Принцип неопределенности гейзенберга в квантовой механике

Необычные последствия соотношения неопределенностей

«Отсутствие покоя»

Это состояние с наименьшей энергией. Как вам уже известно из уроков физики, полная энергия частицы складывается из кинетической и потенциальной E=p²/2m+U⃗(r). Состояние с наиболее низким энергетически запасом соответствует нахождению частицы в минимуме потенциальной энергии с нулевым импульсом. Но это противоречит соотношению неопределенностей, так как оказываются точно заданы координата и импульс. Поэтому в квантовой задаче, в состоянии самой низкой возможной энергии, частица должна иметь «слегка» неопределенную координату и «слегка» неопределенный импульс. Легче представить это как дрожание частицы рядом с положением равновесия. Однако подобная аналогия условна, так как мы рассматриваем исключительно квантовый эффект делокализации частицы.

Нулевые колебания гармонического осциллятора

Из-за условного дрожания частицы рядом с положением равновесия делокализацию квантовой частицы в ее основном состоянии (состояние с наиболее низкой энергией) называют «нулевыми колебаниями».

При точном решении задач об уровнях гармонического осциллятора появляется еще половина кванта энергии, из-за чего уравнение выглядит следующим образом: \(E=ħ\omega(n+1/2).\)

Размах делокализации частицы в пространстве называют амплитудой нулевых колебаний. Можно ее оценить для гармонического осциллятора.

Энергия основного состояния\( \;E0=ħ\omega\) может быть соотнесена с энергией растянутой пружины \(\;kx²/2\). Амплитуда отклонения от положения равновесия \(x=\surd(ħ\omega/k).\) Зная, что частота пружинного маятника \(\omega=\surd(k/m),\) получаем для амплитуды колебаний \(x=4^\surd(ħ²/km)\). Таким образом, чем легче грузик и чем мягче пружина, тем больше амплитуда нулевых колебаний.

Квантовые кристаллы гелия

Очевидно, что амплитуда нулевых колебаний больше, если легче атомы. А чем она больше, тем слабее воздействие между ними. В пример можно привести кристаллы, которые формируются при экстремально низких температурах из атомов гелия. Эти атомы в четыре раза легче кислорода и очень слабо взаимодействуют друг с другом, так как являются инертными. В том случае амплитуда нулевых колебаний близка к межатомному расстоянию. Из-за такой делокализации атомов кристалл не держится: жидкий гелий не замерзает при температурах до абсолютного нуля. Чтобы стабилизировать жесткую фазу, нужно ко всему прочему приложить давление в ~30 атмосфер.

Принцип неопределённости в популярной литературе

Принцип неопределённости часто неправильно[источник не указан 3358 дней] понимается или приводится в популярной прессе. Одна частая неправильная формулировка состоит в том, что наблюдение события изменяет само событие[источник не указан 2627 дней]. Вообще говоря, это не имеет отношения к принципу неопределённости. Почти любой линейный оператор изменяет вектор, на котором он действует (то есть почти любое наблюдение изменяет состояние), но для коммутативных операторов никаких ограничений на возможный разброс значений нет (). Например, проекции импульса на оси x{\displaystyle x} и y{\displaystyle y} можно измерить вместе сколь угодно точно, хотя каждое измерение изменяет состояние системы. Кроме того, в принципе неопределённости речь идёт о параллельном измерении величин для нескольких систем, находящихся в одном состоянии, а не о последовательных взаимодействиях с одной и той же системой.

Другие (также вводящие в заблуждение) аналогии с макроскопическими эффектами были предложены для объяснения принципа неопределённости: одна из них рассматривает придавливание арбузного семечка пальцем. Эффект известен — нельзя предсказать, как быстро или куда семечко исчезнет. Этот случайный результат базируется полностью на хаотичности, которую можно объяснить в простых классических терминах.

В некоторых научно-фантастических рассказах устройство для преодоления принципа неопределённости называют компенсатором Гейзенберга, наиболее известное используется на звездолёте «Энтерпрайз» из фантастического телесериала «Звёздный Путь» в телепортаторе. Однако неизвестно, что означает «преодоление принципа неопределённости». На одной из пресс-конференций продюсера сериала Джина Родденберри спросили «Как работает компенсатор Гейзенберга?», на что он ответил «Спасибо, хорошо!»

В романе «Дюна» Фрэнка Герберта: «Предвиденье, — понял он, — словно луч света, за пределами которого ничего не увидишь, он определяет точную меру… и, возможно, ошибку». Оказывается, и в его провидческих способностях крылось нечто вроде принципа неопределённости Гейзенберга: чтобы увидеть, нужно затратить энергию, а истратив энергию, изменишь увиденное.»

Научный юмор

Необычная природа принципа неопределённости Гейзенберга и его запоминающееся название сделали его источником ряда шуток. Утверждают, что популярной надписью на стенах физического факультета университетских городков является: «Здесь, возможно, был Гейзенберг».

В другой шутке о принципе неопределённости специалиста по квантовой физике останавливает на шоссе полицейский и спрашивает: «Вы знаете, как быстро вы ехали, сэр?» На что физик отвечает: «Нет, но я точно знаю, где я!»

Принцип неопределенности

Тем временем Поль Дирак, совершенно независимо от Геттингенской группы, представил квантовую механику на новом языке операторов. В Цюрихе Эрвин Шредингер применил другой подход и в 1926 году разработал волновую механику — другую форму квантовой механики, которая оказалась, как показал Шредингер, эквивалентной матричному методу.

Но Гейзенберг и другие приверженцы матричной механики сразу же начали борьбу в защиту своей концепции, причем с обеих сторон она принимала все более эмоциональную окраску. Ни одна из сторон не желала пойти на уступки, что означало бы признание профессионального превосходства противников. Сама суть и будущее направление развития квантовой механики стали предметом спора в научном мире.

По крайней мере три события, случившиеся в 1926 году, вызвали у Гейзенберга ощущение пропасти между его идеями и точкой зрения Шредингера. Первое из них — цикл лекций, прочитанный Шредингером в Мюнхене в конце июля и посвященный его новой физике. На этих лекциях молодой Гейзенберг доказывал переполненной аудитории, что теория Шредингера не объясняет некоторых явлений. Однако он не сумел никого убедить и покинул аудиторию в подавленном состоянии. Затем на осенней конференции немецких ученых и врачей Гейзенберг стал свидетелем полной и ошибочной, с его точки зрения, поддержки идей Шредингера.

Наконец, в Копенгагене в сентябре 1926 года между Бором и Шредингером разгорелась дискуссия, в которой ни одна из сторон не добилась успеха. В итоге было признано, что никакую из существующих интерпретаций квантовой механики нельзя считать вполне приемлемой.

А в феврале 1927 года Гейзенберг неожиданно дал нужную интерпретацию квантовой теории в статье «О квантово-теоретическом истолковании кинематических и механических соотношений», посвященной принципу неопределенности.

Согласно принципу неопределенности, одновременное измерение двух так называемых сопряженных переменных, таких как положение (координата) и импульс движущейся частицы, неизбежно приводит к ограничению точности. Чем более точно измерено положение частицы, тем с меньшей точностью можно измерить ее импульс, и наоборот. В предельном случае абсолютно точное определение одной из переменных ведет к полному отсутствию точности при измерении другой.

Совместно с идеями таких светил, как Нильс Бор и Макс Борн, принцип неопределенности Гейзенберга вошел в логически замкнутую систему «копенгагенской интерпретации», которую Гейзенберг и Борн перед встречей ведущих физиков мира в октябре 1927 года объявили полностью завершенной и неизменяемой. Эта встреча, пятая из знаменитых Сольвеевских конгрессов, произошла всего через несколько недель после того, как Гейзенберг стал профессором теоретической физики в Лейпцигском университете. Будучи всего двадцати пяти лет от роду, он стал самым молодым профессором в Германии.

Гейзенбергу удалось сделать Лейпциг новым центром современной теоретической физики вместе с другим учеником Зоммерфельда — Питером Дебаем, который занимал кафедру экспериментальной физики, и Фридрихом Хундом, который стал экстраординарным профессором теоретической физики в 1929 году.

К началу 1930-х новое поколение теоретиков, таких как Феликс Блох, Рудольф Пайерльс, Эдвард Теллер, Виктор Вайскопф, Карл Фридрих фон Вайцзеккер, широко распространило идеи «школы Гейзенберга». В Лейпциг съехались студенты и научные сотрудники со всего мира, в том числе Этторе Майорана из Италии, Ласло Тиса из Венгрии, Сейси Кикути, Синъитиро Томонага и Сатоси Ватанабэ из Японии. Многие из них заработали свои первые академические лавры под руководством Гейзенберга, применив квантовую механику к физике твердого тела.

После визита к Гитлеру Планк убедил Гейзенберга, что физическая профессия будет лучше защищена тихими усилиями за кулисами, чем открытым протестом

dhm.de

После войны

После окончания войны ученый был арестован и отправлен в Англию, но вскоре, в 1946 году, ему разрешили вернуться на родину. Гейзенберг давал различные объяснения своим действиям, которые еще больше способствовали падению его репутации за границей.

Он становится директором Физического института и профессором Геттингенского университета. С 1958 года Гейзенберг был директором Физического университета, а также профессором Мюнхенского университета.

На эти годы приходятся его активные поиски универсального единого описания всех видов материи. Это была грандиозная программа, хотя надо признать, что Гейзенбергу не удалось ее реализовать.

С юных лет проникнутый идеями античной философии, особенно идеями Платона, Гейзенберг пытался найти такое всеохватывающее уравнение, которое бы относилось к «праматерии», частными проявлениями которой и являются, по мысли Гейзенберга, все наблюдаемые частицы. Одну из центральных ролей играли (опять-таки как отражение идей Платона) соображения симметрии, как они понимаются в математике.

Отмеченная многочисленными национальными и международными наградами деятельность Гейзенберга не ограничивалась теоретической физикой

Его перу принадлежат и труды по философии, которой он всегда уделял большое внимание.. Вернер Гейзенберг скончался 1 февраля 1976 года в Мюнхене

Похоронен на кладбище Вальдфридхоф.

Вернер Гейзенберг скончался 1 февраля 1976 года в Мюнхене. Похоронен на кладбище Вальдфридхоф.

Квантовая реальность

Квантовая теория предлагает нам увидеть мир как гигантскую кошачью колыбель отношений, где объекты существуют только в терминах их взаимодействия друг с другом. Ровелли считает, что теория Гейзенберга – это теория о том, как вещи «влияют» друг на друга. Она составляет основу всех современных технологий – от компьютеров до ядерной энергетики, лазеров, транзисторов и МРТ-сканеров.

В своих измышлениях итальянский физик применяет квантовую теорию к различным философиям. Люди существуют благодаря их непрерывному взаимодействию друг с другом; то же самое происходит с атомами и электронами.

Карло Ровелли на лекции в Риме / Marco Tambara/Wikipedia

Итак, возьмем электрон, который испускается в точке А и обнаруживается в точке В. Можно было бы предположить, что электрон следует по траектории (как автомобиль из точки А в точку В), однако чтобы объяснить экспериментальные наблюдения, Гейзенберг отверг понятие траектории электрона. А полученная в результате квантовая теория имеет дело с вероятностями и позволяет рассчитать вероятность нахождения электрона в точке B.

При этом, мы ничего не знаем о пути, по которому движется электрон. В своей самой строгой форме квантовая теория и вовсе отрицает какую-либо реальность электрона до тех пор, пока он не будет обнаружен (что приводит некоторых к утверждению, что сознательный наблюдатель каким-то образом создает реальность).

Интерпретации

Альберту Эйнштейну принцип неопределённости не очень понравился, и он бросил вызов Нильсу Бору и Вернеру Гейзенбергу известным мысленным экспериментом (См. дебаты Бор-Эйнштейн для подробной информации): заполним коробку радиоактивным материалом, который испускает радиацию случайным образом. Коробка имеет открытый затвор, который немедленно после заполнения закрывается при помощи часов в определённый момент времени, позволяя уйти небольшому количеству радиации. Таким образом, время уже точно известно. Мы всё ещё хотим точно измерить сопряжённую переменную энергии. Эйнштейн предложил сделать это, взвешивая коробку до и после. Эквивалентность между массой и энергией по специальной теории относительности позволит точно определить, сколько энергии осталось в коробке. Бор возразил следующим образом: если энергия уйдёт, тогда полегчавшая коробка сдвинется немного на весах. Это изменит положение часов. Таким образом часы отклоняются от нашей неподвижной системы отсчёта, и по специальной теории относительности, их измерение времени будет отличаться от нашего, приводя к некоторому неизбежному значению ошибки. Детальный анализ показывает, что неточность правильно даётся соотношением Гейзенберга.

В пределах широко, но не универсально принятой Копенгагенской интерпретации квантовой механики принцип неопределённости принят на элементарном уровне. Физическая вселенная существует не в детерминистичной форме, а скорее как набор вероятностей, или возможностей. Например, картина (распределение вероятности), произведённая миллионами фотонов, дифрагирующими через щель, может быть вычислена при помощи квантовой механики, но точный путь каждого фотона не может быть предсказан никаким известным методом. Копенгагенская интерпретация считает, что это не может быть предсказано вообще никаким методом.

Именно эту интерпретацию Эйнштейн подвергал сомнению, когда писал Максу Борну: «Бог не играет в кости». Нильс Бор, который был одним из авторов Копенгагенской интерпретации, ответил: «Эйнштейн, не говорите Богу, что делать».

Эйнштейн был убеждён, что эта интерпретация была ошибочной. Его рассуждение основывалось на том, что все уже известные распределения вероятности являлись результатом детерминированных событий. Распределение подбрасываемой монеты или катящейся кости может быть описано распределением вероятности (50 % орёл, 50 % решка). Но это не означает, что их физические движения непредсказуемы. Обычная механика может вычислить точно, как каждая монета приземлится, если силы, действующие на неё, будут известны, а орлы/решки будут всё ещё распределяться случайно (при случайных начальных силах).

Эйнштейн предполагал, что в квантовой механике существуют скрытые переменные, которые лежат в основе наблюдаемых вероятностей.

Ни Эйнштейн, ни кто-либо ещё с тех пор не смог построить удовлетворительную теорию скрытых переменных, и неравенство Белла иллюстрирует некоторые очень тернистые пути в попытке сделать это. Хотя поведение индивидуальной частицы случайно, оно также скоррелировано с поведением других частиц. Поэтому, если принцип неопределённости — результат некоторого детерминированного процесса, то получается, что частицы на больших расстояниях должны немедленно передавать информацию друг другу, чтобы гарантировать корреляции в своём поведении.

Взаимодействия объектов и пространство-время

Итак, если рассматривать пространство и время как сумму расстояний и длительностей между всеми объектами и событиями мира и убрать из уравнения содержимое Вселенной, то мы автоматически «удалим» и пространство и время. Это «реляционный» взгляд на пространство-время: они являются только пространственными и временными отношениями между объектами и событиями. Реляционный взгляд на пространство и время был ключевым источником вдохновения для Эйнштейна, когда он разработал общую теорию относительности.

Наше понимание пространства-времени вряд ли можно назвать полноценным.

Ровелли использует эту идею для понимания квантовой механики. Он утверждает, что объекты квантовой теории, такие как фотон, электрон или другая фундаментальная частица, являются не чем иным, как свойствами, которые они проявляют при взаимодействии с другими объектами – по отношению к ним. Эти свойства квантового объекта определяются с помощью эксперимента и включают такие вещи, как положение объекта, импульс и энергия. Вместе они составляют состояние объекта.

Гейзенберг и бомба

После начала Второй мировой войны нацистское правительство поручило Гейзенбергу научное руководство Институтом физики имени кайзера Вильгельма в Берлине, вместе с Отто Ганом. Институт находился в ведении армейского управления боеприпасов из-за его центральной роли в координации секретного уранового проекта. Вместе с другими учеными-ядерщиками, называвшими себя «урановым клубом», Гейзенберг начал исследовать возможное использование в военное время открытого Ганом ядерного распада. В частности, ядерные реакторы для подлодок и возможность создания новой бомбы, которая «на несколько порядков превосходит взрывную мощь сильнейших взрывчатых веществ», как утверждал Гейзенберг в своем раннем докладе в декабре 1939 года.

По сей день физики и историки физики спорят о мотивах Гейзенберга и его роли в этой работе.

 Марк Уокер, автор исследований по истории ядерных исследований в Германии времен Второй мировой войны утверждает, что не отношение Гейзенберга к проекту определило ход проекта атомной бомбы, а то, что армейское управление боеприпасов потеряло к нему интерес в 1942 году

Согласно одной из версий, отстаиваемой отдельно журналистами Робертом Юнгом и Томасом Пауэрсом, Гейзенберг намеренно задерживал продвижение проекта, поскольку ему претила мысль об атомной бомбе в руках Гитлера. Но историк Пол Роуз придерживается противоположной точки зрения. Он считает, что Гейзенберг упорно пытался построить атомную бомбу, но потерпел неудачу. Собственная версия Гейзенберга состояла в том, что он и другие ученые из «уранового клуба» были избавлены от этого решения, потому что они не добились достаточного прогресса из-за обстоятельств войны.

Марк Уокер, автор исследований по истории ядерных исследований в Германии времен Второй мировой войны, утверждает, что не отношение Гейзенберга к проекту определило ход проекта атомной бомбы, а то, что армейское управление боеприпасов потеряло к нему интерес в 1942 году, потому что проект не мог дать результатов достаточно скоро, чтобы повлиять на исход войны.

Рассмотрим диалог между А и Б.

А: Посмотри на эту картинку.

А: Что на ней изображено? Б: Волна! А: Правильно, а какова ЧАСТОТА этой волны? Б: Два колебания на единицу! А: Правильно, а каково МЕСТОПОЛОЖЕНИЕ этой волны? Б: УПС!!!! Волна-то длинная, бесконечная, она простирается от 0 до 10, то есть, она везде! А: Чтож, верно!

А: А теперь посмотри на эту картинку.

А: На ней что изображено? Б: Ну, вроде тоже волна! А: Да, верно, но ты уже не уверен! А какова ее частота? Б: Ну, вроде, полтора колебания на единицу, или меньше! А: Да, почти так! А каково местоположение этой волны? Б: Ну, примерно между 4 и 6, в районе 5, короче! А: Ага! Уже можешь сказать, да? Б: Ну, вроде. А: Хорошо.

А: А теперь последняя картинка!

А: На ней-то что? Б: Волна? А: Ага, она самая! Можешь сказать, где она расположена! Б: Ой, могу! На цифре 3! А: Молодец! А теперь тебе вопрос, на который ты раньше хорошо отвечал: какова частота-то этой волны? Б: Ух ты! Не знаю! Волна-то стала короткая и частота уже не поймешь какая, материала не хватает!

«Может быть, вы что-то знаете»

Отец Вернера, профессор средневековой и современной греческой филологии, ратовал за разностороннее образование. В 1911 году Вернер поступил в Максимилиановскую гимназию, где больше всего его привлекла математика и иностранные языки, в том числе санскрит. Отец во всем поддерживал его. Когда через два года Вернер заинтересовался дифференциальным исчислением и попросил отца принести ему книги по математике из университетской библиотеки, тот принес ему трактат Кронекера на латинском языке. Изучение математики и языка шло параллельно.

Когда в октябре 1920 года Гейзенберг поступил в Мюнхенский университет, физика не была его первым выбором. Будучи блестяще успешным в средней школе, он намеревался изучать математику. Отец Гейзенберга договорился о встрече с известным математиком Фердинандом фон Линдеманном. Но беседа не прошла гладко. Линдеманну тогда было шестьдесят восемь лет, он был частично глух и едва понимал, что говорил Гейзенберг. И из того, что он понял, он заключил, что неортодоксальный подход молодого человека к математике ему не по вкусу.

 Когда Вернер заинтересовался дифференциальным исчислением и попросил отца принести ему книги, тот принес ему трактат Кронекера на латинском языке. Изучение математики и языка шло параллельно

После этого отец Гейзенберга обратился к физику Арнольду Зоммерфельду. Имея опыт общения с исключительными студентами, Зоммерфельд, которому тогда было пятьдесят два года, ответил иначе: «Может быть, вы что-то знаете; может быть, вы ничего не знаете. Посмотрим».

У Зоммерфельда Гейзенберг познакомился с близкими по духу студентами, одним из которых был двадцатилетний Вольфганг Паули. Имена учеников Зоммерфельда читаются как выдержка из книги о знаменитых физиках-теоретиках. Вот лишь некоторые из них: Альфред Ланде, Петер Пауль Эвальд, Карл Герцфельд, Грегор Вентцель, Отто Лапорт, Адольф Кратцер, Вильгельм Ленц.

В то время Зоммерфельд был уже глубоко погружен в атомную теорию. В 1915 году он расширил атомную модель Бора, а год спустя опубликовал работу по атомным спектрам, которая была проверена спектроскопистом Фридрихом Пашеном — Зоммерфельд интенсивно переписывался с ним во время Первой мировой войны. Его работа «Строение атома и спектры», впервые опубликованная в 1919 году, была переиздана четыре раза.

Зоммерфельд вскоре оценил таланты своего нового ученика. В 1922 году он сделал 21-летнего Гейзенберга соавтором двух работ — по атомной теории рентгеновских спектров и по так называемому аномальному эффекту Зеемана.

В 1921 году Зоммерфельд согласился с тем, что Гейзенберг может сам опубликовать статью об аномальном эффекте Зеемана, хотя он скептически относился к физической основе теории Гейзенберга. «Его модель Зеемана обычно встречает противодействие, особенно у Бора», — писал Зоммерфельд в письме Эпштейну. «Но я нахожу его успех настолько огромным, что я отозвал все свои оговорки».

Будущие Нобелевские лауреаты по физике Энрико Ферми (1938 г.), Вернер Гейзенберг (1932 г.) и Вольфганг Паули (1945 г.)

researchgate.net

Конец диалога

Теперь давайте ПОПРОБУЕМ представить себе НАРИСОВАННУЮ волну, которая ОДНОВРЕМЕННО была бы и где-то четко локализована и частоту четкую имела бы! Ну как? Не выходит?

А почему? Что, запрет какой-то или что? Гейзенберг, гад, в мозги залез и гипнотизирует?

Нет!

Просто мир такой! Бывает и такое! Просто бывает, и все, и нет в этом ничего удивительного!

Просто некоторые величины в физике, с которыми мы давно знакомы, оказались проявлениями вот таких вот штуковин, как я описал выше.

Например, если вещество – это просто складки на пространстве-времени, а координаты – это местоположение складок, а импульс – частота складок, то ясный пень, невозможно одновременно определить точно и координату и импульс!

Краткий обзор

Соотношения неопределённостей Гейзенберга являются теоретическим пределом точности одновременных измерений двух некоммутирующих наблюдаемых. Они справедливы как для идеальных измерений, иногда называемых измерениями фон Неймана, так и для неидеальных измерений.

Согласно принципу неопределённости у частицы не могут быть одновременно точно измерены положение и скорость (импульс). Принцип неопределённости уже в виде, первоначально предложенном Гейзенбергом, применим и в случае, когда не реализуется ни одна из двух крайних ситуаций (полностью определённый импульс и полностью неопределённая пространственная координата или полностью неопределённый импульс и полностью определённая координата).

Пример: частица с определённым значением энергии, находящаяся в коробке с идеально отражающими стенками; она не характеризуется ни определённым значением импульса (учитывая его направление!), ни каким-либо определённым «положением» или пространственной координатой (волновая функция частицы делокализована в пределах всего пространства коробки, то есть её координаты не имеют определённого значения, локализация частицы осуществлена не точнее размеров коробки).

Соотношения неопределённостей не ограничивают точность однократного измерения любой величины (для многомерных величин тут подразумевается в общем случае только одна компонента). Если её оператор коммутирует сам с собой в разные моменты времени, то не ограничена точность и многократного (или непрерывного) измерения одной величины. Например, соотношение неопределённостей для свободной частицы не препятствует точному измерению её импульса, но не позволяет точно измерить её координату (это ограничение называется стандартный квантовый предел для координаты).

Соотношение неопределённостей в квантовой механике в математическом смысле есть прямое следствие некоего свойства преобразования Фурье.

Существует точная количественная аналогия между соотношениями неопределённости Гейзенберга и свойствами волн или сигналов. Рассмотрим переменный во времени сигнал, например, звуковую волну. Бессмысленно говорить о частотном спектре сигнала в какой-либо момент времени. Для точного определения частоты необходимо наблюдать за сигналом в течение некоторого времени, таким образом теряя точность определения времени. Другими словами, звук не может одновременно иметь и точное значение времени его фиксации, как его имеет очень короткий импульс, и точного значения частоты, как это имеет место для непрерывного (и в принципе бесконечно длительного) чистого тона (чистой синусоиды). Временно́е положение и частота волны математически полностью аналогичны координате и квантово-механическому импульсу частицы. Что совсем не удивительно, если вспомнить, что px=ℏkx,{\displaystyle p_{x}=\hbar k_{x},} то есть импульс в квантовой механике, — это и есть пространственная частота вдоль соответствующей координаты.

В повседневной жизни, наблюдая макроскопические объекты или микрочастицы, перемещающиеся в макроскопических областях пространства, мы обычно не замечаем квантовую неопределённость потому, что значение ℏ{\displaystyle \hbar } чрезвычайно мало, поэтому являющиеся следствием соотношений неопределённости эффекты настолько ничтожны, что не улавливаются измерительными приборами или органами чувств.

Открытия и вклады

Матричная механика

Первые модели квантовой механики были созданы Альбертом Эйнштейном, Нильсом Бором и другими важными учеными. Позже группа молодых физиков разработала антиклассические теории, основанные на экспериментах, а не на интуиции, используя гораздо более точные языки..

В 1925 году Гейзенберг был первым, кто выполнил одну из самых полных математических формулировок квантовой механики. Идея Гейзенберга заключалась в том, что с помощью этого уравнения можно предсказать интенсивность фотонов в различных полосах спектра водорода..

Эта формулировка основана на том факте, что любая система может быть описана и измерена с помощью научных наблюдений и измерений, адаптированных к теории матриц. В этом смысле матрицы представляют собой математические выражения для связи данных из явления.

Принцип неопределенности

Квантовая физика часто сбивает с толку, потому что то, что определяется, заменяется вероятностями. Например, частица может находиться в одном месте или другом, или даже в обоих одновременно; Вы можете оценить свое местоположение только с помощью вероятностей.

Это квантовое замешательство можно объяснить благодаря принципу неопределенности Гейзенберга. В 1927 году немецкий физик объяснил свой принцип, измерив положение и движение частицы. Например, импульс объекта — это его масса, умноженная на его скорость..

Учитывая этот факт, принцип неопределенности указывает на то, что нельзя с абсолютной уверенностью знать положение и движение частицы. Гейзенберг подтвердил, что существует предел того, насколько хорошо можно узнать положение и импульс частицы, даже используя его теорию.

Для Гейзенберга, если вы очень точно знаете позицию, вы можете иметь только ограниченную информацию о вашем импульсе.

Нейтрон-протонная модель

Протон-электронная модель представляла определенные проблемы. Хотя было принято, что атомное ядро ​​состоит из протонов и нейтронов, природа нейтрона не была ясна.

После открытия нейтрона Вернер Гейзенберг и советско-украинский физик Дмитрий Иваненко предложили модель протонов и нейтронов для ядра, в 1932 году.

Документы Гейзенберга касаются подробного описания протонов и нейтронов внутри ядра с помощью квантовой механики. Предполагалось также наличие ядерных электронов отдельно от нейтронов и протонов..

В частности, он предположил, что нейтрон представляет собой протон-электронное соединение, для которого нет квантово-механического объяснения.

Хотя модель нейтрон-протон решала многие проблемы и расшифровывала некоторые вопросы, было проблемой объяснить, как электроны могут исходить из ядра. Тем не менее, благодаря этим открытиям, изображение атома изменилось и значительно ускорило открытия атомной физики.

Избранное

См. также

Слезы Гейзенберга

Евгений Беркович • Библиотека • «Троицкий вариант» №25, 2019

«Квант». Глава из книги

2013 • Манжит Кумар • Книжный клуб • Главы

О достоверности воспоминаний

23.04.2018 • Евгений Беркович • Библиотека

Эпизоды «революции вундеркиндов»

Евгений Беркович • Библиотека • «Наука и жизнь» №9, 2018

Эпизоды «революции вундеркиндов» (продолжение)

Евгений Беркович • Библиотека • «Наука и жизнь» №10, 2018

«Космос Эйнштейна». Глава из книги

2015 • Мичио Каку • Книжный клуб • Главы

75 лет вопросу Шрёдингера «What is life?»

Кирилл Мошков • Библиотека • «Троицкий вариант» №9, 2019

Сказка о физике Вернере Гейзенберге, который ничего не знал наверняка

Ник. Горькавый • Библиотека • «Наука и жизнь» №6, 2016

Сказка о молчаливом Поле Дираке, открывшем мир античастиц

Ник. Горькавый • Библиотека • «Наука и жизнь» №3, 2016

Поль Дирак: сплошные анекдоты

Виталий Мацарский • Библиотека • «Троицкий вариант» №5, 2019

«Играют ли коты в кости?». Глава из книги

2016 • Пол Хэлперн (Халперн) • Книжный клуб • Главы

Столетие ОТО, или Юбилей «Первой ноябрьской революции»

25.11.2015 • Алексей Левин • Новости науки

«Идеальная теория». Глава из книги

2014 • Педро Феррейра • Книжный клуб • Главы

«Мир по Эйнштейну». Глава из книги

2015 • Тибо Дамур • Книжный клуб • Главы

Разгневанный Эйнштейн и «темный» рецензент

Виталий Мацарский • Библиотека • «Троицкий вариант» №16, 2016

Последняя трубка Эйнштейна

Виталий Мацарский • Библиотека • «Троицкий вариант» №19, 2016

завод

Физические основы квантовой теории

Физические основы квантовой теории Это была книга, написанная Вернером Гейзенбергом, впервые опубликованная в 1930 году благодаря Чикагскому университету. Позже, в 1949 году, новая версия была перепечатана для успеха.

Немецкий физик написал эту книгу с намерением обсудить квантовую механику простым способом, с небольшим техническим языком, чтобы обеспечить быстрое понимание этой науки.

Книга цитировалась более 1200 раз в ссылках и важных официальных источниках. Структура работы основана в основном на быстром и простом обсуждении квантовой теории и ее принципа неопределенности.

Физика и философия

Физика и философия Он состоял из оригинальной работы, кратко написанной Вернером Гейзенбергом в 1958 году. В этой работе Гейзенберг объясняет события революции в современной физике на основе своих выдающихся статей и статей..

Гейзенберг был известен тем, что на протяжении своей научной карьеры читал бесчисленные лекции и беседы о физике. В этом смысле эта работа представляет собой сборник всех разговоров, связанных с открытиями немецкого ученого: принцип неопределенности и модель атома.

Физика и не только

Физика и не только была книга, написанная Вернером Гейзенбергом в 1969 году, которая рассказывает историю атомных исследований и квантовой механики из его опыта.

Книга рассказывает о дебатах Гейзенберга и других его коллег того времени по различным научным темам. Этот текст включает беседы с Альбертом Эйнштейном.

Намерение Гейзенберга состояло в том, чтобы у читателя могло возникнуть ощущение, что он лично слышит от разных признанных физиков, таких как Нильс Бор или Макс Планк, не только говорящих о физике, но и о других темах, связанных с философией и политикой; отсюда и название книги.

Кроме того, в работе рассказывается о появлении квантовой физики и описывается среда, в которой они жили, с подробными описаниями ландшафтов и их образования в природе, характерной для того времени..

Копилка

  • Как на крыльях бабочек создается защитное изображение змеи

    Бабочки, конечно, ничего не знают о змеях. Зато о них знают птицы, охотящиеся на бабочек. Птицы, плохо распознающие змей, чаще становятся…

  • Если octo на латыни «восемь», то почему октава содержит семь нот?

    Октавой называется интервал между двумя ближайшими одноименными звуками: до и до, ре и ре и т. д. С точки зрения физики «родство» этих…

  • Почему важных особ называют августейшими?

    В 27 году до н. э. римский император Октавиан получил титул Август, что на латыни означает «священный» (в честь этого же деятеля, кстати,…

  • Чем пишут в космосе

    Известная шутка гласит: «NASA потратило несколько миллионов долларов, чтобы разработать специальную ручку, способную писать в космосе….

  • Почему основа жизни — углерод?

    Известно порядка 10 миллионов органических (то есть основанных на углероде) и лишь около 100 тысяч неорганических молекул. Вдобавок…

  • Почему кварцевые лампы синие?

    В отличие от обычного стекла, кварцевое пропускает ультрафиолет. В кварцевых лампах источником ультрафиолета служит газовый разряд в парах ртути. Он…

  • Почему дождь иногда льет, а иногда моросит?

    При большом перепаде температур внутри облака возникают мощные восходящие потоки. Благодаря им капли могут долго держаться в воздухе и…