Невизначеність Гейзенберга - двері в мікросвіт

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 рубежі 19-20 століть вчені відкрили двері в невідому область елементарних частинок, а там звична механіка Ньютона дала збій.

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 Δx і швидкості Δv з масою частинки m і постійної Планка h :.

Δx * Δv> 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 позитивне 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 ДЕ і часу Δt:

ΔЕΔt> h

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



ЩЕ ПОЧИТАТИ