq \frac{\hbar}{2} \left|\left\langle J_k\right\rangle\right|
kur i, j, k skirtingos komponentės, o Ji žymi impulso momentą xi ašies kryptimi.

Apibendrintas neapibrėžtumo principas[taisyti | redaguoti kodą]

Neapibrėžtumo principas yra pasekmė vienos iš žinomiausių tiesinės algebros teoremų – Koši-Švarco nelygybės.

Bet kokiems dviem ermitiniams operatoriams A: HH ir B: HH, ir bet kokiam H elementui x, tokiam kad A B x ir B A x yra apibrėžti (aišku, kad A x ir B x yra irgi apibrėžti), galioja

 \langle B A x | x \rangle = \langle A x | B x \rangle = \langle B x | A x \rangle^{*}

Tuomet skaliarinei sandaugai galioja Koši-Švarco nelygybė:

\left|\langle B x | A x \rangle\right |^2 \leq \|A x \|^2 \|B x \|^2

Pertvarkius šią formulę:

\|A x \|^2 \|B x \|^2 \geq \left|\langle B x | A x \rangle\right |^2 \geq \left|im(\langle B x | A x \rangle)\right |^2 = \frac{1}{4} \left|2im(\langle B x | A x \rangle)\right |^2 = \frac{1}{4} \left| \langle B x | A x \rangle - \langle B x | A x \rangle^{*} \right |^2 =
 = \frac{1}{4} \left| \langle B x | A x \rangle - \langle A x | B x \rangle \right |^2 = \frac{1}{4} \left| \langle A B x | x \rangle - \langle B A x | x \rangle \right |^2 = \frac{1}{4} |\langle (AB - BA)x | x \rangle|^2

1930 metais Hovardas Robertsonas ir Ervinas Šriodingeris išvedė apibendrintą neapibrėžtumo principą:

\frac{1}{4} |\langle [A,B]x | x \rangle|^2\leq \| A x \|^2 \| B x \|^2.

Ši nelygybė vadinama Robertsono-Šriodingerio nelygybė.

Operatorius A BB A vadinamas A, B komutatoriumi ir sutrumpintai užrašomas [A, B]. Jis yra apibrėžtas tokiems x kuriems A B x ir B A x yra apibrėžti.

Tačiau reikia pažymėti, kad Robertsono-Šriodingerio nelygybė pritaikoma tik statistikiniam kvantinių sistemų ansambliui, tačiau ji nieko nesako apie atskirų sistemų vienalaikius dualiųjų savybių matavimus.

Tarus, kad

[A,B]=[A - <A>, B - <B>]

neapibrėžtumo principas yra Robertsono-Šriodingerio nelygybės išdava (pakeiskite A - <A> į A ir B - <B> į B).

Tarkime, kad A ir B du stebėjimai charakteristikų, aprašomų ermitiniais operatoriais. Jei B A ψ ir A B ψ yra apibrėžti, tuomet


\Delta_{\psi} A \, \Delta_{\psi} B \ge \frac{1}{2} \left|\left\langle\left[{A},{B}\right]\right\rangle_\psi\right|

kur

\left\langle X \right\rangle_\psi = \left\langle \psi | X \psi \right\rangle = \| X \psi \|^2

yra stebimo dydžio X būsenoje ψ vidurkis. O

\Delta_{\psi} X = \sqrt{\langle {X}^2\rangle_\psi - \langle {X}\rangle_\psi ^2}

yra stebimo dydžio X būsenoje ψ standartinis nuokrypis.

Tai gali būti skaičiuojama ne tik dualiesiems operatoriams (tarkim, padėtis - impulsas, energija - laikas), tačiau, pavyzdžiui, lauko stiprumui ir dalelių, atsakingų už tą lauką (lauko nešiklių) skaičiui (virtualios dalelės)

Reikia pažymėti, kad net esant nekomutuojantiems operatoriams A ir B gali egzistuoti tokios tikrinės būsenos ψ, kad galima su tikimybe 1 pasakyti A ir B matavimo rezultatą, nors iš esmės šie dydžiai nėra matuojami vienalaikiškai (arba apskritai yra išmatuojamas tik vienas iš jų).

Energija ir laikas[taisyti | redaguoti kodą]

Iš bendrų samprotavimų iš reliatyvumo teorijos seka, kad turėtų būti ir toks sąryšis (Iš dimensijų analizės jį prognozavo dar Nilsas Boras):

 \Delta E \Delta t \ge \frac{\hbar}{2} .

Tačiau jį tik 1945 griežtai matematiškai įrodė rusų mokslininkai Leonidas Mandelštamas ir Igoris Tamas.

Šis sąryšis labai svarbus spektroskopijoje. Kadangi sužadintos būsenos yra trumpalaikės, jų energijos neapibrėžtumas nėra nykstamai mažas. Dėl to, pavyzdžiui, niekada negalima gauti labai siaurų spektrinių linijų. Šis sąryšis taip pat siūlo idėją apie erdvėlaikio „chaotišką“ elgesį labai trumpuose laiko intervaluose (juose galimos didelės energijos variacijos).

Istorija ir interpretacijos[taisyti | redaguoti kodą]

Populiariai[taisyti | redaguoti kodą]

Mokslo populiarinimo literatūroje šis principas dažnai aiškinamas teiginiu, kad negalima vienu metu pasakyti, kur yra elektronas ir kur jis keliauja. Tačiau tai yra tik iš dalies teisinga, nes Heizenbergo neapibrėžtumo principas duoda kiekybines paklaidų ribas (t. y. su tam tikra paklaida mes galime pasakyti, kur yra elektronas ir kur link jis juda).

Neapibrėžtumo principas dažnai neteisingai tapatinamas su stebėtojo efektu, kuomet stebėjimo aktas pakeičia patį stebimąjį įvykį.

Programuotojams Heizenbugas yra programos klaida, kuri išnyksta arba pakinta, kai pradedama jos ieškoti. Pagal Heizenbergo principą, kuo dalėlė juda lėčiau tuo jos matmenis didesni, tuom paaiškinama tai, kad lėtieji neutronai geriau skaldo uraną, nes yra didesnių matmenų ir geriau pataiko.

Nuorodos[taisyti | redaguoti kodą]