Načelo neodređenosti temeljni je zakon mikrosvijeta. Može se smatrati posebnim izrazom načela komplementarnosti.

U klasičnoj mehanici čestica se giba određenom putanjom iu svakom trenutku moguće je točno odrediti njezine koordinate i njezinu količinu gibanja. Što se tiče mikročestica, ova ideja je netočna. Mikročestica nema jasno definiranu putanju, ima i svojstva čestice i svojstva vala (valno-čestični dualitet). U ovom slučaju, koncept "valne duljine u danoj točki" nema fizičko značenje, a budući da se impuls mikročestice izražava kroz valnu duljinu - str=Do/ l, onda slijedi da mikročestica s određenim momentom ima potpuno nesigurnu koordinatu, i obrnuto.

W. Heisenberg (1927.), uzimajući u obzir dualnu prirodu mikročestica, došao je do zaključka da je nemoguće istovremeno karakterizirati mikročesticu i koordinatama i momentom s bilo kojom unaprijed određenom točnošću.

Sljedeće nejednakosti nazivaju se Heisenbergovim odnosima nesigurnosti:

Δx Δ str x ≥ h,Δ gΔp y ≥ h,Δ zΔp z ≥ h.

Ovdje Δx, Δy, Δz znače koordinatne intervale u kojima se mikročestica može lokalizirati (ovi intervali su koordinatne nesigurnosti), Δ str x , Δ str g , Δ str z označavaju intervale projekcija impulsa na koordinatne osi x, y, z, h– Planckova konstanta. Prema principu nesigurnosti, što je impuls točnije zabilježen, veća je nesigurnost koordinate i obrnuto.

Načelo korespondencije

Kako se znanost razvija i akumulirano znanje produbljuje, nove teorije postaju točnije. Nove teorije pokrivaju sve šire horizonte materijalnog svijeta i zadiru u dosad neistražene dubine. Dinamičke teorije zamijenjene su statičkima.

Svaka temeljna teorija ima određene granice primjenjivosti. Stoga pojava nove teorije ne znači potpunu negaciju stare. Dakle, kretanje tijela u makrokozmosu brzinama znatno manjim od brzine svjetlosti uvijek će opisivati ​​klasična Newtonova mehanika. Međutim, pri brzinama usporedivim s brzinom svjetlosti (relativističke brzine), Newtonova mehanika nije primjenjiva.

Objektivno, postoji kontinuitet temeljnih fizikalnih teorija. To je načelo korespondencije koje se može formulirati na sljedeći način: nijedna nova teorija ne može biti valjana ako kao granični slučaj ne sadrži staru teoriju koja se odnosi na iste fenomene, budući da se stara teorija već dokazala u svom području.

3.4. Pojam stanja sustava. Laplaceov determinizam

U klasičnoj fizici sustav se shvaća kao skup nekih dijelova koji su međusobno povezani na određeni način. Ti dijelovi (elementi) sustava mogu utjecati jedni na druge, a pretpostavlja se da se njihovo međudjelovanje uvijek može procijeniti sa stajališta uzročno-posljedičnih veza između međusobno djelujućih elemenata sustava.

Filozofski nauk o objektivnosti prirodnog odnosa i međuovisnosti pojava materijalnog i duhovnog svijeta naziva se determinizam. Središnji pojam determinizma je postojanje uzročnost; Kauzalnost se javlja kada jedna pojava uzrokuje drugu pojavu (učinak).

Klasična fizika stoji na pozicijama krutog determinizma, koji se naziva laplasovski - Pierre Simon Laplace je proglasio načelo uzročnosti kao temeljni zakon prirode. Laplace je vjerovao da ako je poznat položaj elemenata (nekih tijela) sustava i sile koje u njemu djeluju, tada je moguće s potpunom sigurnošću predvidjeti kako će se svako tijelo ovog sustava kretati sada i u budućnosti. Napisao je: “Sadašnje stanje Svemira moramo smatrati posljedicom prethodnog stanja i uzrokom sljedećeg. Um koji je u određenom trenutku poznavao sve sile koje djeluju u prirodi i relativne položaje svih svojih sastavnih entiteta, ako bi još uvijek bio toliko golem da uzme u obzir sve te podatke, obuhvatio bi u jednu te istu formulu kretanja najvećih tijela svemira i najlakših atoma. Za njega ništa ne bi bilo neizvjesno, a budućnost bi mu, kao i prošlost, stajala pred očima.” Tradicionalno, ovo hipotetsko stvorenje, koje je (prema Laplaceu) moglo predvidjeti razvoj Svemira, u znanosti se naziva "Laplaceov demon".

U klasičnom razdoblju razvoja prirodnih znanosti afirmirana je ideja da samo dinamički zakoni u potpunosti karakteriziraju uzročnost u prirodi.

Laplace je pokušao objasniti cijeli svijet, uključujući fiziološke, psihološke i društvene fenomene sa stajališta mehanicističkog determinizma, koji je smatrao metodološkim principom za izgradnju svake znanosti. Laplace je vidio primjer oblika znanstvenog znanja u nebeskoj mehanici. Dakle, Laplaceov determinizam negira objektivnu prirodu slučajnosti, koncept vjerojatnosti događaja.

Daljnji razvoj prirodnih znanosti doveo je do novih ideja o uzroku i posljedici. Za neke prirodne procese teško je utvrditi uzrok—na primjer, radioaktivni raspad događa se nasumično. Nemoguće je jednoznačno povezati vrijeme "odlaska" α- ili β-čestice iz jezgre i vrijednost njezine energije. Takvi procesi su objektivno slučajni. Takvih je primjera posebno mnogo u biologiji. U suvremenoj prirodnoj znanosti suvremeni determinizam nudi različite, objektivno postojeće oblike međusobne povezanosti procesa i pojava, od kojih su mnogi izraženi u obliku odnosa koji nemaju izražene uzročne veze, odnosno ne sadrže momente generiranja jednog od još. To su prostorno-vremenske veze, odnosi simetrije i određene funkcionalne ovisnosti, vjerojatnosni odnosi itd. No, svi oblici stvarnih međudjelovanja pojava nastaju na temelju univerzalne djelatne kauzalnosti, izvan koje ne postoji niti jedan fenomen stvarnosti, tj. uključujući takozvane slučajne pojave, u čijoj se cjelini očituju statički zakoni.

Znanost se i dalje razvija i obogaćuje novim pojmovima, zakonima i principima, što ukazuje na ograničenost Laplaceovog determinizma. Međutim, klasična fizika, posebice klasična mehanika, i danas ima svoju nišu primjene. Njegovi su zakoni sasvim primjenjivi za relativno spora kretanja, čija je brzina znatno manja od brzine svjetlosti. Važnost klasične fizike u modernom razdoblju dobro je definirao jedan od tvoraca kvantne mehanike, Niels Bohr: „Bez obzira koliko fenomeni daleko nadilaze klasično fizikalno objašnjenje, svi eksperimentalni podaci moraju biti opisani klasičnim konceptima. Obrazloženje za to je jednostavno navesti točno značenje riječi "eksperiment". Riječju "eksperiment" označavamo situaciju u kojoj drugima možemo reći što smo točno napravili i što smo točno naučili. Stoga se eksperimentalna postavka i rezultati promatranja moraju nedvosmisleno opisati jezikom klasične fizike.”

NAČELO NESIGURNOSTI:

Princip neizvjesnosti – temeljno stajalište kvantne teorije, koje kaže da bilo koji fizički sustav ne može biti u stanjima u kojima koordinate njegovog središta tromosti i zamaha istovremeno poprimaju točno definirane, točne vrijednosti. Kvantitativno, načelo nesigurnosti je formulirano na sljedeći način. Ako je ∆x nesigurnost u vrijednosti x koordinate središta tromosti sustava, a ∆p x je nesigurnost u projekciji količine gibanja p na x os, tada umnožak tih nesigurnosti mora biti redom veličina ne manja od Planckove konstante ħ. Slične nejednakosti moraju biti zadovoljene za svaki par tzv kanonski konjugirane varijable, na primjer, za koordinatu y i projekciju količine gibanja p y na os y, koordinatu z i projekciju količine gibanja p z. Ako pod nesigurnostima položaja i količine gibanja podrazumijevamo srednja kvadratna odstupanja ovih fizikalnih veličina od njihovih prosječnih vrijednosti, tada načelo nesigurnosti za njih ima oblik:

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

Zbog malenosti ħ u usporedbi s makroskopskim veličinama iste dimenzije, djelovanje principa neodređenosti značajno je uglavnom za pojave atomskih (i manjih) razmjera i ne pojavljuje se u pokusima s makroskopskim tijelima.

Iz načela neodređenosti proizlazi da što je jedna od veličina uključenih u nejednadžbu točnije definirana, to je vrijednost druge manje izvjesna. Nijedan eksperiment ne može istovremeno točno mjeriti takve dinamičke varijable; Štoviše, nesigurnost u mjerenjima nije povezana s nesavršenošću eksperimentalne tehnologije, već s objektivnim svojstvima materije.

Načelo neodređenosti, koje je 1927. godine otkrio njemački fizičar W. Heisenberg, bilo je važan korak u razjašnjavanju zakona unutaratomskih pojava i izgradnji kvantne mehanike. Bitna značajka mikroskopskih objekata je njihova čestično-valna priroda. Stanje čestice u potpunosti je određeno valnom funkcijom (veličinom koja u potpunosti opisuje stanje mikroobjekta (elektrona, protona, atoma, molekule) i općenito svakog kvantnog sustava). Čestica se može detektirati u bilo kojoj točki prostora u kojoj je valna funkcija različita od nule. Stoga su rezultati pokusa za određivanje, na primjer, koordinata vjerojatnosne prirode.

(Primjer: kretanje elektrona predstavlja širenje njegovog vlastitog vala. Ako ispalite snop elektrona kroz uski otvor u zidu: uski snop će proći kroz njega. Ali ako ovaj otvor učinite još manjim, tako da njegov promjer jednak je veličini valnoj duljini elektrona, tada će se snop elektrona raširiti u svim smjerovima. A to nije otklon uzrokovan najbližim atomima stijenke, kojih se možete riješiti: to se događa zbog valna priroda elektrona. Pokušajte predvidjeti što će se sljedeće dogoditi s elektronom koji je prošao kroz zid, i naći ćete se nemoćni. Sigurno znate u kojoj točki presijeca zid, ali ne možete reći koji moment u poprečnom smjeru će dobiti.Naprotiv, da biste točno odredili da će se elektron pojaviti s takvim i takvim određenim momentom u početnom smjeru, morate povećati rupu tako da val elektrona prolazi ravno, samo malo divergirajući u svim smjerovima zbog difrakcije.Ali tada je nemoguće točno reći gdje je čestica elektrona prošla kroz stijenku: rupa je široka. Koliko god dobivate na točnosti određivanja impulsa, gubite na točnosti s kojom je poznat njegov položaj.

Ovo je Heisenbergov princip nesigurnosti. Imao je iznimno važnu ulogu u konstrukciji matematičkog aparata za opisivanje čestičnih valova u atomima. Njegovo striktno tumačenje u eksperimentima s elektronima je sljedeće: poput svjetlosnih valova, elektroni se opiru bilo kakvim pokušajima izvođenja mjerenja s ekstremnom točnošću. Ovaj princip također mijenja sliku Bohrovog atoma. Moguće je točno odrediti zamah elektrona (a time i njegovu energetsku razinu) u nekoj od njegovih orbita, ali će njegov položaj biti potpuno nepoznat: ništa se ne može reći o tome gdje se nalazi. Odavde je jasno da je crtanje jasne orbite elektrona i označavanje na njoj u obliku kruga lišeno ikakvog smisla.)

Posljedično, pri provođenju niza identičnih eksperimenata, prema istoj definiciji koordinata, u identičnim sustavima, svaki put se dobivaju različiti rezultati. Međutim, neke će vrijednosti biti vjerojatnije od drugih, što znači da će se pojavljivati ​​češće. Relativna učestalost pojavljivanja određenih koordinatnih vrijednosti proporcionalna je kvadratu modula valne funkcije u odgovarajućim točkama u prostoru. Stoga će najčešće dobivene vrijednosti koordinata biti one koje leže blizu maksimuma valne funkcije. Ali neke razlike u koordinatnim vrijednostima, neke nesigurnosti (reda polovice širine maksimuma) su neizbježne. Isto vrijedi i za mjerenje impulsa.

Stoga se pojmovi koordinate i količine gibanja u klasičnom smislu ne mogu primijeniti na mikroskopske objekte. Kada se ovim veličinama opisuje mikroskopski sustav, potrebno je u njihovu interpretaciju uvesti kvantne korekcije. Ova izmjena je načelo nesigurnosti.

Načelo nesigurnosti za energiju ε i vrijeme t ima nešto drugačije značenje:

∆ε ∆t ≥ ħ

Ako je sustav u stacionarnom stanju, tada iz načela neodređenosti slijedi da se energija sustava, čak iu tom stanju, može mjeriti samo s točnošću koja ne prelazi ħ/∆t, gdje je ∆t trajanje proces mjerenja. Razlog tome je međudjelovanje sustava s mjernim uređajem, a načelo nesigurnosti primijenjeno na ovaj slučaj znači da se energija međudjelovanja između mjernog uređaja i proučavanog sustava može uzeti u obzir samo s točnošću od ħ /∆t.

Pod utjecajem uspjeha znanstvenih teorija, posebice Newtonove teorije gravitacije, francuski znanstvenik Pierre Laplace početkom 19.st. razvijen je pogled na Svemir kao potpuno određeni objekt. Laplace je vjerovao da mora postojati skup znanstvenih zakona koji bi omogućili predviđanje svega što se može dogoditi u Svemiru, samo ako je poznat potpuni opis njegovog stanja u nekom trenutku u vremenu. Na primjer, kada bismo znali položaje Sunca i planeta koji odgovaraju određenom trenutku u vremenu, onda bismo koristeći Newtonove zakone mogli izračunati u kakvom bi stanju bio Sunčev sustav u bilo kojem drugom trenutku u vremenu. U ovom slučaju determinizam je sasvim očit, no Laplace je otišao dalje, tvrdeći da postoje slični zakoni za sve, pa tako i za ljudsko ponašanje.

Doktrina znanstvenog determinizma naišla je na snažan otpor mnogih koji su smatrali da to ograničava Božju slobodnu intervenciju u našem svijetu; ipak je ta ideja ostala uobičajena znanstvena hipoteza na samom početku našeg stoljeća. Jedan od prvih pokazatelja potrebe za napuštanjem determinizma bili su rezultati proračuna dvojice engleskih fizičara, Johna Rayleigha i Jamesa Jeansa, iz kojih je proizlazilo da bi vrući objekt poput zvijezde trebao zračiti beskrajno više energije cijelo vrijeme. Prema tada poznatim zakonima, vruće tijelo trebalo bi jednako emitirati elektromagnetske valove svih frekvencija (primjerice radio valove, vidljivu svjetlost, X-zrake). To znači da se ista količina energije mora emitirati iu obliku valova s ​​frekvencijama između jednog i dva milijuna milijuna valova u sekundi iu obliku valova čije su frekvencije u rasponu od dva do tri milijuna milijuna valova u sekundi. . A budući da postoji beskonačno mnogo različitih frekvencija, ukupna izračena energija mora biti beskonačna.

Da bi se riješio ovog naizgled apsurdnog zaključka, njemački znanstvenik Max Planck 1900. prihvatio je hipotezu da se svjetlost, X-zrake i drugi valovi ne mogu emitirati proizvoljnim intenzitetom, već da se moraju emitirati samo u određenim dijelovima, koje je Planck nazvao kvantima. Osim toga, Planck je sugerirao da svaki kvant zračenja nosi određenu količinu energije, koja je to veća što je frekvencija valova veća. Dakle, pri dovoljno visokoj frekvenciji, energija jednog kvanta može premašiti raspoloživu količinu energije te će, posljedično, visokofrekventno zračenje biti potisnuto, a brzina kojom tijelo gubi energiju bit će konačna.

Kvantna hipoteza izvrsno se slagala s opaženim intenzitetima zračenja vrućih tijela, ali što je ona značila za determinizam nije bilo jasno sve do 1926., kada je drugi njemački znanstvenik, Werner Heisenberg, formulirao poznati princip nesigurnosti. Da biste predvidjeli koji će biti položaj i brzina čestice, morate biti u mogućnosti izvršiti točna mjerenja njenog položaja i brzine u sadašnjem trenutku. Očito, da bi se to postiglo, svjetlost mora biti usmjerena na česticu. Dio svjetlosnih valova će se njime raspršiti i tako ćemo odrediti položaj čestice u prostoru. Međutim, točnost ovog mjerenja neće biti veća od udaljenosti između vrhova dva susjedna vala, pa je stoga potrebno svjetlo kratke valne duljine za točno mjerenje položaja čestice. Prema Planckovoj hipotezi, svjetlost se ne može koristiti u proizvoljno malim obrocima, a ne postoji manji udio od jednog kvanta. Taj će kvant svjetlosti poremetiti kretanje čestice i nepredvidivo promijeniti njezinu brzinu. Osim toga, što se točnije mjeri položaj, to bi valne duljine svjetlosti trebale biti kraće, a time i veća energija jednog kvanta. To znači da će poremećaj brzine čestice postati veći. Drugim riječima, što točnije pokušavate izmjeriti položaj čestice, manje će točna biti mjerenja njezine brzine, i obrnuto. Heisenberg je pokazao da nesigurnost položaja čestice, pomnožena s nesigurnošću njezine brzine i mase, ne može biti manja od određenog broja, koji se danas naziva Planckova konstanta. Taj broj ne ovisi niti o načinu na koji se mjeri položaj ili brzina čestice, niti o vrsti te čestice, tj. Heisenbergov princip nesigurnosti temeljno je, obavezno svojstvo našeg svijeta.

Načelo neizvjesnosti ima dalekosežne posljedice vezane uz našu percepciju svijeta oko nas. Ni nakon više od pedeset godina mnogi se filozofi s njima nisu definitivno složili, a te su posljedice još uvijek predmet rasprava. Načelo neizvjesnosti značilo je kraj Laplaceovih snova o znanstvenoj teoriji koja bi pružila potpuno deterministički model svemira: doista, kako se može točno predvidjeti budućnost, a da se čak ne može izvršiti točna mjerenja stanja svemira u sadašnjosti? trenutak! Naravno, možemo zamisliti da postoji određeni skup zakona koji u potpunosti određuje događaje za neko nadnaravno biće koje je u stanju promatrati trenutno stanje Svemira, a da ga ni na koji način ne poremeti. Međutim, takvi modeli Svemira nas obične smrtnike ne zanimaju. Bolje bi, možda, bilo upotrijebiti princip “ekonomije” koji se naziva princip “Occamove britve” (W. Ockham /1285‑1349/ - engleski filozof. Suština principa “Occamove britve”: koncepte koji se ne mogu provjeriti u iskustvu treba ukloniti iz znanosti – napomena urednika) uzeti i izrezati sve odredbe teorije koje se ne mogu promatrati. Prihvaćajući ovaj pristup, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger i Paul Dirac 20-ih godina našeg stoljeća revidirali su mehaniku i došli do nove teorije - kvantne mehanike, koja se temeljila na principu neodređenosti. U kvantnoj mehanici čestice više nemaju tako određene i međusobno neovisne karakteristike kao što su položaj u prostoru i brzina, koje se ne mogu promatrati. Umjesto toga, karakterizira ih kvantno stanje koje je kombinacija položaja i brzine.

Kvantna mehanika, općenito govoreći, ne predviđa da bi promatranje trebalo imati bilo kakav određeni rezultat. Umjesto toga, predviđa niz različitih ishoda i daje vjerojatnost svakog od njih. To znači da kada bismo izvršili isto mjerenje za mnogo identičnih sustava, čija su početna stanja ista, otkrili bismo da je u jednom broju slučajeva rezultat mjerenja jednak A, u drugom - B, itd. Mi može predvidjeti u koliko će otprilike slučajeva rezultat biti jednak A i B, ali je nemoguće odrediti rezultat svakog pojedinačnog mjerenja. Dakle, kvantna mehanika u znanost uvodi neizbježan element nepredvidivosti ili slučajnosti. Einstein je vrlo oštro istupio protiv ovog koncepta, unatoč golemoj ulozi koju je on sam odigrao u njegovom razvoju. Za svoj ogroman doprinos kvantnoj teoriji, Einstein je dobio Nobelovu nagradu. Ali nikada se nije mogao složiti da svemirom upravlja slučaj. Svi Einsteinovi osjećaji izraženi su u njegovoj poznatoj izjavi: "Bog se ne kocka." Međutim, većina drugih znanstvenika bila je sklona prihvatiti kvantnu mehaniku jer se savršeno slagala s eksperimentom. Kvantna mehanika je doista izvanredna teorija i temelji se na gotovo cijeloj modernoj znanosti i tehnologiji. Načela kvantne mehanike čine osnovu za rad poluvodiča i integriranih sklopova, koji su najvažniji dio elektroničkih uređaja kao što su televizori i elektronička računala. Moderna kemija i biologija temelje se na kvantnoj mehanici. Jedina područja fizike koja još ne koriste dobro kvantnu mehaniku su teorija gravitacije i teorija strukture svemira velikih razmjera.

Unatoč činjenici da se svjetlosno zračenje sastoji od valova, ipak se, prema Planckovoj hipotezi, svjetlost na neki način ponaša kao da je formirana od čestica: emisija i apsorpcija svjetlosti događa se samo u obliku dijelova, odnosno kvanta. Heisenbergovo načelo nesigurnosti kaže da se čestice, u određenom smislu, ponašaju kao valovi: nemaju određeni položaj u prostoru, već su "razmazane" po njemu s određenom distribucijom vjerojatnosti. Kvantno mehanička teorija koristi potpuno novi matematički aparat, koji više ne opisuje sam stvarni svijet na temelju ideja o česticama i valovima; ti se koncepti sada mogu pripisati samo rezultatima promatranja u ovom svijetu. Tako se u kvantnoj mehanici pojavljuje parcijalni valni dualizam: u nekim slučajevima čestice je zgodno smatrati valovima, dok je u drugima bolje valove smatrati česticama. Iz toga slijedi jedan važan zaključak: možemo promatrati tzv. interferenciju između dva čestična vala. Vrhovi valova jednog od njih mogu se, na primjer, podudarati s dolinama drugog. Dva se vala tada međusobno poništavaju, umjesto da se pojačavaju, sažimajući se, kao što bi se očekivalo, u više valove (Slika 4.1). Dobro poznati primjer interferencije svjetla su mjehurići sapunice koji svjetlucaju u različitim bojama duge. Ovaj fenomen nastaje kao rezultat refleksije svjetlosti od dvije površine tankog sloja vode, koji stvara mjehurić. Bijelo svjetlo sadrži sve vrste valnih duljina koje odgovaraju različitim bojama. Vrhovi nekih valova koji se odbijaju od jedne od površina filma sapuna poklapaju se s dolinama valova iste duljine koji se odbijaju od druge površine mjehurića. Tada će reflektiranoj svjetlosti nedostajati boje koje odgovaraju tim valnim duljinama, a reflektirana svjetlost će izgledati raznobojna.

Dakle, zahvaljujući dualizmu koji je nastao u kvantnoj mehanici, čestice također mogu iskusiti smetnje. Dobro poznati primjer takve interferencije čestica je eksperiment s dva proreza na ekranu (slika 4.2). Razmotrimo zaslon u kojem su izrezana dva uska paralelna proreza. S jedne strane ekrana s prorezima nalazi se izvor svjetlosti određene boje (tj. određene valne duljine). Većina svjetla pada na površinu zaslona, ​​ali mali dio proći će kroz proreze. Zatim zamislite zaslon za promatranje postavljen s druge strane zaslona s prorezima od izvora svjetlosti. Tada će svjetlosni valovi iz oba proreza doći do bilo koje točke na ekranu za promatranje. Ali udaljenost koju svjetlost prijeđe kroz proreze od izvora do ekrana će, općenito govoreći, biti drugačija. To znači da će valovi koji prolaze kroz proreze udarati o ekran u različitim fazama: na nekim mjestima će se međusobno oslabiti, a na drugim će ojačati. Kao rezultat toga, zaslon će dobiti karakterističnu sliku sastavljenu od tamnih i svijetlih pruga.

Iznenađujuće, potpuno iste trake pojavljuju se kada izvor svjetlosti zamijenite izvorom čestica, recimo elektrona, emitiranih određenom brzinom (to znači da odgovaraju valovima određene duljine). Opisani fenomen je tim čudniji jer ako postoji samo jedan prorez, ne pojavljuju se trake i na ekranu se pojavljuje jednostavno jednolika raspodjela elektrona. Moglo bi se pretpostaviti da bi još jedan prorez jednostavno povećao broj elektrona koji pogađaju svaku točku na ekranu, ali zapravo, zbog interferencije, broj tih elektrona na nekim mjestima, naprotiv, opada. Ako propuštate jedan po jedan elektron kroz proreze, očekivali biste da će svaki od njih proći ili kroz jedan ili kroz drugi prorez, tj. da će se ponašati kao da je prorez kroz koji je prošao bio jedini, a zatim jednoliku distribuciju trebao bi se pojaviti na ekranu. Međutim, zapravo se trake pojavljuju čak i kada se elektroni otpuštaju jedan po jedan. Dakle, svaki elektron mora proći kroz oba proreza odjednom!

Fenomen interferencije čestica postao je odlučujući za naše razumijevanje strukture atoma, onih najmanjih “građevnih blokova” koji se razmatraju u kemiji i biologiji i od kojih smo mi sami i sve oko nas izgrađeni. Početkom stoljeća vjerovalo se da su atomi poput sunčevog sustava: elektroni (čestice s negativnim električnim nabojem), poput planeta oko Sunca, kruže oko središnje smještene jezgre koja je pozitivno nabijena. Pretpostavljalo se da elektrone drže u svojim orbitama privlačne sile između pozitivnih i negativnih naboja, slično kao što gravitacijsko privlačenje između Sunca i planeta sprječava planete da napuste svoje orbite. Ovo objašnjenje naišlo je na sljedeće poteškoće: prije pojave kvantne mehanike, zakoni mehanike i elektriciteta predviđali su da će elektroni izgubiti energiju i stoga spiralno krenuti prema središtu atoma i pasti na jezgru. To bi značilo da bi se atomi, a s njima, naravno, i sva materija, trebali brzo urušiti u stanje vrlo visoke gustoće. Posebno rješenje za ovaj problem pronašao je 1913. danski znanstvenik Niels Bohr. Bohr je pretpostavio da se elektroni ne mogu kretati ni po jednoj orbiti, već samo po onoj koja se nalazi na određenim određenim udaljenostima od središnje jezgre. Kad bi se također pretpostavilo da bi svaka takva orbita mogla sadržavati samo jedan ili dva elektrona, tada bi problem kolapsa atoma bio riješen, jer bi tada elektroni, krećući se spiralno prema središtu, mogli ispunjavati orbite samo s minimalnim radijusima i energijama. .

Ovaj model savršeno je objasnio strukturu najjednostavnijeg atoma - atoma vodika, u kojem samo jedan elektron rotira oko jezgre. Međutim, nije bilo jasno kako proširiti isti pristup na složenije atome. Štoviše, pretpostavka o ograničenom broju dopuštenih orbita činila se prilično proizvoljnom. Tu je poteškoću riješila nova teorija - kvantna mehanika. Pokazalo se da se elektron koji rotira oko jezgre može zamisliti kao val čija duljina ovisi o njegovoj brzini. Duž nekih orbita stane cijeli (a ne razlomak) broj valnih duljina elektrona. Kada se kreću tim orbitama, vrhovi valova će završiti na istom mjestu na svakoj orbiti, pa će se valovi zbrajati; takve se orbite klasificiraju kao Bohrove dopuštene orbite. A za one orbite duž kojih ne stane cijeli broj valnih duljina elektrona, svaki greben dok elektroni rotiraju prije ili kasnije se nadoknadi udubljenjem; takve orbite neće biti dopuštene.

Američki znanstvenik Richard Feynman smislio je prekrasan način koji omogućuje vizualizaciju dualnosti val-čestica. Feynman je uveo takozvano zbrajanje po putanjama. U ovom pristupu, za razliku od klasične, nekvantne teorije, ne postoji pretpostavka da bi čestica trebala imati jednu jedinu putanju u prostor-vremenu, već naprotiv, vjeruje se da se čestica može kretati od A do B bilo kojom mogućom putanjom. staza. Svaka trajektorija ima dva pridružena broja: jedan od njih opisuje veličinu vala, a drugi odgovara njegovom položaju u ciklusu (vrh ili dolina). Za određivanje vjerojatnosti prijelaza iz A u B potrebno je zbrojiti valove za sve te putanje. Usporedite li nekoliko susjednih putanja, njihove faze, odnosno položaji u ciklusu, uvelike će se razlikovati. To znači da će se valovi koji odgovaraju takvim putanjama gotovo potpuno međusobno poništiti. Međutim, za neke obitelji susjednih putanja, faze će se malo promijeniti kada se kreću od putanje do putanje, a odgovarajući valovi se neće međusobno poništiti. Takve putanje pripadaju Bohrovim dopuštenim orbitama.

Na temelju takvih ideja, zapisanih u specifičnom matematičkom obliku, bilo je moguće, koristeći relativno jednostavnu shemu, izračunati dopuštene orbite za složenije atome, pa čak i za molekule koje se sastoje od nekoliko atoma koje zajedno drže elektroni čije orbite pokrivaju više od jedna jezgra. Budući da su struktura molekula i reakcije koje se među njima događaju temelj cijele kemije i cijele biologije, kvantna mehanika u načelu omogućuje predviđanje svega što vidimo oko sebe s točnošću koju dopušta načelo nesigurnosti. (Međutim, u praksi se izračuni za sustave koji sadrže mnogo elektrona pokazuju toliko složenima da ih je jednostavno nemoguće izvesti).

Čini se da se velika struktura Svemira pokorava Einsteinovoj općoj teoriji relativnosti. Ova se teorija naziva klasičnom jer ne uzima u obzir kvantno-mehaničko načelo nesigurnosti, koje se mora uzeti u obzir da bi bilo u skladu s drugim teorijama. Ne proturječimo rezultatima promatranja zbog činjenice da su sva gravitacijska polja s kojima obično imamo posla vrlo slaba. Međutim, prema gore spomenutim teoremima singularnosti, gravitacijsko polje bi trebalo postati vrlo jako u najmanje dvije situacije: u slučaju crnih rupa i u slučaju velikog praska. U tako jakim poljima kvantni učinci moraju biti značajni. Stoga je klasična opća teorija relativnosti, nakon što je predvidjela točke u kojima gustoća postaje beskonačna, u određenom smislu predvidjela vlastiti neuspjeh na točno isti način na koji se klasična (tj. nekvantna) mehanika osudila na neuspjeh zaključivši da atomi moraju urušavati sve dok njihova gustoća ne postane beskonačna. Još nemamo cjelovitu teoriju u kojoj bi se opća teorija relativnosti dosljedno kombinirala s kvantnom mehanikom, ali su nam poznata neka svojstva buduće teorije. O tome što slijedi iz ovih svojstava u odnosu na crne rupe i veliki prasak govorit ćemo u sljedećim poglavljima. Prijeđimo sada na najnovije pokušaje objedinjavanja našeg razumijevanja svih drugih sila prirode u jednu jedinstvenu kvantnu teoriju.

Heisenbergovi principi neodređenosti jedan su od problema kvantne mehanike, no prvo se okrećemo razvoju fizičke znanosti u cjelini. Krajem 17. stoljeća Isaac Newton postavio je temelje moderne klasične mehanike. On je bio taj koji je formulirao i opisao njegove osnovne zakone, uz pomoć kojih se može predvidjeti ponašanje tijela oko nas. Do kraja 19. stoljeća činilo se da su te odredbe nepovredive i primjenjive na sve zakone prirode. Činilo se da su problemi fizike kao znanosti riješeni.

No, kako se pokazalo, u to se vrijeme o svojstvima Svemira znalo mnogo manje nego što se činilo. Prvi kamen koji je poremetio sklad klasične mehanike bio je nepoštivanje zakona prostiranja svjetlosnih valova. Tako je tada vrlo mlada znanost elektrodinamika bila prisiljena razviti potpuno drugačiji skup pravila. Ali za teoretske fizičare pojavio se problem: kako dva sustava dovesti do zajedničkog nazivnika. Inače, znanost još uvijek radi na rješenju ovog problema.

Mit o sveobuhvatnoj Newtonovoj mehanici konačno je uništen dubljim proučavanjem strukture atoma. Britanac Ernest Rutherford otkrio je da atom nije nedjeljiva čestica, kako se dosad mislilo, već da sam sadrži neutrone, protone i elektrone. Štoviše, njihovo ponašanje također je bilo u potpunoj suprotnosti s postulatima klasične mehanike. Ako u makrosvijetu gravitacija uvelike određuje prirodu stvari, onda je u svijetu kvantnih čestica to iznimno mala sila međudjelovanja. Tako su postavljeni temelji kvantne mehanike koja je imala i svoje aksiome. Jedna od značajnih razlika između ovih najmanjih sustava i svijeta na koji smo navikli je Heisenbergov princip nesigurnosti. Jasno je pokazao potrebu za drugačijim pristupom tim sustavima.

Heisenbergov princip nesigurnosti

U prvoj četvrtini 20. stoljeća kvantna mehanika poduzela je prve korake, a fizičari diljem svijeta tek su shvatili što nam iz njezinih odredbi slijedi i kakve nam perspektive otvara. Njemački teorijski fizičar Werner Heisenberg formulirao je svoje poznate principe 1927. Heisenbergovi principi sastoje se u činjenici da je nemoguće izračunati i prostorni položaj i brzinu kvantnog objekta u isto vrijeme. Glavni razlog za to je činjenica da mjerenjem već utječemo na sustav koji se mjeri i time ga remetimo. Ako u poznatom nam makrokozmosu procjenjujemo neki predmet, onda čak i kad ga pogledamo, vidimo odsjaj svjetlosti od njega.

Ali Heisenbergovo načelo nesigurnosti kaže da iako u makrokozmosu svjetlost nema utjecaja na mjereni objekt, u slučaju kvantnih čestica fotoni (ili bilo koja druga izvedena mjerenja) imaju značajan utjecaj na česticu. Pritom je zanimljivo primijetiti da je kvantna fizika sasvim sposobna zasebno izmjeriti brzinu ili položaj tijela u prostoru. Ali što su naša očitanja brzine točnija, to ćemo manje znati o našem položaju u prostoru. I obrnuto. Odnosno, Heisenbergovo načelo nesigurnosti stvara određene poteškoće u predviđanju ponašanja kvantnih čestica. Doslovno to izgleda ovako: mijenjaju svoje ponašanje kada ih pokušamo promatrati.