Czym jest zasada nieokreśloności Heisenberga? - Chad Orzel

Zobacz całą lekcję: http://ed.ted.com/lessons/what-is-the-heisenberg-uncertainty-principle-chad-orzel

Zgodnie z zasadą nieokreśloności Heisenberga nie można równocześnie znać dokładnego położenia i prędkości obiektu. Czemu nie? Bo wszystko we wszechświecie zachowuje się równocześnie jak cząstka i jak fala. Po tej koncepcji fizyki kwantowej nawiguje Chad Orzel.

Lekcja: Chad Orzel, animacja: Henrik Malmgren.

Zasada nieokreśloności Heisenberga
jest jedną z niewielu koncepcji

fizyki kwantowej, które przeniknęły
do kultury popularnej.

Według niej nie można jednocześnie
określić dokładnego położenia

i dokładnej prędkości obiektu,
co jako metafora pojawia się wszędzie,

od krytyki literackiej
po komentarz sportowy.

Nieokreśloność tłumaczy się
często wynikiem pomiaru.

Pomiar położenia obiektu
zmienia jego prędkość, i odwrotnie.

Przyczyna tkwi głębiej
i jest bardziej niezwykła.

Zasada nieokreśloności istnieje,
bo wszystko we wszechświecie

zachowuje się równocześnie
jak cząstka i fala.

W mechanice kwantowej
dokładne położenie i prędkość obiektu

nie mają znaczenia.

Aby to zrozumieć,

trzeba pomyśleć, co oznacza
zachowywać się jak cząstka albo fala.

Cząstki z definicji istnieją
w jednym miejscu w czasie.

Można to pokazać na wykresie
prawdopodobieństwa znalezienia

obiektu w określonym miejscu,
który wygląda jak iglica,

w 100% w jednym miejscu,
i nigdzie indziej.

Za to fale są zaburzeniami
rozchodzącymi się w przestrzeni

jak kręgi po powierzchni stawu.

Można wyraźnie określić
wzór fali jako całości,

a przede wszystkim jej długość,

czyli odległość między dwoma
sąsiadującymi grzbietami

albo dwoma sąsiadującymi dolinami,

ale nie można przypisać im
jednego położenia.

Istnieje spore prawdopodobieństwo,
że będą w wielu różnych miejscach.

Długość fali jest bardzo ważna
w fizyce kwantowej,

bo długość fali obiektu
jest związana z jego pędem,

czyli iloczynem masy i prędkości.

Szybko poruszający się obiekt
ma większy pęd,

który odpowiada
bardzo krótkiej długości fali.

Ciężki obiekt ma większy pęd,
nawet nieporuszając się bardzo szybko,

co z kolei także oznacza
bardzo krótką długość fali.

Dlatego nie dostrzegamy na co dzień
natury fali w przedmiotach.

Jeśli podrzucisz piłkę do bejsbola,

długość fali wynosi
maciupeńką część metra,

zbyt małą, aby móc ją wykryć.

Długość fali małych obiektów,
jak atomy czy elektrony,

jest na tyle duża, że można ją zmierzyć
w eksperymentach fizycznych.

Można zmierzyć
długość i pęd czystej fali,

ale nie jej położenie.

Można dokładnie
określić położenie cząstki,

ale bez długości fali, nie znamy jej pędu.

Żeby uzyskać cząstkę
posiadająca położenie i pęd,

trzeba połączenia dwóch obrazów,

żeby powstał wykres z falami,
ale tylko na małej przestrzeni.

Jak to zrobić?

Łącząc fale o różnych długościach,

czyli dając obiektom kwantowym
szansę na różne pędy.

Dodając dwie fale, odkrywamy miejsca,

gdzie grzbiety pokrywają się,
dając większą falę,

oraz gdzie grzbiety wypełniają doliny.

Efektem są przestrzenie

z falami oddzielonymi miejscami,
w których nie ma nic.

Jeśli dodamy trzecią falę,

miejsca, w których fale
znosiły się, powiększają się.

Przy czwartej nadal rosną,
a przestrzenie fal stają się węższe.

Dodając kolejne, otrzymamy pakiet falowy

o wyraźnej długości fali
na jednej małej przestrzeni.

To obiekt kwantowy
o dwoistej naturze fali i cząstki,

ale żeby to osiągnąć,
trzeba zapomnieć o określoności,

zarówno położenia jak i pędu.

Położenie nie jest
ograniczone do punktu.

Istnieje prawdopodobieństwo
znalezienia go w pewnym przedziale

środka pakietu falowego,

tworzonego przez dodawanie wielu fal,

co oznacza możliwość znalezienie go

z pędem odpowiadającym którejś z fal.

Zarówno położenie jak i pęd
są teraz nieokreślone

a ich nieokreśloności
są od siebie zależne.

Chcąc zredukować nieokreśloność położenia,

tworząc mniejszy pakiet falowy,
trzeba dodać więcej fal,

co zwiększa nieokreśloność pędu.

Chcąc lepiej określić pęd,
potrzeba większego pakietu falowego,

co zwiększa nieokreśloność położenia.

To jest właśnie zasada nieokreśloności,

którą sformułował niemiecki fizyk,
Werner Heisenberg, w 1927 roku.

Nieokreśloność nie jest kwestią
dobrego albo złego pomiaru,

ale nieuniknionym skutkiem
połączenia istoty cząstki i fali.

Zasada nieokreśloności nie jest
jedynie ograniczeniem pomiaru.

To ograniczenie właściwości,
jakie może posiadać obiekt,

wbudowane w fundamentalną
strukturę wszechświata.