Невизначеності - двері в мікросвіт

Відео: Демон Максвелла

Коли молодий Макс Планк сказав своєму вчителеві, що хоче далі займатися теоретичною фізикою, той, посміхнувшись, запевнив його, що як раз там вченим вже робити нічого - залишилося тільки «підчистити шорсткості». На жаль! Зусиллями Планка, Нільса Бора, Ейнштейна, Шредінгера і ін. Все стає з ніг на голову, причому так грунтовно, що назад не повернешся, і попереду бездоріжжя. Далі - більше: серед загального теоретичного хаосу раптом з`являється, наприклад, невизначеність Гейзенберга. Як то кажуть, цього нам тільки не вистачало. На зламі 19-20 століть вчені відкрили двері в невідому область елементарних частинок, а там звична механіка Ньютона дала збій.

Відео: ESCAPE1

Здавалося б, «до того», всі добре - ось фізичне тіло, ось його координати. У «нормальної фізики» завжди можна взяти стрілу і точно «ткнути» її в «нормальний» об`єкт, навіть рухається. Промах, теоретично, виключається - закони Ньютона не помиляються. Але ось об`єкт дослідження стає все менше - зернятко, молекула, атом. Спочатку зникають точні контури об`єкта, потім в його описі з`являються імовірнісні оцінки середньостатистичних швидкостей для молекул газу, і, нарешті, координати молекул стають «середньостатистичними", а про молекулу газу можна сказати: знаходиться чи то тут, то там, але, найімовірніше , десь в цій області. Пройде час і проблему вирішить невизначеність Гейзенберга, але це потім, а зараз… Спробуйте потрапити «теоретичної стрілою» в об`єкт, якщо він знаходиться «в області найбільш ймовірних координат». Слабо? А що ж це за об`єкт, які у нього розміри, форми? Тут питань було більше, ніж відповідей.

А як бути з атомом? Добре нині відома планетарна модель була запропонована в 1911 році і відразу ж викликала масу питань. Головний з них: як на орбіті тримається негативний електрон і чому він не падає на позитивне ядро? Як зараз кажуть - гарне питання. Слід зауважити, що всі теоретичні викладки в цей час проводилися на базі класичної механіки - невизначеність Гейзенберга ще не зайняла почесне місце в теорії атома. Саме цей факт не дозволяв вченим зрозуміти сутність механіки атома. «Спас» атом Нільс Бор - він подарував йому стабільність своїм припущенням, що у електрона є орбітальні рівні, перебуваючи на яких він не випромінює енергію, тобто не втрачає її і не падає на ядро.

Дослідження питання безперервності енергетичних станів атома вже дало поштовх розвитку абсолютно нової фізики - квантової, початок якій поклав Макс Планк ще в 1900 році. Він відкрив явище квантування енергії, а Нільс Бор знайшов йому застосування. Однак в подальшому виявилося, що описувати модель атома класичної механікою зрозумілого нам макросвіту абсолютно неправомірно. Навіть час і простір в умовах квантового світу набуває зовсім інший зміст. До цього часу спроби фізиків-теоретиків дати математичну модель планетарного атома закінчувалися багатоповерховими і безрезультатними рівняннями. Проблему вдалося вирішити, використовуючи співвідношення невизначеності Гейзенберга. Це дивно скромне математичний вираз пов`язує невизначеності просторової координати &Delta-x і швидкості &Delta-v з масою частинки m і постійної Планка h :.

&Delta-x * &Delta-v gt; h / m

Звідси випливає принципова різниця мікро- і макросвіту: координати і швидкості частинок в мікросвіті не визначаються в конкретному виді - вони мають імовірнісний характер. З іншого боку, принцип Гейзенберга в правій частині нерівності містить цілком конкретне додатне значення, з чого випливає, що виключається нульове значення хоча б однієї з невизначеностей. На практиці це означає, що швидкість і положення частинок в субатомному світі визначається завжди з похибкою, і вона ніколи не буває нульовий. У точно такому ж ракурсі невизначеність Гейзенберга пов`язує інші пари пов`язаних характеристик, наприклад, невизначеності енергії &Delta-Е і часу &Delta-t:

&Delta-Е&Delta-t gt; h

Суть цього виразу в тому, що неможливо одночасно виміряти енергію атомної частки і момент часу, в який вона її має, без невизначеності її значення, оскільки вимір енергії займає деякий час, протягом якого енергія випадковим чином зміниться.