• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Fysik
    Heisenberg Osäkerhetsprincip: Definition, ekvation och hur man använder It

    Kvantmekanik följer mycket olika lagar än klassisk fysik. Många inflytelserika forskare har arbetat inom detta område, däribland Albert Einstein, Erwin Schrodinger, Werner Heisenberg, Niels Bohr, Louis De Broglie, David Bohm och Wolfgang Pauli.

    Köpenhamns standardtolkning av kvantfysik säger att allt som kan Med andra ord kan vi inte veta vissa egenskaper hos kvantpartiklar i absoluta termer. Många har funnit att denna uppfattning är oroande och föreslagit alla möjliga tankeexperimenter och alternativa tolkningar, men matematiken som överensstämmer med den ursprungliga tolkningen fortfarande släpper ut. , skapar en våg som reser nerför den. Det är meningsfullt att fråga vad våglängden är - det är lätt nog att mäta - men mindre förnuftigt att fråga var vågen är, eftersom vågen verkligen är ett kontinuerligt fenomen längs repet.

    Däremot om en enda vågpuls skickas nerför repet och identifierar var den befinner sig blir enkel, men att bestämma dess våglängd är inte längre meningsfullt eftersom det inte är en våg.

    Du kan också tänka dig allt däremellan: skicka ett vågpaket nerför repet, till exempel, är positionen något definierad, och våglängden också, men inte båda helt. Denna skillnad är kärnan i Heisenbergs osäkerhetsprincip.
    Wave-Particle Duality

    Du kommer att höra människor använda orden foton och elektromagnetisk strålning omväxlande, även om det verkar som om det är olika saker. När man talar om fotoner pratar de vanligtvis om detta fenomens partikelegenskaper, medan när de talar om elektromagnetiska vågor eller strålning talar de med de vågliknande egenskaperna.

    Fotoner eller elektromagnetisk strålning visar vad som kallas partikelvåg-dualitet. I vissa situationer och i vissa experiment uppvisar fotoner partikelliknande beteende. Ett exempel på detta är den fotoelektriska effekten, där ljus som träffar en yta orsakar frisättning av elektroner. Specifikationerna för denna effekt kan endast förstås om ljus behandlas som diskreta paket som elektronerna måste absorbera för att släppas ut.

    I andra situationer och experiment fungerar de mer som vågor. Ett främst exempel på detta är interferensmönstren som observerats i enkel- eller flersprungsexperiment. I dessa experiment förs ljus genom smala, nära åtskilda slitsar, och som ett resultat ger det ett interferensmönster som överensstämmer med vad du skulle se i en våg.

    Även främling, fotoner är inte det enda som visa denna dualitet. Faktum är att alla grundläggande partiklar, även elektroner och protoner, verkar bete sig på detta sätt! Ju större partikeln är, desto kortare är dess våglängd, desto mindre förekommer denna dualitet. Det är därför vi inte märker något sådant alls på vår vardagliga makroskopiska skala.
    Tolkar kvantmekanik

    Till skillnad från det tydliga beteendet i Newtons lagar uppvisar kvantpartiklar en slags fuzziness. Du kan inte säga exakt vad de gör, utan bara ge sannolikheter för vilka mätresultat kan ge. Och om din instinkt är att anta att detta beror på en oförmåga att mäta saker exakt, skulle du vara felaktig, åtminstone när det gäller standardtolkningarna av teorin.

    Den så kallade Köpenhamn-tolkningen av kvantteorin säger att allt som är känt om en partikel finns i vågfunktionen som beskriver den. Det finns inga ytterligare dolda variabler eller saker som vi helt enkelt inte har upptäckt som skulle ge mer detaljer. Det är i grund och botten suddig, så att säga. Heisenbergs osäkerhetsprincip är bara en annan utveckling som stärker denna fuzziness.
    Heisenberg Osäkerhetsprincip |

    Osäkerhetsprincipen föreslogs först av dess namngivare, den tyska fysikern Werner Heisenberg, 1927 medan han arbetade på Neils Bohrs institut i Köpenhamn. Han publicerade sina resultat i ett papper med titeln "Om det perceptuella innehållet i kvantteoretisk kinematik och mekanik."

    Principen säger att en partikelns position och en partikels momentum (eller energin och tiden för en partikel) kan inte båda vara kända samtidigt med absolut säkerhet. Det vill säga, ju mer exakt du känner till positionen, desto mindre exakt vet du momentumet (som är direkt relaterat till våglängden), och vice versa.

    Tillämpningar av osäkerhetsprincipen är många och inkluderar partikelinneslutning (bestämning energin som krävs för att innehålla en partikel inom en given volym), signalbehandling, elektronmikroskop, förstå kvantfluktuationer och nollpunktsenergi.
    Osäkerhetsrelationer

    Det primära osäkerhetsförhållandet uttrycks som följande ojämlikhet:
    \\ sigma_x \\ sigma_p \\ geq \\ frac {\\ hbar} {2}

    där ℏ är den reducerade Plancks konstant och σ x
    och σ p
    är standardavvikelsen för respektive position. Observera att ju mindre standardavvikelserna blir, desto större måste den andra bli för att kompensera. Som ett resultat, ju mer exakt du känner till ett värde, desto mindre exakt känner du det andra.

    Ytterligare osäkerhetsrelationer inkluderar osäkerhet i ortogonala komponenter i vinkelmoment, osäkerhet i tid och frekvens i signalbehandling, osäkerhet i energi och tid, och så vidare.
    Källan till osäkerhet

    Ett vanligt sätt att förklara orsaken till osäkerhet är att beskriva den i termer av mätning. Tänk på att för att mäta positionen för en elektron, till exempel, kräver att den interagerar med den på något sätt - vanligtvis att slå den med en foton eller annan partikel.

    Men att slå den med fotonen orsakar dess fart att förändras. Inte bara det, det finns en viss felaktighet i mätningen med fotonen associerad med fotonens våglängd. En mer exakt positionsmätning kan uppnås med en kortare våglängdsfoton, men sådana fotoner bär mer energi och kan därför orsaka en större förändring i elektronens momentum, vilket gör det omöjligt att mäta både position och momentum med perfekt noggrannhet.

    Även om mätmetoden verkligen gör det svårt att få värdena på båda samtidigt som beskrivits, är det faktiska problemet mer grundläggande än så. Det är inte bara en fråga om våra mätfunktioner; Det är en grundläggande egenskap hos dessa partiklar att de inte har både en väl definierad position och momentum samtidigt. Skälen ligger i den "våg på en sträng" -analogi som tidigare gjorts.
    Osäkerhetsprincip tillämpad på makroskopiska mätningar.

    En vanlig fråga som folk ställer när det gäller de kvantmekaniska fenomenens konstighet är hur kommer de inte ser jag denna konstighet i skalan av vardagsföremål?

    Det visar sig att det inte är så att kvantmekanik helt enkelt inte gäller större objekt, utan att de konstiga effekterna det är försumbara i stora skalor. Partikelvågdualitet märks till exempel inte i stor skala eftersom materielvågens våglängd blir försvinnande liten, följaktligen det partikelliknande beteendet som dominerar.

    När det gäller osäkerhetsprincipen, överväg hur stort är numret på ojämlikhetens högra sida. ℏ /2 \u003d 5,272859 × 10 -35 kgm 2 /s. Så osäkerheten i position (i meter) gånger osäkerheten i momentum (i kgm /s) måste vara större än eller lika med detta. På makroskopisk skala, när man närmar sig denna gräns, innebär detta omöjliga nivåer av noggrannhet. Exempelvis kan ett objekt på 1 kg mätas som att det har ett momentum på 1.00000000000000000 ± 10 -17 kgm /s medan det är på en position 1.00000000000000000 ± 10 -17 m och fortfarande mer än tillfredsställer ojämlikheten.

    Makroskopiskt är den högra sidan av osäkerhetsjämlikheten relativt så liten att den är försumbar, men värdet är inte försumbart i kvantsystem. Med andra ord: principen gäller fortfarande för makroskopiska objekt - den blir bara irrelevant på grund av deras storlek!

    © Vetenskap http://sv.scienceaq.com