I dette blogginnlegget skal vi forklare hvordan usikkerhetsprinsippet til elektroner gjør fysikkens lover i den mikroskopiske verden annerledes enn hverdagen vår.
I vårt daglige liv, når vi leser en bok eller jobber med et dokument på en bærbar PC, tar vi det for gitt at boken eller den bærbare datamaskinen forblir i samme posisjon, uten å stille spørsmål ved det. Denne følelsen av stabilitet skyldes delvis usynligheten av de fysiske interaksjonene til omgivelsene våre, da vi antar at boken eller den bærbare datamaskinen er festet på plass med mindre skrivebordet rister eller andre spesielle forhold oppstår. Hvis du tenker på konseptet "kraftbalanse" fra fysikkklassen på ungdomsskolen eller videregående, påvirkes faktisk alt rundt oss av samspillet mellom flere krefter, men det er vanskelig å føle dette i det virkelige liv. For eksempel, en bok på skrivebordet ditt samhandler med jorden gjennom tyngdekraften, og skrivebordet motvirker den kraften for å holde boken på plass. Men vi kjenner ikke igjen denne komplekse fysiske prosessen; vi føler rett og slett at boka er på plass.
Som vi har lært i fysikk, påvirkes alle objekter av ulike krefter, som gravitasjon og kontaktkrefter, men vi tenker ikke på disse kreftene som objekter i bevegelse. Dette er fordi kreftene vi faktisk opplever i vårt daglige liv er så ubetydelige. For eksempel er lysets kraft på en bok, eller den universelle tiltrekningskraften mellom objekter, for liten til å flytte en bok, så vi er overbevist om at en bok eller bærbar PC alltid blir der den er.
Men denne sunne fornuftsintuisjonen gjelder ikke for den mikroskopiske verden, eller for små partikler som elektroner. Dette er fordi fysikkens lover gjelder på måter vi ikke kan forestille oss. For eksempel, det at vi ikke kan vite nøyaktig hvor et elektron befinner seg, strider mot vår hverdagsopplevelse. Dette fenomenet kan forklares med Heisenbergs usikkerhetsprinsipp. Usikkerhetsprinsippet er en viktig teori for å forstå fysiske forstyrrelser som oppstår i den mikroskopiske verden.
Når vi ser på et objekt, kan vi se det fordi lys reflekteres av det og kommer inn i øynene våre. Enten vi ser på en bok eller et elektron, i begge tilfeller, reflekteres lyset av den og inn i øynene våre. Men i den mikroskopiske verden er effekten av forstyrrelsene som lyset utøver på objekter mer uttalt. Når vi ser på en bok, er lysforstyrrelsen på den så liten at den er ubetydelig. Derfor føler vi at boken alltid sitter fast. For en partikkel som et elektron, derimot, er effekten av lys på dens kinetiske tilstand relativt stor og må tas i betraktning.
I henhold til prinsippet om ubestemthet gjør mengden forstyrrelse som påføres et objekt det umulig å vite nøyaktig hvor det er. Dette gjelder spesielt for små partikler, der lysets bølgelignende natur gjør det vanskelig å nøyaktig måle posisjonen til et elektron. For å kjenne bevegelsestilstanden til et objekt, må du kjenne momentum og posisjon. Momentum er definert som produktet av objektets masse og hastighet. Hvis vi kjenner disse to verdiene nøyaktig, kan vi få et klart bilde av et objekts bevegelsestilstand. Men i den mikroskopiske verden kan vi ikke unngå forstyrrelser forårsaket av lys, så vi kan bare observere på en måte som minimerer dem.
Tenk på tilfellet med å observere et elektron: hvis vi bruker lys med et lite momentum for å forstyrre elektronet mindre, vil bølgelengden til lyset være lang, noe som gjør målingen av elektronets posisjon unøyaktig. En bølgelengde er ganske enkelt intervallet mellom lyssvingninger mens det beveger seg. Jo lengre bølgelengden er, desto bredere er lysområdet i rommet der elektronet befinner seg, noe som gjør det umulig å måle nøyaktig. Omvendt, hvis du bruker lys med kortere bølgelengde, kan du finne elektronets plassering mer nøyaktig, men elektronets bevegelsesmengde blir sterkt forstyrret. Dette er fordi kortere bølgelengder av lys har mer energi og derfor har større innvirkning på elektronet.
Til slutt kan ikke momentumet og posisjonen til et elektron måles nøyaktig samtidig. De to verdiene er omvendt proporsjonale, noe som betyr at hvis du prøver å måle den ene nøyaktig, vil den andre bli mer unøyaktig. Heisenberg matematiserte dette prinsippet og fant at produktet av endringen i momentum og endringen i posisjon alltid er større enn en konstant verdi. Dette fører til konklusjonen at tilstanden til et elektron er fullstendig uforutsigbar.
Heisenbergs usikkerhetsprinsipp ga et svært viktig grunnlag for utviklingen av kvantemekanikk. Mange forskere brukte dette prinsippet til å studere nye fysiske fenomener, noe som førte til gjennombrudd innen kvantefysikk. Albert Einstein var skeptisk til usikkerhetsprinsippet og forsøkte å tilbakevise det med et hypotetisk tankeeksperiment, men Niels Bohr forsvarte det og beviste dets betydning for kvantemekanikken. Debatten mellom Einstein og Bohr er fortsatt et viktig studietema blant fysikere til i dag, og det ansporet til utviklingen av kvantefysikk.
Som sådan har usikkerhetsprinsippet gitt oss et nytt perspektiv på den fysiske verden. Små interaksjoner av krefter som lett ignoreres i hverdagen utgjør en avgjørende forskjell i mikroverdenen. Dette prinsippet viser hvordan mikro- og makroverdenene styres av forskjellige fysiske lover og antyder at verden slik vi kjenner den ikke er alt som finnes.
