W tym wpisie na blogu wyjaśnimy, w jaki sposób zasada nieoznaczoności elektronów sprawia, że prawa fizyki w świecie mikroskopowym różnią się od praw naszego codziennego życia.
W naszym codziennym życiu, kiedy czytamy książkę lub pracujemy nad dokumentem na laptopie, przyjmujemy za pewnik, że książka lub laptop pozostaje w tej samej pozycji, bez kwestionowania tego. To poczucie stabilności wynika częściowo z niewidzialności fizycznych interakcji naszego otoczenia, ponieważ zakładamy, że książka lub laptop jest nieruchomy, chyba że biurko się zatrzęsie lub wystąpi jakaś inna szczególna okoliczność. Jeśli pomyślisz o koncepcji „równowagi sił” z lekcji fizyki w szkole średniej lub gimnazjum, wszystko wokół nas jest w rzeczywistości dotknięte interakcją wielu sił, ale trudno to odczuć w prawdziwym życiu. Na przykład książka na twoim biurku oddziałuje z ziemią poprzez grawitację, a biurko przeciwdziała tej sile, aby utrzymać książkę na miejscu. Ale nie rozpoznajemy tego złożonego procesu fizycznego; po prostu czujemy, że książka jest na swoim miejscu.
Jak dowiedzieliśmy się z fizyki, wszystkie obiekty podlegają działaniu różnych sił, takich jak grawitacja i siły kontaktowe, ale nie myślimy o tych siłach jako o obiektach ruchomych. Dzieje się tak, ponieważ siły, których doświadczamy w życiu codziennym, są tak nieistotne. Na przykład siła światła działająca na książkę lub uniwersalna siła przyciągania między obiektami jest zbyt mała, aby poruszyć książkę, więc jesteśmy przekonani, że książka lub laptop zawsze pozostają tam, gdzie są.
Ale ta zdroworozsądkowa intuicja nie sprawdza się w świecie mikroskopijnym ani w przypadku maleńkich cząstek, takich jak elektrony. Dzieje się tak, ponieważ prawa fizyki obowiązują w sposób, którego nie jesteśmy w stanie sobie wyobrazić. Na przykład fakt, że nie możemy dokładnie wiedzieć, gdzie znajduje się elektron, przeczy naszemu codziennemu doświadczeniu. Zjawisko to można wyjaśnić zasadą nieoznaczoności Heisenberga. Zasada nieoznaczoności jest ważną teorią dla zrozumienia zaburzeń fizycznych występujących w świecie mikroskopijnym.
Kiedy patrzymy na obiekt, możemy go zobaczyć, ponieważ światło odbija się od niego i wpada do naszych oczu. Niezależnie od tego, czy patrzymy na książkę czy elektron, w obu przypadkach światło odbija się od niego i wpada do naszych oczu. Jednak w świecie mikroskopowym efekty zakłóceń, jakie światło wywiera na obiekty, są bardziej wyraźne. Kiedy patrzymy na książkę, zaburzenie światła na niej jest tak małe, że jest pomijalne. Dlatego czujemy, że książka jest zawsze zamocowana na swoim miejscu. Z drugiej strony, w przypadku cząstki takiej jak elektron, wpływ światła na jej stan kinetyczny jest stosunkowo duży i należy go wziąć pod uwagę.
Zgodnie z zasadą nieoznaczoności, ilość zakłóceń przyłożonych do obiektu sprawia, że nie można dokładnie określić, gdzie się on znajduje. Dotyczy to zwłaszcza małych cząstek, gdzie falowa natura światła utrudnia dokładny pomiar położenia elektronu. Aby poznać stan ruchu dowolnego obiektu, należy znać jego pęd i położenie. Pęd jest definiowany jako iloczyn masy obiektu i prędkości. Jeśli dokładnie znamy te dwie wartości, możemy uzyskać wyraźny obraz stanu ruchu obiektu. Jednak w świecie mikroskopowym nie możemy uniknąć zakłóceń spowodowanych przez światło, więc możemy jedynie obserwować w sposób, który je minimalizuje.
Rozważmy przypadek obserwacji elektronu: jeśli użyjemy światła o małym pędzie, aby mniej zakłócić elektron, długość fali światła będzie długa, co sprawi, że pomiar położenia elektronu będzie niedokładny. Długość fali to po prostu odstęp między oscylacjami światła podczas jego przemieszczania się. Im dłuższa długość fali, tym szerszy zakres światła w przestrzeni, w której znajduje się elektron, co uniemożliwia dokładny pomiar. Odwrotnie, jeśli użyjesz światła o krótszej długości fali, możesz dokładniej określić położenie elektronu, ale pęd elektronu zostanie znacznie zakłócony. Dzieje się tak, ponieważ krótsze długości fal światła mają więcej energii, a zatem mają większy wpływ na elektron.
Ostatecznie pędu i położenia elektronu nie można dokładnie zmierzyć w tym samym czasie. Te dwie wartości są odwrotnie proporcjonalne, co oznacza, że jeśli spróbujesz dokładnie zmierzyć jedną, druga stanie się mniej dokładna. Heisenberg zmatematyzował tę zasadę i odkrył, że iloczyn zmiany pędu i zmiany położenia jest zawsze większy od stałej wartości. Prowadzi to do wniosku, że stan elektronu jest całkowicie nieprzewidywalny.
Zasada nieoznaczoności Heisenberga stanowiła bardzo ważny fundament dla rozwoju mechaniki kwantowej. Wielu naukowców wykorzystywało tę zasadę do badania nowych zjawisk fizycznych, co doprowadziło do przełomów w fizyce kwantowej. Albert Einstein był sceptyczny wobec zasady nieoznaczoności i próbował obalić ją hipotetycznym eksperymentem myślowym, ale Niels Bohr bronił jej i udowodnił jej znaczenie dla mechaniki kwantowej. Debata między Einsteinem a Bohrem pozostaje ważnym tematem badań fizyków do dziś i pobudziła rozwój fizyki kwantowej.
W związku z tym zasada nieoznaczoności dała nam nową perspektywę na świat fizyczny. Małe interakcje sił, które są łatwo ignorowane w życiu codziennym, mają decydujący wpływ na mikroświat. Zasada ta pokazuje, jak mikroświaty i makroświaty są rządzone przez różne prawa fizyczne i sugeruje, że świat, jaki znamy, nie jest wszystkim, co istnieje.
