В этой записи блога мы объясним, как принцип неопределенности электронов делает законы физики в микроскопическом мире отличными от нашей повседневной жизни.
В нашей повседневной жизни, когда мы читаем книгу или работаем над документом на ноутбуке, мы считаем само собой разумеющимся, что книга или ноутбук остаются в том же положении, не подвергая это сомнению. Это чувство стабильности отчасти обусловлено невидимостью физического взаимодействия нашего окружения, поскольку мы предполагаем, что книга или ноутбук зафиксированы на месте, если только стол не трясется или не происходит какое-то другое особое обстоятельство. Если вы подумаете о концепции «баланса сил» из вашего класса физики средней или старшей школы, все вокруг нас на самом деле подвержено взаимодействию множественных сил, но это трудно почувствовать в реальной жизни. Например, книга на вашем столе взаимодействует с землей через гравитацию, а стол противодействует этой силе, чтобы удерживать книгу на месте. Но мы не осознаем этот сложный физический процесс; мы просто чувствуем, что книга находится на месте.
Как мы узнали из физики, на все объекты воздействуют различные силы, такие как гравитация и контактные силы, но мы не думаем об этих силах как о движущихся объектах. Это потому, что силы, которые мы фактически испытываем в нашей повседневной жизни, настолько незначительны. Например, сила света на книге или универсальная сила притяжения между объектами слишком мала, чтобы сдвинуть книгу, поэтому мы убеждены, что книга или ноутбук всегда остаются там, где они находятся.
Но эта интуиция здравого смысла не верна для микроскопического мира или для крошечных частиц, таких как электроны. Это происходит потому, что законы физики применяются способами, которые мы не можем себе представить. Например, тот факт, что мы не можем точно знать, где находится электрон, противоречит нашему повседневному опыту. Это явление можно объяснить принципом неопределенности Гейзенберга. Принцип неопределенности является важной теорией для понимания физических возмущений, которые происходят в микроскопическом мире.
Когда мы смотрим на объект, мы можем видеть его, потому что свет отражается от него и попадает в наши глаза. Смотрим ли мы на книгу или на электрон, в любом случае свет отражается от него и попадает в наши глаза. Однако в микроскопическом мире эффекты возмущений, которые свет оказывает на объекты, более выражены. Когда мы смотрим на книгу, возмущение света на ней настолько мало, что им можно пренебречь. Поэтому мы чувствуем, что книга всегда зафиксирована на месте. С другой стороны, для такой частицы, как электрон, влияние света на ее кинетическое состояние относительно велико и должно учитываться.
Согласно принципу неопределенности, величина возмущения, приложенного к объекту, делает невозможным точное определение его местоположения. Это особенно актуально для малых частиц, где волновая природа света затрудняет точное измерение положения электрона. Чтобы узнать состояние движения любого объекта, вам необходимо знать его импульс и положение. Импульс определяется как произведение массы объекта и скорости. Если мы точно знаем эти два значения, мы можем получить ясную картину состояния движения объекта. Однако в микроскопическом мире мы не можем избежать возмущений, вызванных светом, поэтому мы можем только наблюдать таким образом, чтобы свести их к минимуму.
Рассмотрим случай наблюдения за электроном: если мы используем свет с малым импульсом, чтобы меньше возмущать электрон, длина волны света будет большой, что сделает измерение положения электрона неточным. Длина волны — это просто интервал между колебаниями света при его движении. Чем больше длина волны, тем шире диапазон света в пространстве, где находится электрон, что делает невозможным точное измерение. И наоборот, если вы используете свет с более короткой длиной волны, вы можете точнее определить местоположение электрона, но импульс электрона сильно возмущается. Это происходит потому, что более короткие длины волн света имеют большую энергию и, следовательно, оказывают большее влияние на электрон.
В конце концов, импульс и положение электрона не могут быть точно измерены одновременно. Эти два значения обратно пропорциональны, то есть если вы попытаетесь измерить одно точно, другое станет более неточным. Гейзенберг математически обосновал этот принцип и обнаружил, что произведение изменения импульса и изменения положения всегда больше постоянной величины. Это приводит к выводу, что состояние электрона совершенно непредсказуемо.
Принцип неопределенности Гейзенберга заложил очень важную основу для развития квантовой механики. Многие ученые использовали этот принцип для изучения новых физических явлений, что привело к прорывам в квантовой физике. Альберт Эйнштейн скептически относился к принципу неопределенности и пытался опровергнуть его с помощью гипотетического мысленного эксперимента, но Нильс Бор защитил его и доказал его важность для квантовой механики. Дискуссия между Эйнштейном и Бором остается важной темой для изучения среди физиков и по сей день, и она подстегнула развитие квантовой физики.
Таким образом, принцип неопределенности дал нам новый взгляд на физический мир. Небольшие взаимодействия сил, которые легко игнорировать в повседневной жизни, имеют решающее значение в микромире. Этот принцип показывает, как микро- и макромиры управляются разными физическими законами, и предполагает, что мир, каким мы его знаем, — это не все, что есть.
