Epävarmuusperiaate on mikromaailman peruslaki. Sitä voidaan pitää täydentävyysperiaatteen erityisenä ilmaisuna.

Klassisessa mekaniikassa hiukkanen liikkuu tiettyä liikerataa pitkin ja milloin tahansa on mahdollista määrittää tarkasti sen koordinaatit ja liikemäärä. Mitä tulee mikrohiukkasiin, tämä ajatus on virheellinen. Mikrohiukkasella ei ole selkeästi määriteltyä liikerataa, sillä on sekä hiukkasen että aallon ominaisuudet (aalto-partikkeli-kaksoisisuus). Tässä tapauksessa käsitteellä "aallonpituus tietyssä pisteessä" ei ole fyysistä merkitystä, ja koska mikrohiukkasen liikemäärä ilmaistaan ​​aallonpituuden kautta - s=Vastaanottaja/ l, niin siitä seuraa, että tietyn liikemäärän omaavalla mikrohiukkasella on täysin epävarma koordinaatti ja päinvastoin.

W. Heisenberg (1927) otti huomioon mikrohiukkasten kaksoisluonteen, ja päätyi siihen tulokseen, että on mahdotonta karakterisoida mikropartikkelia samanaikaisesti sekä koordinaatilla että liikemäärällä millään ennalta määrätyllä tarkkuudella.

Seuraavia epätasa-arvoja kutsutaan Heisenbergin epävarmuussuhteiksi:

Δx Δ s x ≥ h,Δ yΔp y ≥ h,Δ z· Δp z ≥ h.

Tässä Δx, Δy, Δz keskittävät koordinaattivälit, joihin mikropartikkeli voidaan paikantaa (nämä välit ovat koordinaattiepävarmuuksia), Δ s x , Δ s y , Δ s z tarkoittaa pulssiprojektioiden välejä koordinaattiakseleille x, y, z, h– Planckin vakio. Epävarmuusperiaatteen mukaan mitä tarkemmin impulssi tallennetaan, sitä suurempi on koordinaatin epävarmuus ja päinvastoin.

Kirjeenvaihdon periaate

Tieteen kehittyessä ja kertyneen tiedon syventyessä uudet teoriat tarkentuvat. Uudet teoriat kattavat yhä laajempia aineellisen maailman horisontteja ja tunkeutuvat aiemmin tutkimattomiin syvyyksiin. Dynaamiset teoriat korvataan staattisilla.

Jokaisella perusteorialla on tietyt sovellettavuusrajat. Siksi uuden teorian syntyminen ei tarkoita vanhan täydellistä kieltämistä. Siten kappaleiden liikettä makrokosmuksessa huomattavasti valonnopeutta pienemmillä nopeuksilla kuvataan aina Newtonin klassisella mekaniikalla. Valonnopeuteen verrattavissa olevilla nopeuksilla (relativistiset nopeudet) Newtonin mekaniikka ei kuitenkaan sovellu.

Objektiivisesti fysikaalisten perusteorioiden jatkuvuus on olemassa. Tämä on vastaavuuden periaate, joka voidaan muotoilla seuraavasti: mikään uusi teoria ei voi olla pätevä, ellei se sisällä rajoittavana tapauksena vanhaa samoihin ilmiöihin liittyvää teoriaa, koska vanha teoria on jo osoittautunut alallaan.

3.4. Järjestelmän tilan käsite. Laplacen determinismi

Klassisessa fysiikassa järjestelmä ymmärretään joidenkin osien kokoelmana, jotka liittyvät toisiinsa tietyllä tavalla. Nämä järjestelmän osat (elementit) voivat vaikuttaa toisiinsa, ja oletetaan, että niiden vuorovaikutusta voidaan aina arvioida järjestelmän vuorovaikutuksessa olevien elementtien välisten syy-seuraus-suhteiden näkökulmasta.

Filosofinen oppi aineellisen ja henkisen maailman ilmiöiden luonnollisen suhteen ja keskinäisen riippuvuuden objektiivisuudesta on ns. determinismi. Determinismin keskeinen käsite on olemassaolo syy-yhteys; Kausaalisuus syntyy, kun yksi ilmiö saa aikaan toisen ilmiön (vaikutuksen).

Klassinen fysiikka seisoo jäykän determinismin kannalla, jota kutsutaan Laplaceilaiseksi – Pierre Simon Laplace julisti kausaalisuuden periaatteen luonnon peruslakiksi. Laplace uskoi, että jos järjestelmän elementtien (joidenkin kappaleiden) sijainti ja siinä vaikuttavat voimat tiedetään, on mahdollista ennustaa täysin varmuudella, kuinka tämän järjestelmän jokainen kappale liikkuu nyt ja tulevaisuudessa. Hän kirjoitti: "Meidän on pidettävä maailmankaikkeuden nykyistä tilaa edellisen tilan seurauksena ja seuraavan tilan syynä. Mieli, joka tietyllä hetkellä tuntee kaikki luonnossa toimivat voimat ja kaikkien sen muodostavien entiteettien suhteelliset asemat, jos se olisi vielä niin laaja, että se ottaisi huomioon kaikki nämä tiedot, omaksuisi liikkeet yhteen ja samaan kaavaan maailmankaikkeuden suurimmista kappaleista ja kevyimmistä atomeista. Mikään ei olisi hänelle epävarmaa, ja tulevaisuus, kuten menneisyys, seisoisi hänen silmiensä edessä." Perinteisesti tätä hypoteettista olentoa, joka voisi (Laplacen mukaan) ennustaa maailmankaikkeuden kehityksen, kutsutaan tieteessä "Laplacen demoniksi".

Klassisella luonnontieteen kehityskaudella vahvistettiin ajatus, että vain dynaamiset lait luonnehtivat täysin kausaalisuutta luonnossa.

Laplace yritti selittää koko maailmaa, mukaan lukien fysiologiset, psykologiset ja sosiaaliset ilmiöt mekanistisen determinismin näkökulmasta, jota hän piti metodologisena periaatteena minkä tahansa tieteen rakentamisessa. Laplace näki esimerkin tieteellisen tiedon muodosta taivaanmekaniikassa. Laplacelainen determinismi siis kieltää sattuman objektiivisuuden, tapahtuman todennäköisyyden käsitteen.

Luonnontieteellinen kehitys johti uusiin syyn ja seurauksen käsityksiin. Joidenkin luonnollisten prosessien syy on vaikea määrittää – esimerkiksi radioaktiivinen hajoaminen tapahtuu satunnaisesti. On mahdotonta yksiselitteisesti yhdistää α- tai β-hiukkasen ytimestä "lähdön" aikaa ja sen energian arvoa. Tällaiset prosessit ovat objektiivisesti satunnaisia. Erityisen paljon tällaisia ​​esimerkkejä on biologiassa. Modernissa luonnontieteessä moderni determinismi tarjoaa erilaisia, objektiivisesti olemassa olevia prosessien ja ilmiöiden keskinäisen yhteyden muotoja, joista monet ilmaistaan ​​suhteina, joilla ei ole selkeitä kausaalisia yhteyksiä, toisin sanoen ne eivät sisällä yhden syntymisen hetkiä. toinen. Näitä ovat aika-avaruusyhteydet, symmetriasuhteet ja tietyt toiminnalliset riippuvuudet, todennäköisyyssuhteet jne. Kaikki ilmiöiden todellisten vuorovaikutusten muodot muodostuvat kuitenkin yleismaailmallisen aktiivisen kausaliteetin pohjalta, jonka ulkopuolella ei ole olemassa ainuttakaan todellisuuden ilmiötä. mukaan lukien niin sanotut satunnaiset ilmiöt, joiden kokonaisuudessa staattiset lait ilmenevät.

Tiede kehittyy edelleen ja rikastuu uusilla käsitteillä, laeilla ja periaatteilla, mikä osoittaa laplalaisen determinismin rajoitukset. Klassisella fysiikalla, erityisesti klassisella mekaniikalla, on kuitenkin edelleen sovellusrakonsa tänä päivänä. Sen lait ovat varsin sovellettavissa suhteellisen hitaisiin liikkeisiin, joiden nopeus on huomattavasti pienempi kuin valon nopeus. Klassisen fysiikan merkityksen nykyaikana määritteli hyvin yksi kvanttimekaniikan luojista, Niels Bohr: "Riippumatta siitä, kuinka pitkälle ilmiöt ylittävät klassisen fysiikan selityksen, kaikki kokeellinen data on kuvattava klassisten käsitteiden avulla. Perusteluna tälle on yksinkertaisesti ilmaista sanan "kokeilu" tarkka merkitys. Sanalla "kokeilu" tarkoitamme tilannetta, jossa voimme kertoa muille tarkalleen, mitä olemme tehneet ja mitä olemme oppineet. Siksi kokeellinen asetelma ja havaintotulokset on kuvattava yksiselitteisesti klassisen fysiikan kielellä.

EPÄVARMUUSTEKIJÄN PERIAATE:

Epävarmuusperiaate - Kvanttiteorian perustavanlaatuinen kanta, jonka mukaan mikään fyysinen järjestelmä ei voi olla tiloissa, joissa sen hitauskeskipisteen ja liikemäärän koordinaatit ottavat samanaikaisesti hyvin määritellyt, tarkat arvot. Kvantitatiivisesti epävarmuusperiaate on muotoiltu seuraavasti. Jos ∆x on järjestelmän hitauskeskipisteen x-koordinaatin arvon epävarmuus ja ∆p x on liikemäärän p projektion epävarmuus x-akselille, niin näiden epävarmuuksien tulon on oltava magnitudi vähintään Planckin vakio ħ. Samanlaiset epäyhtälöt on täytettävä mille tahansa ns konjugoi kanonisesti muuttujia, esimerkiksi y-koordinaatille ja liikemäärän p y projektiolle y-akselille, z-koordinaatille ja liikemäärän p z projektiolle. Jos sijainnin ja liikemäärän epävarmuuksilla tarkoitamme näiden fyysisten suureiden keskimääräisiä poikkeamia niiden keskiarvoista, niin epävarmuusperiaate niille on muotoa:

∆p x ∆x ≥ ħ/2, ∆p y ∆y ≥ ħ/2, ∆p z ∆z ≥ ħ/2

Johtuen ħ:n pienuudesta verrattuna samanmittaisiin makroskooppisiin suureisiin, epävarmuusperiaatteen vaikutus on merkittävä pääasiassa atomimittakaavaisten (ja pienempien) ilmiöiden kohdalla, eikä sitä esiinny makroskooppisilla kappaleilla tehdyissä kokeissa.

Epävarmuusperiaatteesta seuraa, että mitä tarkemmin yksi epäyhtälöön sisältyvistä suureista on määritelty, sitä epävarma on toisen arvo. Mikään kokeilu ei voi samanaikaisesti mitata tarkasti tällaisia ​​dynaamisia muuttujia; Lisäksi mittausten epävarmuus ei liity kokeellisen tekniikan epätäydellisyyteen, vaan aineen objektiivisiin ominaisuuksiin.

Saksalaisen fyysikon W. Heisenbergin vuonna 1927 löytämä epävarmuusperiaate oli tärkeä askel atomien sisäisten ilmiöiden lakien selvittämisessä ja kvanttimekaniikan rakentamisessa. Mikroskooppisten esineiden olennainen piirre on niiden hiukkasaaltoluonne. Hiukkasen tilan määrää täysin aaltofunktio (suure, joka kuvaa täysin mikroobjektin (elektroni, protoni, atomi, molekyyli) ja yleensä minkä tahansa kvanttijärjestelmän tilaa). Hiukkanen voidaan havaita missä tahansa avaruuden pisteessä, jossa aaltofunktio on nollasta poikkeava. Siksi esimerkiksi koordinaattien määrittämiseksi tehtyjen kokeiden tulokset ovat luonteeltaan todennäköisyyksiä.

(Esimerkki: elektronin liike edustaa sen oman aallon etenemistä. Jos ammut elektronisäteen seinässä olevan kapean reiän läpi: kapea säde kulkee sen läpi. Mutta jos teet tästä reiästä vielä pienemmän, niin että sen halkaisija on yhtä suuri kuin elektronin aallonpituus, silloin elektronisäde hajoaa kaikkiin suuntiin Eikä tämä ole seinän lähimpien atomien aiheuttama poikkeama, joka voidaan poistaa: tämä tapahtuu aallon takia. elektronin luonne Yritä ennustaa, mitä tapahtuu seinän läpi kulkeneen elektronin vieressä, ja huomaat olevasi voimaton, missä kohdassa se leikkaa seinän, mutta et voi sanoa, mitä vauhtia se tulee Päinvastoin, jotta voit määrittää tarkasti, että elektroni ilmestyy sellaisella ja sellaisella vauhdilla alkusuunnassa, sinun on suurennettava reikää niin, että elektroniaalto kulkee suoraan, vain hieman eri suuntiin Diffraktioon, mutta silloin on mahdotonta sanoa tarkasti, missä elektronihiukkanen kulki seinän läpi: reikä on leveä. Niin paljon kuin saavutat impulssin määrittämisen tarkkuuden, menetät tarkkuuden, jolla sen sijainti tiedetään.

Tämä on Heisenbergin epävarmuusperiaate. Hänellä oli erittäin tärkeä rooli atomien hiukkasaaltojen kuvaamiseen tarkoitetun matemaattisen laitteen rakentamisessa. Sen tiukka tulkinta elektronikokeissa on tämä: kuten valoaallot, elektronit vastustavat kaikkia yrityksiä suorittaa mittauksia äärimmäisen tarkasti. Tämä periaate muuttaa myös kuvaa Bohrin atomista. On mahdollista määrittää tarkasti elektronin liikemäärä (ja siten sen energiataso) joillakin sen kiertoradalla, mutta sen sijainti on täysin tuntematon: sen sijainnista ei voida sanoa mitään. Tästä on selvää, että elektronin selkeän kiertoradan piirtäminen ja sen merkitseminen siihen ympyrän muodossa on vailla merkitystä.)

Näin ollen, kun suoritetaan sarja identtisiä kokeita, saman koordinaattimääritelmän mukaisesti, identtisissä järjestelmissä, saadaan joka kerta erilaisia ​​tuloksia. Jotkut arvot ovat kuitenkin todennäköisempiä kuin toiset, mikä tarkoittaa, että ne näkyvät useammin. Tiettyjen koordinaattiarvojen suhteellinen esiintymistiheys on verrannollinen aaltofunktion moduulin neliöön vastaavissa avaruuden pisteissä. Siksi useimmiten saadut koordinaattiarvot ovat niitä, jotka ovat lähellä aaltofunktion maksimia. Mutta jokin hajonta koordinaattiarvoissa, epävarmuus (suuruusluokkaa maksimin puolileveys) ovat väistämättömiä. Sama koskee impulssimittausta.

Siten koordinaatin ja liikemäärän käsitteitä klassisessa mielessä ei voida soveltaa mikroskooppisiin esineisiin. Kun näitä suureita käytetään kuvaamaan mikroskooppista järjestelmää, niiden tulkintaan on sisällytettävä kvanttikorjauksia. Tämä tarkistus on epävarmuusperiaate.

Energian ε ja ajan t epävarmuusperiaatteella on hieman erilainen merkitys:

∆ε ∆t ≥ ħ

Jos järjestelmä on paikallaan, niin epävarmuusperiaatteesta seuraa, että järjestelmän energiaa voidaan tässäkin tilassa mitata vain tarkkuudella, joka ei ylitä ħ/∆t, missä ∆t on järjestelmän kesto. mittausprosessi. Syynä tähän on järjestelmän vuorovaikutus mittauslaitteen kanssa, ja epävarmuusperiaate tässä tapauksessa tarkoittaa sitä, että mittauslaitteen ja tutkittavan järjestelmän välinen vuorovaikutusenergia voidaan ottaa huomioon vain ħ/ tarkkuudella. ∆t.

Tieteellisten teorioiden, erityisesti Newtonin painovoimateorian menestyksen vaikutuksesta ranskalainen tiedemies Pierre Laplace 1800-luvun alussa. kehitettiin näkemys maailmankaikkeudesta täysin määrättynä kohteena. Laplace uskoi, että täytyy olla joukko tieteellisiä lakeja, jotka mahdollistaisivat kaiken, mitä maailmankaikkeudessa voi tapahtua, jos vain tiedetään täydellinen kuvaus sen tilasta jossain vaiheessa. Jos esimerkiksi tietäisimme tiettyä ajanhetkeä vastaavat Auringon ja planeettojen sijainnit, niin Newtonin lakien avulla voisimme laskea, missä tilassa aurinkokunta olisi millä tahansa muulla ajanhetkellä. Tässä tapauksessa determinismi on melko ilmeistä, mutta Laplace meni pidemmälle väittäen, että kaikelle, myös ihmisen käyttäytymiselle, on samanlaiset lait.

Tieteellisen determinismin oppi kohtasi voimakasta vastustusta monilta, jotka kokivat tämän rajoittavan Jumalan vapaata puuttumista maailmaamme; tästä huolimatta tämä ajatus pysyi yleisenä tieteellisenä hypoteesina aivan vuosisadamme alussa. Yksi ensimmäisistä osoituksista determinismin luopumisen tarpeesta olivat kahden englantilaisen fyysikon, John Rayleighin ja James Jeansin, laskelmien tulokset, joista seurasi, että kuuman kohteen, kuten tähden, pitäisi säteillä äärettömästi enemmän energiaa koko ajan. Tuolloin tunnettujen lakien mukaan kuuman kappaleen tulee lähettää tasaisesti kaikkien taajuuksien sähkömagneettisia aaltoja (esimerkiksi radioaaltoja, näkyvää valoa, röntgensäteitä). Tämä tarkoittaa, että sama määrä energiaa on lähetettävä sekä aaltoina, joiden taajuudet ovat yhdestä kahteen miljoonaan aaltoon sekunnissa, että aaltoina, joiden taajuudet ovat kahdesta kolmeen miljoonaan aaltoon sekunnissa. . Ja koska eri taajuuksia on äärettömän monta, kokonaissäteilyenergian on oltava ääretön.

Päästäkseen eroon tästä näennäisesti absurdista johtopäätöksestä saksalainen tiedemies Max Planck hyväksyi vuonna 1900 hypoteesin, jonka mukaan valoa, röntgensäteitä ja muita aaltoja ei voida lähettää mielivaltaisella intensiteetillä, vaan ne täytyy lähettää vain tietyissä osissa, joita Planck kutsui kvantteiksi. Lisäksi Planck ehdotti, että jokainen säteilykvantti kuljettaa tietyn määrän energiaa, joka on sitä suurempi mitä korkeampi aaltojen taajuus. Näin ollen riittävän korkealla taajuudella yhden kvantin energia voi ylittää käytettävissä olevan energiamäärän ja tämän seurauksena suurtaajuinen säteily vaimenee ja kehon energianmenetysnopeus on rajallinen.

Kvanttihypoteesi sopi erinomaisesti kuumien kappaleiden havaittujen säteilyintensiteettien kanssa, mutta mitä se merkitsi determinismille, selvisi vasta vuonna 1926, jolloin toinen saksalainen tiedemies Werner Heisenberg muotoili kuuluisan epävarmuusperiaatteen. Jotta voisit ennustaa hiukkasen sijainnin ja nopeuden, sinun on pystyttävä mittaamaan tarkasti sen sijainti ja nopeus tällä hetkellä. Ilmeisesti tätä varten valo on suunnattava hiukkaseen. Osa valoaalloista hajoaa sen avulla, ja siten määritämme hiukkasen sijainnin avaruudessa. Tämän mittauksen tarkkuus ei kuitenkaan ole suurempi kuin kahden vierekkäisen aallon harjojen välinen etäisyys, ja siksi tarvitaan lyhyen aallonpituuden valoa hiukkasen sijainnin tarkkaan mittaamiseen. Planckin hypoteesin mukaan valoa ei voida käyttää mielivaltaisen pieninä osina, eikä ole olemassa yhtä kvanttia pienempää osaa. Tämä valon kvantti häiritsee hiukkasen liikettä ja muuttaa arvaamattomasti sen nopeutta. Lisäksi mitä tarkemmin paikka mitataan, sitä lyhyempiä valon aallonpituuksien tulisi olla, ja siksi sitä suurempi on yhden kvantin energia. Tämä tarkoittaa, että hiukkasnopeuden häiriö kasvaa. Toisin sanoen mitä tarkemmin yrität mitata hiukkasen sijaintia, sitä vähemmän tarkkoja sen nopeuden mittaukset ovat ja päinvastoin. Heisenberg osoitti, että hiukkasen sijainnin epävarmuus kerrottuna sen nopeuden ja massan epävarmuudella ei voi olla pienempi kuin tietty luku, jota nyt kutsutaan Planckin vakioksi. Tämä luku ei riipu tavasta, jolla hiukkasen sijainti tai nopeus mitataan, tai tämän hiukkasen tyypistä, eli Heisenbergin epävarmuusperiaate on maailmamme perustavanlaatuinen, pakollinen ominaisuus.

Epävarmuuden periaatteella on kauaskantoisia seurauksia, jotka liittyvät ymmärrykseen ympäröivästä maailmasta. Edes yli viidenkymmenen vuoden jälkeen monet filosofit eivät ole lopullisesti samaa mieltä heidän kanssaan, ja nämä seuraukset ovat edelleen keskustelun aiheena. Epävarmuusperiaate merkitsi loppua Laplacen unelmille tieteellisestä teoriasta, joka tarjoaisi täysin deterministisen mallin maailmankaikkeudesta: todellakin, kuinka voidaan ennustaa tarkasti tulevaisuutta ilman, että pystyisi edes tekemään tarkkoja mittauksia maailmankaikkeuden tilasta tällä hetkellä. hetki! Voimme tietysti kuvitella, että on olemassa tietty joukko lakeja, jotka määräävät tapahtumat täysin jollekin yliluonnolliselle olennolle, joka pystyy tarkkailemaan maailmankaikkeuden nykyistä tilaa häiritsemättä sitä millään tavalla. Tällaiset maailmankaikkeuden mallit eivät kuitenkaan kiinnosta meitä kuolevaisia. Olisi ehkä parempi käyttää "talouden" periaatetta, jota kutsutaan "Occamin partakoneen" periaatteeksi (W. Ockham /1285-1349/ - englantilainen filosofi. "Occamin partakoneen" periaatteen olemus: käsitteet, joita ei voida kokemuksella todentaa, tulisi poistaa tieteestä - toimittajan huomautus) ota ja leikkaa pois kaikki teorian säännökset, jotka eivät ole havaittavissa. Tämän lähestymistavan mukaisesti Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger ja Paul Dirac tarkistivat mekaniikkaa vuosisadamme 20-luvulla ja päätyivät uuteen teoriaan - kvanttimekaniikkaan, joka perustui epävarmuusperiaatteeseen. Kvanttimekaniikassa hiukkasilla ei ole enää sellaisia ​​määrättyjä ja toisistaan ​​riippumattomia ominaisuuksia, kuten sijainti avaruudessa ja nopeus, joita ei voida havaita. Sen sijaan niille on ominaista kvanttitila, joka on jonkinlainen sijainnin ja nopeuden yhdistelmä.

Kvanttimekaniikka ei yleisesti ottaen ennusta, että havainnolla pitäisi olla yksittäinen varma tulos. Sen sijaan se ennustaa useita erilaisia ​​​​tuloksia ja antaa kunkin niistä todennäköisyyden. Tämä tarkoittaa, että jos tekisimme saman mittauksen useille identtisille järjestelmille, joiden alkutilat ovat samat, havaitsisimme, että yhdessä määrässä mittauksen tulos on yhtä suuri kuin A, toisessa - B jne. voi ennustaa kuinka monessa Noin tapauksissa tulos on yhtä suuri kuin A ja B, mutta jokaisen tietyn mittauksen tulosta on mahdotonta määrittää. Siten kvanttimekaniikka tuo tieteeseen väistämättömän arvaamattomuuden tai satunnaisuuden elementin. Einstein vastusti erittäin jyrkästi tätä käsitettä huolimatta valtavasta roolista, jota hän itse näytteli sen kehityksessä. Einsteinille myönnettiin Nobel-palkinto valtavasta panoksestaan ​​kvanttiteoriassa. Mutta hän ei koskaan voinut olla samaa mieltä siitä, että maailmankaikkeutta hallitsee sattuma. Kaikki Einsteinin tunteet ilmaistaan ​​hänen kuuluisassa lausunnossaan: "Jumala ei pelaa noppaa." Useimmat muut tiedemiehet olivat kuitenkin taipuvaisia ​​hyväksymään kvanttimekaniikan, koska se sopi täydellisesti kokeeseen. Kvanttimekaniikka on todellakin merkittävä teoria ja lähes kaiken modernin tieteen ja teknologian taustalla. Kvanttimekaniikan periaatteet muodostavat perustan puolijohde- ja integroitujen piirien toiminnalle, jotka ovat elektronisten laitteiden, kuten televisioiden ja elektronisten tietokoneiden, tärkein osa. Nykyaikainen kemia ja biologia perustuvat kvanttimekaniikkaan. Ainoat fysiikan osa-alueet, joilla kvanttimekaniikkaa ei vielä hyödynnetä hyvin, ovat painovoimateoria ja teoria maailmankaikkeuden laajamittaisesta rakenteesta.

Huolimatta siitä, että valosäteily koostuu aalloista, Planckin hypoteesin mukaan valo kuitenkin käyttäytyy jossain mielessä ikään kuin se olisi hiukkasten muodostama: valon emissio ja absorptio tapahtuu vain osien eli kvanttien muodossa. Heisenbergin epävarmuusperiaate sanoo, että hiukkaset tietyssä mielessä käyttäytyvät kuin aallot: niillä ei ole tiettyä sijaintia avaruudessa, vaan ne "siirtyvät" sen päälle tietyllä todennäköisyysjakaumalla. Kvanttimekaaninen teoria käyttää täysin uutta matemaattista laitteistoa, joka ei enää kuvaa itse todellista maailmaa hiukkasia ja aaltoja koskevien käsitysten perusteella; nämä käsitteet voidaan nyt lukea vain tässä maailmassa tehtyjen havaintojen tulosten ansioksi. Siten kvanttimekaniikassa syntyy osittaisaaltojen dualismi: joissakin tapauksissa on kätevää pitää hiukkasia aaltoina, kun taas toisissa on parempi pitää aaltoja hiukkasina. Tästä seuraa yksi tärkeä johtopäätös: voimme havaita ns. interferenssin kahden hiukkasaallon välillä. Yhden niistä aaltojen harjat voivat esimerkiksi osua yhteen toisen aaltojen kanssa. Kaksi aaltoa kumoavat sitten toisensa sen sijaan, että vahvistaisivat toisiaan ja summautuvat, kuten voisi odottaa, korkeammiksi aalloksi (kuva 4.1). Tunnettu esimerkki valon interferenssistä on sateenkaaren eri väreissä hohtavat saippuakuplat. Tämä ilmiö johtuu valon heijastuksesta ohuen vesikalvon kahdelta pinnalta, joka muodostaa kuplan. Valkoinen valo sisältää kaikenlaisia ​​aallonpituuksia, jotka vastaavat eri värejä. Joidenkin saippuakalvon yhdeltä pinnalta heijastuneiden aaltojen harjat osuvat yhteen kuplan toiselta pinnalta heijastuneiden samanpituisten aaltojen kourujen kanssa. Silloin heijastuneesta valosta puuttuu näitä aallonpituuksia vastaavia värejä ja heijastunut valo näyttää moniväriseltä.

Joten kvanttimekaniikassa syntyneen dualismin ansiosta hiukkaset voivat myös kokea häiriöitä. Tunnettu esimerkki tällaisesta hiukkashäiriöstä on koe kahdella raolla näytössä (kuva 4.2). Harkitse seulaa, johon on leikattu kaksi kapeaa yhdensuuntaista rakoa. Näytön toisella puolella, jossa on rakoja, on tietyn värinen (eli tietyn aallonpituuden) valonlähde. Suurin osa valosta osuu näytön pintaan, mutta pieni osa siitä kulkee rakojen läpi. Kuvittele seuraavaksi näytön toiselle puolelle asennettua havainnointinäyttöä, jossa on rakoja valonlähteestä. Sitten valoaallot molemmista rakoista saavuttavat minkä tahansa havaintonäytön kohdan. Mutta valon rakojen läpi lähteestä näyttöön kulkema etäisyys on yleisesti ottaen erilainen. Tämä tarkoittaa, että rakojen läpi kulkevat aallot osuvat näyttöön eri vaiheissa: paikoin ne heikentävät ja toisissa vahvistavat toisiaan. Tämän seurauksena näyttö saa tyypillisen kuvan, joka koostuu tummista ja vaaleista raidoista.

Yllättäen täsmälleen samat nauhat ilmestyvät, kun korvaat valonlähteen hiukkaslähteellä, esimerkiksi elektroneilla, jotka säteilevät tietyllä nopeudella (mikä tarkoittaa, että ne vastaavat tietyn pituisia aaltoja). Kuvattu ilmiö on sitäkin kummallisempi, koska jos on vain yksi rako, nauhaa ei esiinny ja ruudulle ilmestyy yksinkertaisesti tasainen elektronien jakautuminen. Voidaan olettaa, että toinen rako yksinkertaisesti lisäisi kuhunkin näytön pisteeseen osuvien elektronien määrää, mutta itse asiassa näiden elektronien määrä paikoin päinvastoin pienenee häiriön vuoksi. Jos yksi elektroni kuljetettaisiin rakojen läpi kerrallaan, niin voisi olettaa, että jokainen niistä kulkisi joko yhden tai toisen raon läpi, eli käyttäytyisi kuin rako, jonka läpi se kulki, olisi ainoa, ja sitten tasaisen jakautumisen pitäisi ilmestyä näytölle. Kuitenkin itse asiassa nauhat ilmestyvät, vaikka elektronit vapautuvat yksi kerrallaan. Siksi jokaisen elektronin on läpäistävä molemmat raot kerralla!

Hiukkasten häiriöilmiöstä on tullut ratkaiseva ymmärryksemme atomien rakenteesta, niistä pienimmistä "rakennuspalikoista", joita kemiassa ja biologiassa tarkastellaan ja joista me itse ja kaikki ympärillämme rakennetaan. Vuosisadan alussa atomien ajateltiin olevan aurinkokunnan kaltaisia: elektronit (negatiivisen sähkövarauksen kantavat hiukkaset), kuten aurinkoa ympäröivät planeetat, kiertävät keskeisellä paikalla sijaitsevan positiivisesti varautuneen ytimen ympärillä. Oletettiin, että elektroneja pitivät kiertoradoillaan positiivisten ja negatiivisten varausten väliset vetovoimat, samalla tavalla kuin Auringon ja planeettojen välinen gravitaatiovoima estää planeettoja poistumasta kiertoradalta. Tämä selitys joutui seuraavaan vaikeuteen: ennen kvanttimekaniikan tuloa mekaniikan ja sähkön lait ennustivat, että elektronit menettäisivät energiaa ja siten kiertyivät kohti atomin keskustaa ja putoavat ytimeen. Tämä merkitsisi sitä, että atomien ja niiden mukana tietysti kaiken aineen pitäisi nopeasti romahtaa erittäin suuren tiheyden tilaan. Erityisen ratkaisun tähän ongelmaan löysi vuonna 1913 tanskalainen tiedemies Niels Bohr. Bohr väitti, että elektronit eivät voi liikkua millään kiertoradalla, vaan vain niillä, jotka sijaitsevat tietyillä etäisyyksillä keskusytimestä. Jos oletetaan myös, että jokainen tällainen kiertorata voisi sisältää vain yhden tai kaksi elektronia, niin atomien romahtamisen ongelma ratkeaisi, koska silloin elektronit, jotka liikkuvat spiraalina kohti keskustaa, voisivat täyttää kiertoradat vain minimaalisilla säteillä ja energioilla. .

Tämä malli selitti täydellisesti yksinkertaisimman atomin - vetyatomin - rakenteen, jossa vain yksi elektroni pyörii ytimen ympäri. Ei kuitenkaan ollut selvää, kuinka samaa lähestymistapaa voitaisiin laajentaa monimutkaisempiin atomeihin. Lisäksi oletus rajoitetusta sallittujen kiertoratojen määrästä vaikutti melko mielivaltaiselta. Tämä vaikeus ratkaistiin uudella teorialla - kvanttimekaniikalla. Kävi ilmi, että ytimen ympäri pyörivä elektroni voidaan kuvitella aalloksi, jonka pituus riippuu sen nopeudesta. Joillakin kiertoradoilla mahtuu kokonaisluku (eikä murto-osa) elektronien aallonpituuksia. Näitä ratoja pitkin liikkuessaan aaltojen harjat päätyvät samaan paikkaan jokaisella radalla, ja siksi aallot summautuvat; tällaiset kiertoradat luokitellaan Bohrin sallituiksi radoiksi. Ja niillä kiertoradoilla, joita pitkin kokonaislukumäärä elektronien aallonpituuksia ei sovi, jokainen harjanne elektronien pyöriessä kompensoidaan ennemmin tai myöhemmin kourulla; sellaiset kiertoradat eivät ole sallittuja.

Amerikkalainen tiedemies Richard Feynman keksi kauniin tavan, joka mahdollistaa aalto-hiukkasten kaksinaisuuden visualisoinnin. Feynman esitteli niin sanotun summauksen lentoratojen yli. Tässä lähestymistavassa, toisin kuin klassisessa ei-kvanttiteoriassa, ei ole olemassa oletusta, että hiukkasella tulisi olla yksi ainoa liikerata aika-avaruudessa, vaan päinvastoin, uskotaan, että hiukkanen voi liikkua paikasta A paikkaan B mitä tahansa mahdollista pitkin. polku. Jokaiseen lentorataan liittyy kaksi numeroa: yksi niistä kuvaa aallon kokoa ja toinen vastaa sen sijaintia syklissä (harja tai pohja). Jotta voidaan määrittää siirtymän todennäköisyydet paikasta A paikkaan B, on tarpeen laskea yhteen kaikkien näiden lentoratojen aallot. Jos vertaat useita vierekkäisiä lentoratoja, niiden vaiheet tai paikat syklissä vaihtelevat suuresti. Tämä tarkoittaa, että tällaisia ​​lentoratoja vastaavat aallot kumoavat toisensa lähes kokonaan. Kuitenkin joissakin vierekkäisten liikeratojen perheissä vaiheet muuttuvat vain vähän liikkuessaan liikeradalta toiselle, eivätkä vastaavat aallot kumoa toisiaan. Tällaiset lentoradat kuuluvat Bohrin sallittuihin kiertoradoihin.

Tällaisten tiettyyn matemaattiseen muotoon kirjoitettujen ajatusten perusteella oli mahdollista suhteellisen yksinkertaista kaaviota käyttäen laskea sallitut kiertoradat monimutkaisemmille atomeille ja jopa useista atomeista koostuville molekyyleille, joita pitävät yhdessä elektronit, joiden kiertoradat peittävät enemmän kuin yksi ydin. Koska molekyylien rakenne ja niiden välillä tapahtuvat reaktiot ovat kaiken kemian ja biologian perusta, kvanttimekaniikka periaatteessa antaa meille mahdollisuuden ennustaa kaikkea mitä näemme ympärillämme epävarmuusperiaatteen sallimalla tarkkuudella. (Käytännössä monia elektroneja sisältävien järjestelmien laskelmat osoittautuvat kuitenkin niin monimutkaisiksi, että niitä on yksinkertaisesti mahdotonta suorittaa).

Universumin laajamittainen rakenne näyttää noudattavan Einsteinin yleistä suhteellisuusteoriaa. Tätä teoriaa kutsutaan klassiseksi, koska se ei ota huomioon kvanttimekaanista epävarmuusperiaatetta, joka on otettava huomioon, jotta se olisi yhdenmukainen muiden teorioiden kanssa. Emme ole ristiriidassa havaintojen tulosten kanssa, koska kaikki gravitaatiokentät, joita yleensä joudumme käsittelemään, ovat erittäin heikkoja. Kuitenkin edellä käsiteltyjen singulaarisuusteoreemojen mukaan gravitaatiokentän tulisi olla erittäin vahva ainakin kahdessa tilanteessa: mustien aukkojen tapauksessa ja alkuräjähdyksen tapauksessa. Tällaisilla vahvoilla kentillä kvanttivaikutusten on oltava merkittäviä. Siksi klassinen yleinen suhteellisuusteoria, joka ennusti pisteet, joissa tiheys muuttuu äärettömäksi, ennusti tietyssä mielessä oman epäonnistumisensa täsmälleen samalla tavalla kuin klassinen (eli ei-kvantti)mekaniikka tuomittiin epäonnistumaan päätellen, että atomien täytyy romahtaa, kunnes niiden tiheys muuttuu äärettömäksi. Meillä ei vielä ole täydellistä teoriaa, jossa yleinen suhteellisuusteoria yhdistettäisiin johdonmukaisesti kvanttimekaniikkaan, mutta tiedämme joitain tulevaisuuden teorian ominaisuuksia. Puhumme seuraavissa luvuissa, mitä näistä ominaisuuksista seuraa mustien aukkojen ja alkuräjähdyksen suhteen. Siirrytään nyt viimeisimpiin yrityksiin yhdistää ymmärryksemme kaikista muista luonnonvoimista yhdeksi, yhtenäiseksi kvanttiteoriaksi.

Heisenbergin epävarmuusperiaatteet ovat yksi kvanttimekaniikan ongelmista, mutta ensin siirrytään fysiikan kehitykseen kokonaisuutena. 1600-luvun lopulla Isaac Newton loi perustan modernille klassiselle mekaniikalle. Hän muotoili ja kuvasi sen peruslainsäädäntöä, joiden avulla voidaan ennustaa ympärillämme olevien kehojen käyttäytymistä. 1800-luvun loppuun mennessä nämä määräykset vaikuttivat loukkaamattomilta ja koskevilta kaikkia luonnonlakeja. Fysiikan ongelmat tieteenä näyttivät olevan ratkaistu.

Mutta kuten kävi ilmi, tuolloin universumin ominaisuuksista tiedettiin paljon vähemmän kuin näytti. Ensimmäinen kivi, joka rikkoi klassisen mekaniikan harmonian, oli sen tottelemattomuus valoaaltojen leviämisen lakeja kohtaan. Niinpä hyvin nuori sähködynamiikan tiede tuolloin pakotettiin kehittämään täysin erilaiset säännöt. Mutta teoreettisille fyysikoille syntyi ongelma: kuinka saada kaksi järjestelmää yhteiseksi nimittäjäksi. Muuten, tiede työstää edelleen ratkaisua tähän ongelmaan.

Myytti kaiken kattavasta newtonilaisesta mekaniikasta tuhoutui lopulta atomien rakenteen syvemmällä tutkimuksella. Britti Ernest Rutherford havaitsi, että atomi ei ole jakamaton hiukkanen, kuten aiemmin luultiin, vaan se sisältää neutroneja, protoneja ja elektroneja. Lisäksi heidän käyttäytymisensä oli täysin ristiriidassa klassisen mekaniikan postulaattien kanssa. Jos makromaailmassa painovoima määrää suurelta osin asioiden luonteen, niin kvanttihiukkasten maailmassa se on erittäin pieni vuorovaikutusvoima. Näin luotiin kvanttimekaniikan perusta, jolla oli myös omat aksioominsa. Yksi merkittävistä eroista näiden pienimpien järjestelmien ja tottumamme maailman välillä on Heisenbergin epävarmuusperiaate. Hän osoitti selvästi, että näihin järjestelmiin tarvitaan erilainen lähestymistapa.

Heisenbergin epävarmuusperiaate

1900-luvun ensimmäisellä neljänneksellä kvanttimekaniikka otti ensimmäiset askeleensa, ja fyysikot ympäri maailmaa ymmärsivät vasta, mitä sen säännöksistä seuraa meille ja mitä näkymiä se avaa. Saksalainen teoreettinen fyysikko Werner Heisenberg muotoili kuuluisat periaatteensa vuonna 1927. Heisenbergin periaatteet koostuvat siitä, että on mahdotonta laskea samanaikaisesti kvanttiobjektin avaruudellista sijaintia ja nopeutta. Pääsyy tähän on se, että mittaamalla vaikutamme jo mitattavaan järjestelmään ja häiritsemme sitä. Jos makrokosmoksessa meille tuttu arvioimme esineen, silloin jopa katsoessamme sitä näemme valon heijastuksen siitä.

Mutta Heisenbergin epävarmuusperiaate sanoo, että vaikka makrokosmuksessa valolla ei ole vaikutusta mitattavaan kohteeseen, kvanttihiukkasten tapauksessa fotoneilla (tai muilla johdannaismittauksilla) on merkittävä vaikutus hiukkaseen. Samalla on mielenkiintoista huomata, että kvanttifysiikka pystyy mittaamaan kehon nopeutta tai sijaintia avaruudessa erikseen. Mutta mitä tarkempia nopeuslukemamme ovat, sitä vähemmän tiedämme spatiaalisesta sijainnistamme. Ja päinvastoin. Toisin sanoen Heisenbergin epävarmuusperiaate luo tiettyjä vaikeuksia kvanttihiukkasten käyttäytymisen ennustamisessa. Kirjaimellisesti se näyttää tältä: he muuttavat käyttäytymistään, kun yritämme tarkkailla niitä.