Что такое принцип неопределённости Гейзенберга? — Чад Орзел

Посмотреть урок полностью: http://ed.ted.com/lessons/what-is-the-heisenberg-uncertainty-principle-chad-orzel

Принцип неопределённости Гейзенберга утверждает, что нельзя знать одновременно точное положение и точную скорость объекта. Почему? Потому что всё во вселенной одновременно ведёт себя и как частица, и как волна. Чад Орзел будет нашим проводником в этой сложной концепции квантовой физики.

Автор урока: Чад Орзел, анимация: Хенрик Мальмгрен.

Принцип неопределённости Гейзенберга —
одна из немногих идей

квантовой физики, которые
проникли в массовое сознание.

Принцип гласит, что невозможно
одновременно знать и точное положение,

и точную скорость объекта,
и как метафора встречается повсюду —

от литературоведения
до спортивных комментариев.

Неопределённость часто считается
следствием самого измерения:

измерение положения объекта
меняет его скорость, и наоборот.

Но настоящая причина
гораздо глубже и удивительнее.

Принцип неопределённости существует,
потому что всё во Вселенной

ведёт себя одновременно
и как волна, и как частица.

В квантовой механике точное место
и точная скорость объекта

не имеют смысла.

Чтобы это понять,

надо разобраться, что значит
вести себя как волна или как частица.

По определению, в любой момент времени
частица находится только в одном месте.

На графике вероятности нахождения
объекта в определённом месте

это выглядит как пик:

100% в одной точке,
ноль во всех остальных.

Волна же — это возмущение,
распространяющееся в пространстве,

как рябь на поверхности водоёма.

Можно чётко распознать
общие признаки волн

и, что ещё важнее, длину одной волны,

то есть расстояние между соседними пиками

или соседними ложбинами.

Но при этом нельзя указать
её точное местонахождение.

У неё всегда есть вероятность
находиться во многих местах.

Для квантовой физики
длина волны так важна,

потому что она связана
с импульсом объекта —

массой, умноженной на скорость.

Быстро движущийся объект
обладает больши́м импульсом,

который соответствует
очень малой длине волны.

Объект с большой массой имеет большой
импульс, даже если не движется быстро,

что опять-таки соответствует
малой длине волны.

Вот почему мы не замечаем
волновой природы привычных объектов.

У бейсбольного мяча в воздухе

длина волны в одну миллиардную
от триллионной триллионной метра

слишком мала даже для обнаружения.

А у таких маленьких тел,
как атомы и электроны,

длину волны вполне можно измерить
экспериментальным путём.

Итак, у волны можно измерить её длину,

а значит и её импульс,
но чёткого местонахождения у неё нет.

Мы можем точно определить
положение частицы,

но длины волны у неё нет,
а значит, неизвестен и её импульс.

Чтобы у частицы были
и положение, и импульс,

надо совместить обе картинки,

получив на графике волну,
но на очень маленьком отрезке.

Как это сделать?

Путём сложения волн
с разными длинами,

что обеспечит вероятность наличия
у квантового объекта различных импульсов.

При сопоставлении двух волн
мы видим, что в местах,

где пики совпадают,
образуется бо́льшая волна,

а в других местах пик одной волны
заполняет ложбину другой.

В результате участки с волнами

чередуются с промежутками, где ничего нет.

При добавлении третьей волны

промежутки, где волны гасят друг друга,
становятся длиннее.

С четвёртой они ещё больше удлиняются,
а участки с волнами сужаются.

Если продолжать добавлять волны,
можно получить волновой пакет

с определённой длиной волны
на одном малом участке.

Это квантовый объект, имеющий природу
как волны, так и частицы,

но добившись этого,
мы лишаемся определённости

относительно как положения,
так и импульса.

Положение теперь
не ограничивается одной точкой.

Существует вероятность его
нахождения в некоторой области

вокруг центра волнового пакета,

полученного путём
сложения множества волн,

а значит, имеется некая
вероятность его обнаружения

по импульсу, соответствующему
любой из них.

Теперь и положение, и импульс
являются неопределёнными,

и эти неопределённости взаимосвязаны.

Чтобы уменьшить неопределённость положения

за счёт уменьшения волнового пакета,
надо добавить больше волн,

но это увеличит неопределённость импульса.

А чтобы точнее определить импульс,
нужен бо́льший волновой пакет,

что увеличит неопределённость положения.

Это и есть
принцип неопределённости Гейзенберга,

впервые сформулированный немецким физиком
Вернером Гейзенбергом ещё в 1927 г.

Эта неопределённость — не следствие
несовершенства измерений,

а неизбежный результат объединения
свойств волны и частицы.

Принцип неопределённости — это не просто
объективный предел самих измерений.

Это предел совместимости свойств,
присущих одному объекту,

являющийся фундаментальным принципом
организации самой Вселенной.