Prinsip ketidakpastian adalah hukum dasar dunia mikro. Hal ini dapat dianggap sebagai ekspresi khusus dari prinsip saling melengkapi.

Dalam mekanika klasik, sebuah partikel bergerak sepanjang lintasan tertentu, dan setiap saat dimungkinkan untuk menentukan koordinat dan momentumnya secara akurat. Mengenai mikropartikel, gagasan ini tidak benar. Mikropartikel tidak memiliki lintasan yang jelas; ia memiliki sifat partikel dan sifat gelombang (dualitas gelombang-partikel). Dalam hal ini, konsep "panjang gelombang pada suatu titik tertentu" tidak memiliki arti fisik, dan karena momentum mikropartikel dinyatakan dalam panjang gelombang - P=Ke/ l, maka mikropartikel dengan momentum tertentu mempunyai koordinat yang sama sekali tidak pasti, dan sebaliknya.

W. Heisenberg (1927), dengan mempertimbangkan sifat ganda mikropartikel, sampai pada kesimpulan bahwa tidak mungkin mengkarakterisasi mikropartikel secara bersamaan dengan koordinat dan momentum dengan akurasi yang telah ditentukan.

Pertidaksamaan berikut ini disebut hubungan ketidakpastian Heisenberg:

Δx Δ P X ≥ jam,Δ kamuΔp kamu ≥ jam,Δ zΔpz ≥ H.

Di sini Δx, Δy, Δz berarti interval koordinat di mana mikropartikel dapat dilokalisasi (interval ini adalah ketidakpastian koordinat), Δ P X , Δ P kamu , Δ P z berarti interval proyeksi pulsa ke sumbu koordinat x, y, z, jam– Konstanta Planck. Menurut prinsip ketidakpastian, semakin akurat impuls dicatat, semakin besar ketidakpastian koordinatnya, dan sebaliknya.

Prinsip korespondensi

Ketika sains berkembang dan akumulasi pengetahuan semakin dalam, teori-teori baru menjadi lebih akurat. Teori-teori baru mencakup cakrawala dunia material yang semakin luas dan menembus kedalaman yang belum pernah dijelajahi sebelumnya. Teori dinamis digantikan oleh teori statis.

Setiap teori fundamental memiliki batasan penerapan tertentu. Oleh karena itu, munculnya teori baru tidak berarti penolakan total terhadap teori lama. Jadi, pergerakan benda di makrokosmos dengan kecepatan yang jauh lebih rendah daripada kecepatan cahaya akan selalu dijelaskan oleh mekanika klasik Newton. Namun, pada kecepatan yang sebanding dengan kecepatan cahaya (kecepatan relativistik), mekanika Newton tidak dapat diterapkan.

Secara obyektif, terdapat kesinambungan teori fisika fundamental. Demikianlah asas korespondensi, yang dapat dirumuskan sebagai berikut: tidak ada teori baru yang valid kecuali teori tersebut memuat teori lama yang berkaitan dengan fenomena yang sama sebagai kasus pembatas, karena teori lama telah membuktikan dirinya di bidangnya.

3.4. Konsep keadaan sistem. determinisme Laplace

Dalam fisika klasik, sistem dipahami sebagai kumpulan beberapa bagian yang terhubung satu sama lain dengan cara tertentu. Bagian-bagian (elemen) sistem tersebut dapat saling mempengaruhi, dan diasumsikan bahwa interaksinya selalu dapat dinilai dari sudut pandang hubungan sebab-akibat antara elemen-elemen sistem yang berinteraksi.

Doktrin filosofis tentang objektivitas hubungan alamiah dan saling ketergantungan fenomena dunia material dan spiritual disebut determinisme. Konsep sentral determinisme adalah keberadaan hubungan sebab dan akibat; Kausalitas terjadi ketika suatu fenomena menimbulkan fenomena (akibat) yang lain.

Fisika klasik berdiri pada posisi determinisme kaku, yang disebut Laplaceian - Pierre Simon Laplace-lah yang memproklamirkan prinsip kausalitas sebagai hukum dasar alam. Laplace percaya bahwa jika letak unsur-unsur (benda tertentu) suatu sistem dan gaya-gaya yang bekerja di dalamnya diketahui, maka dimungkinkan untuk memprediksi dengan pasti bagaimana setiap benda dalam sistem ini akan bergerak sekarang dan di masa depan. Ia menulis: “Kita harus menganggap keadaan alam semesta saat ini sebagai akibat dari keadaan sebelumnya dan sebagai penyebab keadaan berikutnya. Suatu pikiran yang pada saat tertentu mengetahui semua kekuatan yang bekerja di alam, dan posisi relatif dari semua entitas penyusunnya, jika ia masih begitu luas untuk memperhitungkan semua data ini, akan mencakup gerakan-gerakan dalam satu rumusan yang sama. dari benda terbesar di alam semesta dan atom paling ringan. Tidak ada yang tidak pasti baginya, dan masa depan, seperti masa lalu, akan terbentang di depan matanya.” Secara tradisional, makhluk hipotetis ini, yang (menurut Laplace) dapat memprediksi perkembangan Alam Semesta, dalam sains disebut “iblis Laplace”.

Pada periode klasik perkembangan ilmu pengetahuan alam, ditegaskan gagasan bahwa hanya hukum dinamis yang sepenuhnya mencirikan kausalitas di alam.

Laplace mencoba menjelaskan seluruh dunia, termasuk fenomena fisiologis, psikologis, dan sosial dari sudut pandang determinisme mekanistik, yang ia anggap sebagai prinsip metodologis untuk membangun ilmu apa pun. Laplace melihat contoh bentuk pengetahuan ilmiah dalam mekanika angkasa. Jadi, determinisme Laplace menyangkal sifat objektif dari peluang, konsep probabilitas suatu peristiwa.

Perkembangan lebih lanjut ilmu pengetahuan alam memunculkan gagasan-gagasan baru tentang sebab dan akibat. Untuk beberapa proses alami, sulit untuk menentukan penyebabnya—misalnya peluruhan radioaktif terjadi secara acak. Tidak mungkin untuk secara jelas menghubungkan waktu “keberangkatan” partikel α atau β dari inti dan nilai energinya. Proses-proses tersebut secara obyektif bersifat acak. Ada banyak contoh seperti itu dalam biologi. Dalam ilmu pengetahuan alam modern, determinisme modern menawarkan berbagai bentuk interkoneksi proses dan fenomena yang ada secara objektif, banyak di antaranya diekspresikan dalam bentuk hubungan yang tidak memiliki hubungan sebab akibat yang jelas, yaitu tidak mengandung momen-momen pembangkitan satu demi satu. lain. Ini adalah hubungan ruang-waktu, hubungan simetri dan ketergantungan fungsional tertentu, hubungan probabilistik, dll. Namun, semua bentuk interaksi nyata dari fenomena terbentuk atas dasar kausalitas aktif universal, di luarnya tidak ada satu pun fenomena realitas yang ada. termasuk apa yang disebut fenomena acak, yang bersama-sama mewujudkan hukum statis.

Ilmu pengetahuan terus berkembang dan diperkaya dengan konsep, hukum, dan prinsip baru, yang menunjukkan keterbatasan determinisme Laplace. Namun, fisika klasik, khususnya mekanika klasik, masih memiliki penerapan tersendiri hingga saat ini. Hukumnya cukup berlaku untuk gerakan yang relatif lambat, yang kecepatannya jauh lebih kecil daripada kecepatan cahaya. Pentingnya fisika klasik di zaman modern didefinisikan dengan baik oleh salah satu pencipta mekanika kuantum, Niels Bohr: “Tidak peduli seberapa jauh fenomena melampaui penjelasan fisika klasik, semua data eksperimen harus dijelaskan menggunakan konsep klasik. Alasannya hanyalah untuk menyatakan arti sebenarnya dari kata “eksperimen”. Dengan kata "eksperimen" kita menunjukkan situasi di mana kita dapat memberitahu orang lain apa yang telah kita lakukan dan apa yang sebenarnya telah kita pelajari. Oleh karena itu, pengaturan eksperimen dan hasil observasi harus dijelaskan dengan jelas dalam bahasa fisika klasik.”

PRINSIP KETIDAKPASTIAN:

Prinsip ketidakpastian – posisi mendasar teori kuantum, yang menyatakan bahwa sistem fisik apa pun tidak dapat berada dalam keadaan di mana koordinat pusat inersia dan momentumnya secara bersamaan mempunyai nilai pasti dan terdefinisi dengan baik. Secara kuantitatif, prinsip ketidakpastian dirumuskan sebagai berikut. Jika ∆x adalah ketidakpastian nilai koordinat x pusat inersia sistem, dan ∆p x adalah ketidakpastian proyeksi momentum p pada sumbu x, maka hasil kali ketidakpastian tersebut harus berurutan dari besarnya tidak kurang dari konstanta Planck ħ. Ketimpangan serupa harus dipenuhi untuk setiap pasangan yang disebut variabel konjugasi kanonik, misalnya untuk koordinat y dan proyeksi momentum p y pada sumbu y, koordinat z dan proyeksi momentum p z. Jika yang dimaksud dengan ketidakpastian posisi dan momentum adalah simpangan akar-rata-rata-kuadrat besaran-besaran fisika ini dari nilai rata-ratanya, maka prinsip ketidakpastiannya berbentuk:

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

Karena kecilnya ħ dibandingkan dengan besaran makroskopik berdimensi sama, penerapan prinsip ketidakpastian penting terutama untuk fenomena skala atom (dan lebih kecil) dan tidak muncul dalam eksperimen dengan benda makroskopik.

Dari prinsip ketidakpastian dapat disimpulkan bahwa semakin tepat salah satu besaran yang termasuk dalam pertidaksamaan ditentukan, semakin kecil kepastian nilai besaran lainnya. Tidak ada eksperimen yang dapat mengukur variabel dinamis tersebut secara akurat secara bersamaan; Selain itu, ketidakpastian dalam pengukuran tidak disebabkan oleh ketidaksempurnaan teknologi eksperimental, tetapi karena sifat objektif materi.

Prinsip ketidakpastian, ditemukan pada tahun 1927 oleh fisikawan Jerman W. Heisenberg, merupakan langkah penting dalam menjelaskan hukum fenomena intra-atom dan membangun mekanika kuantum. Ciri penting benda mikroskopis adalah sifat gelombang partikelnya. Keadaan partikel sepenuhnya ditentukan oleh fungsi gelombang (kuantitas yang sepenuhnya menggambarkan keadaan objek mikro (elektron, proton, atom, molekul) dan, secara umum, sistem kuantum apa pun). Sebuah partikel dapat dideteksi di titik mana pun dalam ruang yang fungsi gelombangnya bukan nol. Oleh karena itu, hasil percobaan untuk menentukan, misalnya koordinat, bersifat probabilistik.

(Contoh: pergerakan sebuah elektron mewakili perambatan gelombangnya sendiri. Jika Anda menembakkan seberkas elektron melalui lubang sempit di dinding: berkas sempit tersebut akan melewatinya. Namun jika Anda membuat lubang ini lebih kecil lagi, sedemikian rupa sehingga diameternya sama besarnya dengan panjang gelombang elektron, maka berkas elektron akan menyebar ke segala arah. Dan ini bukanlah penyimpangan yang disebabkan oleh atom-atom terdekat pada dinding, yang dapat dihilangkan: ini terjadi karena gelombang sifat elektron. Cobalah untuk memprediksi apa yang akan terjadi selanjutnya pada elektron yang melewati dinding, dan Anda akan mendapati diri Anda tidak berdaya, pada titik mana ia memotong dinding, tetapi Anda tidak dapat mengatakan berapa momentum dalam arah melintangnya memperoleh. Sebaliknya, untuk menentukan secara akurat bahwa elektron akan muncul dengan momentum tertentu pada arah awalnya, Anda perlu memperbesar lubang agar gelombang elektron melewati garis lurus, hanya sedikit menyimpang ke segala arah terhadap difraksi. Namun tidak mungkin untuk mengatakan dengan tepat di mana partikel elektron melewati dinding: lubangnya lebar. Semakin banyak Anda memperoleh keakuratan dalam menentukan impuls, Anda kehilangan keakuratan dalam mengetahui posisinya.

Ini adalah prinsip ketidakpastian Heisenberg. Dia memainkan peran yang sangat penting dalam pembangunan peralatan matematika untuk menggambarkan gelombang partikel dalam atom. Interpretasi ketatnya dalam eksperimen dengan elektron adalah sebagai berikut: seperti gelombang cahaya, elektron menolak segala upaya untuk melakukan pengukuran dengan akurasi ekstrem. Prinsip ini juga mengubah gambaran atom Bohr. Momentum sebuah elektron (dan juga tingkat energinya) pada beberapa orbitnya dapat ditentukan dengan tepat, namun lokasinya sama sekali tidak diketahui: tidak ada yang dapat mengetahui di mana letak elektron tersebut. Dari sini jelas bahwa menggambar orbit elektron yang jelas dan menandainya dalam bentuk lingkaran tidak ada artinya.)

Akibatnya, ketika melakukan serangkaian percobaan yang identik, menurut definisi koordinat yang sama, dalam sistem yang identik, diperoleh hasil yang berbeda setiap kali. Namun, beberapa nilai akan lebih mungkin muncul dibandingkan nilai lainnya, artinya nilai tersebut akan lebih sering muncul. Frekuensi relatif kemunculan nilai koordinat tertentu sebanding dengan kuadrat modulus fungsi gelombang pada titik-titik yang bersesuaian dalam ruang. Oleh karena itu, paling sering nilai koordinat yang diperoleh adalah nilai yang mendekati maksimum fungsi gelombang. Tetapi beberapa nilai koordinat yang tersebar, beberapa ketidakpastian (pada urutan setengah lebar maksimum) tidak dapat dihindari. Hal yang sama berlaku untuk pengukuran impuls.

Dengan demikian, konsep koordinat dan momentum dalam pengertian klasik tidak dapat diterapkan pada benda mikroskopis. Saat menggunakan besaran ini untuk mendeskripsikan sistem mikroskopis, koreksi kuantum perlu dimasukkan ke dalam interpretasinya. Amandemen ini adalah prinsip ketidakpastian.

Prinsip ketidakpastian energi ε dan waktu t mempunyai arti yang sedikit berbeda:

∆ε ∆t ≥ ħ

Jika sistem berada dalam keadaan stasioner, maka dari prinsip ketidakpastian dapat disimpulkan bahwa energi sistem, bahkan dalam keadaan ini, hanya dapat diukur dengan ketelitian tidak melebihi ħ/∆t, dimana ∆t adalah durasi waktu. proses pengukuran. Alasannya adalah interaksi sistem dengan alat ukur, dan prinsip ketidakpastian yang diterapkan pada kasus ini berarti bahwa energi interaksi antara alat ukur dan sistem yang diteliti hanya dapat diperhitungkan dengan ketelitian ħ/ ∆t.

Dipengaruhi oleh keberhasilan teori-teori ilmiah khususnya teori gravitasi Newton, ilmuwan Perancis Pierre Laplace pada awal abad ke-19. pandangan tentang Alam Semesta sebagai objek yang sepenuhnya ditentukan dikembangkan. Laplace percaya bahwa pasti ada seperangkat hukum ilmiah yang memungkinkan untuk memprediksi segala sesuatu yang dapat terjadi di Alam Semesta, jika saja diketahui gambaran lengkap tentang keadaannya pada suatu saat. Misalnya, jika kita mengetahui posisi Matahari dan planet-planet pada suatu waktu tertentu, maka dengan menggunakan hukum Newton kita dapat menghitung keadaan tata surya pada waktu lain. Dalam hal ini, determinisme cukup jelas, namun Laplace melangkah lebih jauh dengan menyatakan bahwa ada hukum serupa untuk segala hal, termasuk perilaku manusia.

Doktrin determinisme ilmiah mendapat penolakan keras dari banyak orang yang merasa bahwa doktrin ini membatasi campur tangan bebas Tuhan dalam dunia kita; namun demikian, gagasan ini tetap menjadi hipotesis ilmiah yang umum di awal abad kita. Salah satu indikasi pertama perlunya meninggalkan determinisme adalah hasil perhitungan dua fisikawan Inggris, John Rayleigh dan James Jeans, yang menyatakan bahwa benda panas seperti bintang harus memancarkan energi yang jauh lebih besar setiap saat. Menurut hukum yang diketahui saat itu, benda panas harus memancarkan gelombang elektromagnetik dari semua frekuensi secara merata (misalnya gelombang radio, cahaya tampak, sinar-X). Artinya, jumlah energi yang sama harus dipancarkan baik dalam bentuk gelombang dengan frekuensi antara satu hingga dua juta juta gelombang per detik, maupun dalam bentuk gelombang yang frekuensinya berkisar antara dua hingga tiga juta gelombang per detik. . Dan karena terdapat banyak sekali frekuensi yang berbeda, total energi yang dipancarkan pastilah tidak terbatas.

Untuk menghilangkan kesimpulan yang tampaknya tidak masuk akal ini, ilmuwan Jerman Max Planck pada tahun 1900 menerima hipotesis bahwa cahaya, sinar-X, dan gelombang lainnya tidak dapat dipancarkan dengan intensitas sembarangan, tetapi harus dipancarkan hanya dalam porsi tertentu, yang oleh Planck disebut kuanta. Selain itu, Planck mengemukakan bahwa setiap kuantum radiasi membawa sejumlah energi tertentu, yang semakin besar frekuensi gelombangnya. Jadi, pada frekuensi yang cukup tinggi, energi satu kuantum dapat melebihi jumlah energi yang tersedia dan, akibatnya, radiasi frekuensi tinggi akan ditekan, dan laju hilangnya energi oleh tubuh akan terbatas.

Hipotesis kuantum sangat sesuai dengan intensitas radiasi benda panas yang teramati, namun maknanya bagi determinisme masih belum jelas sampai tahun 1926, ketika ilmuwan Jerman lainnya, Werner Heisenberg, merumuskan prinsip ketidakpastian yang terkenal. Untuk memprediksi posisi dan kecepatan suatu partikel, Anda harus mampu melakukan pengukuran posisi dan kecepatannya secara akurat pada saat ini. Jelasnya, untuk melakukan ini, cahaya harus diarahkan pada partikel tersebut. Sebagian gelombang cahaya akan dihamburkan olehnya, sehingga kita dapat menentukan posisi partikel di ruang angkasa. Namun, keakuratan pengukuran ini tidak akan lebih besar dari jarak antara puncak dua gelombang yang berdekatan, dan oleh karena itu diperlukan cahaya dengan panjang gelombang pendek untuk mengukur posisi partikel secara akurat. Menurut hipotesis Planck, cahaya tidak dapat digunakan dalam porsi kecil secara sembarangan, dan tidak ada porsi yang lebih kecil dari satu kuantum. Kuantum cahaya ini akan mengganggu pergerakan partikel dan mengubah kecepatannya secara tidak terduga. Selain itu, semakin akurat posisinya diukur, semakin pendek panjang gelombang cahayanya, dan oleh karena itu, energi satu kuantumnya akan semakin besar. Artinya gangguan kecepatan partikel akan semakin besar. Dengan kata lain, semakin akurat Anda mencoba mengukur posisi suatu partikel, semakin kurang akurat pengukuran kecepatannya, dan sebaliknya. Heisenberg menunjukkan bahwa ketidakpastian posisi suatu partikel, dikalikan dengan ketidakpastian kecepatan dan massanya, tidak boleh kurang dari suatu bilangan tertentu, yang sekarang disebut konstanta Planck. Angka ini tidak bergantung pada cara pengukuran posisi atau kecepatan partikel, atau pada jenis partikel tersebut, yaitu prinsip ketidakpastian Heisenberg adalah properti fundamental dan wajib di dunia kita.

Prinsip ketidakpastian memiliki konsekuensi luas terkait persepsi kita terhadap dunia di sekitar kita. Bahkan setelah lebih dari lima puluh tahun, banyak filsuf yang belum secara pasti menyetujuinya, dan konsekuensi ini masih menjadi bahan perdebatan. Prinsip ketidakpastian berarti akhir dari impian Laplace akan teori ilmiah yang akan memberikan model alam semesta yang sepenuhnya deterministik: tentu saja, bagaimana seseorang dapat memprediksi masa depan secara akurat tanpa mampu melakukan pengukuran akurat terhadap keadaan alam semesta saat ini. momen! Tentu saja, kita dapat membayangkan bahwa ada seperangkat hukum tertentu yang sepenuhnya menentukan kejadian-kejadian bagi makhluk gaib tertentu yang mampu mengamati keadaan Alam Semesta saat ini tanpa mengganggunya dengan cara apa pun. Namun, model alam semesta seperti itu tidak menarik bagi kita, manusia biasa. Mungkin akan lebih baik jika menggunakan prinsip “ekonomi”, yang disebut dengan prinsip “Occam's Razor” (W. Ockham /1285‑1349/ - Filsuf Inggris. Inti dari prinsip “Occam's Razor”: konsep-konsep yang tidak dapat diverifikasi dalam pengalaman harus dikeluarkan dari sains - catatan editor) ambil dan hilangkan semua ketentuan teori yang tidak dapat diamati. Dengan mengadopsi pendekatan ini, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger dan Paul Dirac pada tahun 20-an abad kita merevisi mekanika dan sampai pada teori baru - mekanika kuantum, yang didasarkan pada prinsip ketidakpastian. Dalam mekanika kuantum, partikel tidak lagi mempunyai karakteristik tertentu dan saling independen seperti posisi dalam ruang dan kecepatan, yang tidak dapat diamati. Sebaliknya, mereka dicirikan oleh keadaan kuantum yang merupakan kombinasi posisi dan kecepatan.

Mekanika kuantum, secara umum, tidak meramalkan bahwa suatu observasi akan mempunyai hasil yang pasti. Sebaliknya, ia memprediksi sejumlah hasil yang berbeda dan memberikan probabilitas masing-masing hasil tersebut. Artinya, jika kita melakukan pengukuran yang sama untuk banyak sistem identik, yang keadaan awalnya sama, kita akan menemukan bahwa dalam beberapa kasus hasil pengukurannya sama dengan A, di kasus lain - B, dan seterusnya. dapat memprediksi berapa banyak Dalam kira-kira kasus, hasilnya akan sama dengan A dan B, tetapi tidak mungkin menentukan hasil dari setiap pengukuran tertentu. Dengan demikian, mekanika kuantum memperkenalkan elemen ketidakpastian atau keacakan yang tak terelakkan ke dalam sains. Einstein sangat menentang konsep ini, meskipun dia sendiri memainkan peran besar dalam perkembangannya. Atas kontribusinya yang sangat besar terhadap teori kuantum, Einstein dianugerahi Hadiah Nobel. Namun dia tidak pernah setuju bahwa alam semesta diatur oleh kebetulan. Semua perasaan Einstein diungkapkan dalam pernyataannya yang terkenal: “Tuhan tidak bermain dadu.” Namun, sebagian besar ilmuwan lain cenderung menerima mekanika kuantum karena sangat sesuai dengan eksperimen. Mekanika kuantum memang merupakan teori yang luar biasa dan mendasari hampir semua ilmu pengetahuan dan teknologi modern. Prinsip mekanika kuantum menjadi dasar pengoperasian semikonduktor dan sirkuit terpadu, yang merupakan bagian terpenting dari perangkat elektronik seperti televisi dan komputer elektronik. Kimia dan biologi modern didasarkan pada mekanika kuantum. Satu-satunya bidang fisika yang belum memanfaatkan mekanika kuantum dengan baik adalah teori gravitasi dan teori struktur skala besar Alam Semesta.

Meskipun radiasi cahaya terdiri dari gelombang, namun menurut hipotesis Planck, cahaya dalam beberapa hal berperilaku seolah-olah dibentuk oleh partikel: emisi dan penyerapan cahaya hanya terjadi dalam bentuk porsi, atau kuanta. Prinsip ketidakpastian Heisenberg mengatakan bahwa partikel, dalam arti tertentu, berperilaku seperti gelombang: mereka tidak memiliki posisi tertentu dalam ruang, tetapi “diolesi” di atasnya dengan distribusi probabilitas tertentu. Teori mekanika kuantum menggunakan peralatan matematika yang benar-benar baru, yang tidak lagi menggambarkan dunia nyata itu sendiri berdasarkan gagasan tentang partikel dan gelombang; konsep-konsep ini sekarang hanya dapat dikaitkan dengan hasil pengamatan di dunia ini. Jadi, dalam mekanika kuantum, dualisme gelombang parsial muncul: dalam beberapa kasus lebih mudah untuk menganggap partikel sebagai gelombang, sementara dalam kasus lain lebih baik untuk menganggap gelombang sebagai partikel. Satu kesimpulan penting berikut ini: kita dapat mengamati apa yang disebut interferensi antara dua gelombang partikel. Puncak gelombang salah satunya mungkin, misalnya, bertepatan dengan lembah gelombang lainnya. Kedua gelombang tersebut kemudian menghilangkan satu sama lain dan tidak saling menguatkan, sehingga menyimpulkan, seperti yang diharapkan, menjadi gelombang yang lebih tinggi (Gambar 4.1). Contoh interferensi cahaya yang terkenal adalah gelembung sabun yang berkilauan dalam berbagai warna pelangi. Fenomena ini terjadi akibat pantulan cahaya dari dua permukaan lapisan tipis air sehingga membentuk gelembung. Cahaya putih mengandung semua jenis panjang gelombang yang sesuai dengan warna berbeda. Puncak beberapa gelombang yang dipantulkan dari salah satu permukaan lapisan sabun bertepatan dengan lembah gelombang dengan panjang yang sama yang dipantulkan dari permukaan kedua gelembung. Kemudian cahaya yang dipantulkan akan kekurangan warna yang sesuai dengan panjang gelombang tersebut, dan cahaya yang dipantulkan akan tampak beraneka warna.

Jadi, berkat dualisme yang muncul dalam mekanika kuantum, partikel juga bisa mengalami interferensi. Contoh terkenal dari interferensi partikel adalah eksperimen dengan dua celah di layar (Gbr. 4.2). Misalkan sebuah layar di mana dua celah paralel sempit dipotong. Di satu sisi layar dengan celah terdapat sumber cahaya dengan warna tertentu (yaitu panjang gelombang tertentu). Sebagian besar cahaya mengenai permukaan layar, namun sebagian kecil akan melewati celah tersebut. Selanjutnya, bayangkan sebuah layar observasi dipasang di sisi lain layar dengan celah dari sumber cahaya. Kemudian gelombang cahaya dari kedua celah tersebut akan mencapai titik mana pun di layar pengamatan. Namun jarak yang ditempuh cahaya melalui celah dari sumber ke layar, secara umum, akan berbeda. Artinya, gelombang yang melewati celah tersebut akan menghantam layar dalam fase yang berbeda-beda: di beberapa tempat akan saling melemahkan, dan di tempat lain akan saling menguatkan. Hasilnya, layar akan mendapatkan gambaran khas berupa garis-garis gelap dan terang.

Anehnya, pita yang persis sama muncul ketika Anda mengganti sumber cahaya dengan sumber partikel, misalnya elektron, yang dipancarkan pada kecepatan tertentu (yang berarti pita tersebut berhubungan dengan gelombang dengan panjang tertentu). Fenomena yang dijelaskan ini semakin aneh karena jika hanya ada satu celah, tidak ada pita yang muncul dan distribusi elektron yang seragam muncul di layar. Orang mungkin berasumsi bahwa celah lain hanya akan meningkatkan jumlah elektron yang mengenai setiap titik di layar, namun kenyataannya, karena interferensi, jumlah elektron di beberapa tempat justru berkurang. Jika Anda melewatkan satu elektron pada suatu waktu melalui celah tersebut, Anda akan mengharapkan masing-masing elektron melewati salah satu celah atau celah lainnya, yaitu berperilaku seolah-olah celah yang dilaluinya adalah satu-satunya celah, dan kemudian terjadi distribusi yang seragam. akan muncul di layar. Namun kenyataannya, pita tersebut muncul bahkan ketika elektron dilepaskan satu per satu. Oleh karena itu, setiap elektron harus melewati kedua celah sekaligus!

Fenomena interferensi partikel telah menjadi penentu bagi pemahaman kita tentang struktur atom, “bahan penyusun” terkecil yang dipertimbangkan dalam kimia dan biologi dan dari mana kita sendiri dan segala sesuatu di sekitar kita dibangun. Pada awal abad ini, atom dianggap seperti tata surya: elektron (partikel yang membawa muatan listrik negatif), seperti planet-planet yang mengelilingi Matahari, berputar mengelilingi inti yang terletak di pusat dan bermuatan positif. Diasumsikan bahwa elektron tertahan pada orbitnya oleh gaya tarik menarik antara muatan positif dan negatif, mirip dengan bagaimana gaya tarik gravitasi antara Matahari dan planet mencegah planet meninggalkan orbitnya. Penjelasan ini menemui kesulitan berikut: sebelum munculnya mekanika kuantum, hukum mekanika dan kelistrikan meramalkan bahwa elektron akan kehilangan energi dan karenanya berputar menuju pusat atom dan jatuh ke inti atom. Ini berarti bahwa atom-atom, dan tentu saja, semua materi, akan segera runtuh ke dalam keadaan kepadatan yang sangat tinggi. Solusi khusus untuk masalah ini ditemukan pada tahun 1913 oleh ilmuwan Denmark Niels Bohr. Bohr mendalilkan bahwa elektron tidak dapat bergerak pada orbit mana pun, tetapi hanya pada orbit yang terletak pada jarak tertentu dari inti pusat. Jika juga dibuat asumsi bahwa setiap orbit hanya dapat memuat satu atau dua elektron, maka masalah keruntuhan atom akan terpecahkan, karena elektron, yang bergerak secara spiral menuju pusat, hanya dapat mengisi orbit dengan jari-jari dan energi yang minimal. .

Model ini dengan sempurna menjelaskan struktur atom paling sederhana - atom hidrogen, di mana hanya satu elektron yang berputar mengelilingi inti. Namun, masih belum jelas bagaimana menerapkan pendekatan yang sama pada atom yang lebih kompleks. Selain itu, asumsi mengenai jumlah orbit yang diizinkan terbatas tampaknya cukup sewenang-wenang. Kesulitan ini diselesaikan dengan teori baru - mekanika kuantum. Ternyata elektron yang berputar mengelilingi inti dapat dibayangkan sebagai gelombang yang panjangnya bergantung pada kecepatannya. Sepanjang beberapa orbit, jumlah panjang gelombang elektron bilangan bulat (bukan pecahan) cocok. Ketika bergerak sepanjang orbit ini, puncak gelombang akan berakhir di tempat yang sama pada setiap orbit, dan oleh karena itu gelombang akan bertambah; orbit tersebut diklasifikasikan sebagai orbit yang diizinkan Bohr. Dan untuk orbit-orbit yang panjang gelombang elektronnya tidak sesuai dengan bilangan bulat, setiap punggung bukit seiring dengan perputaran elektron, cepat atau lambat akan dikompensasi oleh sebuah palung; orbit seperti itu tidak akan diizinkan.

Ilmuwan Amerika Richard Feynman menemukan cara indah yang memungkinkan untuk memvisualisasikan dualitas gelombang-partikel. Feynman memperkenalkan apa yang disebut penjumlahan lintasan. Dalam pendekatan ini, tidak seperti teori klasik non-kuantum, tidak ada asumsi bahwa sebuah partikel harus mempunyai satu lintasan tunggal dalam ruang-waktu, namun sebaliknya, diyakini bahwa partikel tersebut dapat berpindah dari A ke B sepanjang jarak yang memungkinkan. jalur. Setiap lintasan memiliki dua angka yang terkait dengannya: salah satunya menggambarkan ukuran gelombang, dan yang lainnya sesuai dengan posisinya dalam siklus (puncak atau lembah). Untuk menentukan probabilitas transisi dari A ke B, perlu untuk menjumlahkan gelombang untuk semua lintasan tersebut. Jika Anda membandingkan beberapa lintasan yang bertetangga, fase atau posisinya dalam siklus akan sangat berbeda. Ini berarti bahwa gelombang-gelombang yang bersesuaian dengan lintasan-lintasan tersebut hampir sepenuhnya akan menghilangkan satu sama lain. Namun, untuk beberapa kelompok lintasan yang bertetangga, fase-fasenya akan sedikit berubah ketika berpindah dari lintasan ke lintasan, dan gelombang yang bersangkutan tidak akan saling meniadakan. Lintasan seperti itu termasuk dalam orbit yang diizinkan Bohr.

Berdasarkan gagasan tersebut, yang ditulis dalam bentuk matematika tertentu, dengan menggunakan skema yang relatif sederhana, dimungkinkan untuk menghitung orbit yang diperbolehkan untuk atom yang lebih kompleks dan bahkan untuk molekul yang terdiri dari beberapa atom yang diikat oleh elektron yang orbitnya mencakup lebih dari satu atom. satu inti. Karena struktur molekul dan reaksi yang terjadi di antara mereka adalah dasar dari semua kimia dan biologi, mekanika kuantum pada prinsipnya memungkinkan kita untuk memprediksi segala sesuatu yang kita lihat di sekitar kita dengan akurasi yang diperbolehkan oleh prinsip ketidakpastian. (Namun, dalam praktiknya, perhitungan untuk sistem yang mengandung banyak elektron ternyata sangat rumit sehingga tidak mungkin dilakukan).

Struktur alam semesta berskala besar tampaknya mematuhi teori relativitas umum Einstein. Teori ini disebut klasik karena tidak memperhitungkan prinsip ketidakpastian mekanika kuantum yang harus diperhatikan agar konsisten dengan teori lain. Kami tidak membantah hasil pengamatan karena fakta bahwa semua medan gravitasi yang biasanya kami hadapi sangat lemah. Namun, menurut teorema singularitas yang dibahas di atas, medan gravitasi seharusnya menjadi sangat kuat setidaknya dalam dua situasi: dalam kasus lubang hitam dan dalam kasus big bang. Dalam medan yang kuat seperti itu, efek kuantum haruslah signifikan. Oleh karena itu, teori relativitas umum klasik, setelah meramalkan titik-titik di mana kepadatan menjadi tak terhingga, dalam arti tertentu meramalkan kegagalannya dengan cara yang persis sama seperti mekanika klasik (yakni, non-kuantum) yang mengalami kegagalan dengan menyimpulkan bahwa atom pasti mengalami kegagalan. runtuh sampai kepadatannya menjadi tak terbatas. Kita belum memiliki teori lengkap yang dapat secara konsisten menggabungkan teori relativitas umum dengan mekanika kuantum, namun kita mengetahui beberapa sifat teori masa depan. Kita akan membicarakan sifat-sifat ini sehubungan dengan lubang hitam dan Big Bang di bab-bab berikutnya. Sekarang mari kita beralih ke upaya terbaru untuk menyatukan pemahaman kita tentang semua kekuatan alam lainnya ke dalam satu teori kuantum terpadu.

Prinsip ketidakpastian Heisenberg adalah salah satu permasalahan mekanika kuantum, namun pertama-tama kita beralih ke perkembangan ilmu fisika secara keseluruhan. Pada akhir abad ke-17, Isaac Newton meletakkan dasar bagi mekanika klasik modern. Dialah yang merumuskan dan menggambarkan hukum-hukum dasarnya, yang dengannya seseorang dapat memprediksi perilaku benda-benda di sekitar kita. Pada akhir abad ke-19, ketentuan ini tampaknya tidak dapat diganggu gugat dan berlaku terhadap semua hukum alam. Permasalahan fisika sebagai ilmu sepertinya telah terpecahkan.

Namun, ternyata, pada saat itu yang diketahui tentang sifat-sifat Alam Semesta jauh lebih sedikit dibandingkan yang terlihat. Batu pertama yang mengganggu keselarasan mekanika klasik adalah ketidaktaatannya terhadap hukum perambatan gelombang cahaya. Dengan demikian, ilmu elektrodinamika yang masih sangat muda pada saat itu terpaksa mengembangkan seperangkat aturan yang sama sekali berbeda. Namun bagi fisikawan teoretis, muncul masalah: bagaimana membawa dua sistem ke penyebut yang sama. Ngomong-ngomong, ilmu pengetahuan masih berupaya mencari solusi untuk masalah ini.

Mitos mekanika Newton yang mencakup segalanya akhirnya dihancurkan dengan studi yang lebih mendalam tentang struktur atom. Orang Inggris Ernest Rutherford menemukan bahwa atom bukanlah partikel yang tidak dapat dibagi lagi, seperti yang diperkirakan sebelumnya, tetapi atom itu sendiri mengandung neutron, proton, dan elektron. Selain itu, perilaku mereka juga sama sekali tidak sesuai dengan postulat mekanika klasik. Jika di dunia makro gravitasi sangat menentukan sifat segala sesuatu, maka di dunia partikel kuantum gravitasi adalah gaya interaksi yang sangat kecil. Dengan demikian, dasar-dasar mekanika kuantum diletakkan, yang juga memiliki aksiomanya sendiri. Salah satu perbedaan signifikan antara sistem terkecil ini dan sistem yang biasa kita gunakan adalah prinsip ketidakpastian Heisenberg. Dia dengan jelas menunjukkan perlunya pendekatan berbeda terhadap sistem ini.

Prinsip Ketidakpastian Heisenberg

Pada kuartal pertama abad ke-20, mekanika kuantum mengambil langkah pertamanya, dan fisikawan di seluruh dunia baru menyadari apa yang berikut dari ketentuannya bagi kita dan prospek apa yang terbuka. Fisikawan teoretis Jerman Werner Heisenberg merumuskan prinsipnya yang terkenal pada tahun 1927. Prinsip Heisenberg terdiri dari fakta bahwa tidak mungkin menghitung posisi spasial dan kecepatan objek kuantum pada saat yang bersamaan. Alasan utamanya adalah ketika kita mengukur, kita sudah mempengaruhi sistem yang diukur, sehingga mengganggunya. Jika dalam makrokosmos kita terbiasa mengevaluasi suatu benda, maka saat kita meliriknya pun, kita melihat pantulan cahaya darinya.

Namun prinsip ketidakpastian Heisenberg mengatakan bahwa meskipun dalam makrokosmos, cahaya tidak berpengaruh pada objek yang diukur, dalam kasus partikel kuantum, foton (atau pengukuran turunan lainnya) memiliki pengaruh yang signifikan terhadap partikel. Pada saat yang sama, menarik untuk dicatat bahwa fisika kuantum cukup mampu mengukur kecepatan atau posisi suatu benda di ruang angkasa secara terpisah. Namun semakin akurat pembacaan kecepatan kita, semakin sedikit kita mengetahui posisi spasial kita. Dan sebaliknya. Artinya, prinsip ketidakpastian Heisenberg menimbulkan kesulitan tertentu dalam memprediksi perilaku partikel kuantum. Secara harfiah terlihat seperti ini: mereka mengubah perilakunya saat kita mencoba mengamatinya.