Princíp neurčitosti je základným zákonom mikrosveta. Možno to považovať za osobitné vyjadrenie princípu komplementarity.

V klasickej mechanike sa častica pohybuje po určitej trajektórii a v každom okamihu je možné presne určiť jej súradnice a hybnosť. Pokiaľ ide o mikročastice, táto myšlienka je nesprávna. Mikročastica nemá jasne definovanú trajektóriu, má vlastnosti častice aj vlastnosti vlny (dualita vlna-častica). V tomto prípade pojem „vlnová dĺžka v danom bode“ nemá žiadny fyzikálny význam a keďže hybnosť mikročastice je vyjadrená vlnovou dĺžkou - p=Komu/ l, potom z toho vyplýva, že mikročastica s určitou hybnosťou má úplne neistú súradnicu a naopak.

W. Heisenberg (1927), berúc do úvahy duálnu povahu mikročastíc, dospel k záveru, že nie je možné súčasne charakterizovať mikročasticu súradnicami aj hybnosťou s akoukoľvek vopred stanovenou presnosťou.

Nasledujúce nerovnosti sa nazývajú Heisenbergove vzťahy neurčitosti:

Δx Δ p X ≥ h,Δ rΔp y ≥ h,Δ zΔp z ≥ h.

Tu Δx, Δy, Δz znamenajú súradnicové intervaly, v ktorých môže byť mikročastica lokalizovaná (tieto intervaly sú súradnicové neistoty), Δ p X , Δ p r , Δ p z stredné intervaly priemetov impulzov na súradnicové osi x, y, z, h– Planckova konštanta. Podľa princípu neurčitosti platí, že čím presnejšie je impulz zaznamenaný, tým väčšia bude neistota v súradnici a naopak.

Princíp korešpondencie

Ako sa veda rozvíja a nahromadené poznatky sa prehlbujú, nové teórie sa stávajú presnejšími. Nové teórie pokrývajú stále širšie horizonty materiálneho sveta a prenikajú do dovtedy neprebádaných hĺbok. Dynamické teórie sú nahradené statickými.

Každá základná teória má určité hranice použiteľnosti. Vznik novej teórie preto neznamená úplnú negáciu tej starej. Pohyb telies v makrokozme s rýchlosťami výrazne nižšími ako rýchlosť svetla bude teda vždy opísaný Newtonovou klasickou mechanikou. Avšak pri rýchlostiach porovnateľných s rýchlosťou svetla (relativistické rýchlosti) nie je newtonovská mechanika použiteľná.

Objektívne existuje kontinuita základných fyzikálnych teórií. Toto je princíp korešpondencie, ktorý možno formulovať takto: žiadna nová teória nemôže byť platná, pokiaľ neobsahuje ako obmedzujúci prípad starú teóriu týkajúcu sa rovnakých javov, keďže stará teória sa už vo svojom odbore osvedčila.

3.4. Koncepcia stavu systému. Laplaceov determinizmus

V klasickej fyzike sa systém chápe ako súbor niektorých častí, ktoré sú určitým spôsobom navzájom spojené. Tieto časti (prvky) systému sa môžu navzájom ovplyvňovať a predpokladá sa, že ich interakciu je možné vždy posudzovať z hľadiska príčinno-následkových vzťahov medzi interagujúcimi prvkami systému.

Filozofické učenie o objektivite prirodzeného vzťahu a vzájomnej závislosti javov materiálneho a duchovného sveta je tzv. determinizmus.Ústredným pojmom determinizmu je existencia kauzalita; Kauzalita nastáva vtedy, keď z jedného javu vzniká iný jav (účinok).

Klasická fyzika stojí na pozícii rigidného determinizmu, ktorý sa nazýva laplaceovský – bol to Pierre Simon Laplace, ktorý vyhlásil princíp kauzality za základný prírodný zákon. Laplace veril, že ak je známe umiestnenie prvkov (niektorých telies) systému a sily v ňom pôsobiace, potom je možné s úplnou istotou predpovedať, ako sa bude každé teleso tohto systému pohybovať teraz a v budúcnosti. Napísal: „Súčasný stav vesmíru musíme považovať za dôsledok predchádzajúceho stavu a za príčinu toho nasledujúceho. Myseľ, ktorá v danom momente poznala všetky sily pôsobiace v prírode a relatívnu polohu všetkých jej základných entít, ak by bola stále taká rozsiahla, aby zohľadňovala všetky tieto údaje, by v jednom a tom istom vzorci zahŕňala pohyby. z najväčších telies vesmíru a najľahších atómov. Nič by pre neho nebolo neisté a budúcnosť, podobne ako minulosť, by stála pred jeho očami.“ Tradične sa tento hypotetický tvor, ktorý by mohol (podľa Laplacea) predpovedať vývoj vesmíru, vo vede nazýva „Laplaceov démon“.

V klasickom období rozvoja prírodných vied sa potvrdila myšlienka, že kauzalitu v prírode plne charakterizujú iba dynamické zákony.

Laplace sa pokúsil vysvetliť celý svet vrátane fyziologických, psychologických a sociálnych javov z hľadiska mechanistického determinizmu, ktorý považoval za metodologický princíp konštrukcie akejkoľvek vedy. Laplace videl príklad formy vedeckého poznania v nebeskej mechanike. Laplaceovský determinizmus teda popiera objektívnu povahu náhody, koncept pravdepodobnosti udalosti.

Ďalší rozvoj prírodných vied viedol k novým myšlienkam príčiny a následku. Pri niektorých prírodných procesoch je ťažké určiť príčinu – napríklad k rádioaktívnemu rozpadu dochádza náhodne. Nie je možné jednoznačne spojiť čas „odchodu“ α- alebo β-častice z jadra a hodnotu jej energie. Takéto procesy sú objektívne náhodné. Takýchto príkladov je v biológii obzvlášť veľa. V modernej prírodnej vede moderný determinizmus ponúka rôzne, objektívne existujúce formy prepojenia procesov a javov, z ktorých mnohé sú vyjadrené vo forme vzťahov, ktoré nemajú výrazné kauzálne súvislosti, to znamená, že neobsahujú momenty generovania jedného ďalší. Ide o časopriestorové súvislosti, vzťahy symetrie a určitých funkčných závislostí, pravdepodobnostné vzťahy a pod.. Všetky formy reálnych interakcií javov sa však formujú na základe univerzálnej aktívnej kauzality, mimo ktorej neexistuje jediný jav reality, vrátane takzvaných náhodných javov, v súhrne ktorých sa prejavujú statické zákony.

Veda sa naďalej rozvíja a je obohatená o nové koncepty, zákony a princípy, čo poukazuje na obmedzenia Laplaceovho determinizmu. Klasická fyzika, najmä klasická mechanika, má však svoje uplatnenie aj dnes. Jeho zákony sú celkom použiteľné pre relatívne pomalé pohyby, ktorých rýchlosť je podstatne menšia ako rýchlosť svetla. Dôležitosť klasickej fyziky v modernom období dobre definoval jeden z tvorcov kvantovej mechaniky Niels Bohr: „Bez ohľadu na to, ako ďaleko tieto javy presahujú klasické fyzikálne vysvetlenie, všetky experimentálne údaje musia byť opísané pomocou klasických konceptov. Dôvodom je jednoducho uviesť presný význam slova „experiment“. Slovom „experiment“ označujeme situáciu, kedy môžeme ostatným presne povedať, čo sme urobili a čo presne sme sa naučili. Experimentálne usporiadanie a výsledky pozorovania musia byť preto jednoznačne opísané v jazyku klasickej fyziky.“

PRINCÍP NEISTOTY:

Princíp neurčitosti - základná pozícia kvantovej teórie, ktorá tvrdí, že žiadny fyzikálny systém nemôže byť v stavoch, v ktorých súradnice jeho stredu zotrvačnosti a hybnosti súčasne nadobúdajú presne definované, presné hodnoty. Kvantitatívne je princíp neurčitosti formulovaný nasledovne. Ak ∆x je neistota v hodnote x súradnice stredu zotrvačnosti systému a ∆p x je neistota v projekcii hybnosti p na os x, potom súčin týchto neistôt musí byť v poradí veľkosť nie menšia ako Planckova konštanta ħ. Podobné nerovnosti je potrebné uspokojiť pre každú dvojicu tzv kanonicky konjugované premenné, napríklad pre súradnicu y a priemet hybnosti p y na os y, súradnicu z a priemet hybnosti p z. Ak neistotami polohy a hybnosti rozumieme odchýlky týchto fyzikálnych veličín od ich priemerných hodnôt, potom má pre ne princíp neistoty tvar:

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

Vzhľadom na malosť ħ v porovnaní s makroskopickými veličinami rovnakého rozmeru je pôsobenie princípu neurčitosti významné hlavne pre javy atómových (a menších) mierok a pri pokusoch s makroskopickými telesami sa nevyskytuje.

Z princípu neurčitosti vyplýva, že čím presnejšie je jedna z veličín obsiahnutých v nerovnosti definovaná, tým je hodnota druhej menej istá. Žiadny experiment nemôže súčasne presne merať takéto dynamické premenné; Navyše, neistota v meraniach nie je spojená s nedokonalosťou experimentálnej technológie, ale s objektívnymi vlastnosťami hmoty.

Princíp neurčitosti, ktorý v roku 1927 objavil nemecký fyzik W. Heisenberg, bol dôležitým krokom pri objasňovaní zákonitostí vnútroatómových javov a budovaní kvantovej mechaniky. Podstatnou črtou mikroskopických objektov je ich časticový vlnový charakter. Stav častice je úplne určený vlnovou funkciou (veličina, ktorá úplne opisuje stav mikroobjektu (elektrónu, protónu, atómu, molekuly) a vo všeobecnosti akéhokoľvek kvantového systému). Časticu možno detegovať v akomkoľvek bode priestoru, v ktorom je vlnová funkcia nenulová. Preto výsledky experimentov na určenie napríklad súradníc majú pravdepodobnostný charakter.

(Príklad: pohyb elektrónu predstavuje šírenie jeho vlastnej vlny. Ak vystrelíte lúč elektrónov cez úzku dieru v stene: úzky lúč ňou prejde. Ak však túto dieru urobíte ešte menšou, napr. jeho priemer sa rovná vlnovej dĺžke elektrónu, potom sa lúč elektrónov rozptýli vo všetkých smeroch a nejde o odchýlku spôsobenú najbližšími atómami steny, ktorú možno eliminovať: k tomu dochádza v dôsledku vlny Pokúste sa predpovedať, čo sa stane vedľa elektrónu, ktorý prejde stenou, a zistíte, že ste bezmocní, v akom bode pretína stenu, ale nemôžete povedať, akú hybnosť bude mať v priečnom smere Naopak, aby ste presne určili, že sa elektrón objaví s takou a takou istou hybnosťou v počiatočnom smere, musíte zväčšiť dieru tak, aby elektrónová vlna prechádzala priamo, len mierne sa rozbiehala vo všetkých smeroch k difrakcii ale potom nie je možné presne povedať, kadiaľ prešla elektrónová častica cez stenu: diera je široká. Tak ako získate na presnosti určenia impulzu, stratíte na presnosti, s akou je známa jeho poloha.

Toto je Heisenbergov princíp neurčitosti. Zohral mimoriadne dôležitú úlohu pri konštrukcii matematického aparátu na opis vĺn častíc v atómoch. Jeho striktná interpretácia pri experimentoch s elektrónmi je takáto: ako svetelné vlny, elektróny odolávajú akýmkoľvek pokusom o vykonanie meraní s extrémnou presnosťou. Tento princíp mení aj obraz Bohrovho atómu. Je možné presne určiť hybnosť elektrónu (a teda jeho energetickú hladinu) na niektorých jeho dráhach, ale jeho umiestnenie bude úplne neznáme: nedá sa povedať nič o tom, kde sa nachádza. Odtiaľ je jasné, že nakreslenie jasnej dráhy elektrónu a jeho označenie na ňom vo forme kruhu nemá žiadny význam.)

V dôsledku toho, keď sa vykonáva séria identických experimentov podľa rovnakej definície súradníc v rovnakých systémoch, zakaždým sa získajú iné výsledky. Niektoré hodnoty však budú pravdepodobnejšie ako iné, čo znamená, že sa budú objavovať častejšie. Relatívna frekvencia výskytu určitých hodnôt súradníc je úmerná štvorcu modulu vlnovej funkcie v zodpovedajúcich bodoch v priestore. Preto najčastejšie získané hodnoty súradníc budú tie, ktoré ležia blízko maxima vlnovej funkcie. Ale určitý rozptyl v hodnotách súradníc, určitá neistota (rádovo polovičná šírka maxima) sú nevyhnutné. To isté platí pre meranie impulzov.

Pojmy súradnice a hybnosti v klasickom zmysle teda nemožno aplikovať na mikroskopické objekty. Pri použití týchto veličín na popis mikroskopického systému je potrebné do ich interpretácie zaviesť kvantové korekcie. Tento pozmeňujúci a doplňujúci návrh je princípom neistoty.

Princíp neurčitosti pre energiu ε a čas t má trochu iný význam:

∆ε ∆t ≥ ħ

Ak je systém v stacionárnom stave, potom z princípu neistoty vyplýva, že energiu systému aj v tomto stave možno merať len s presnosťou nepresahujúcou ħ/∆t, kde ∆t je doba trvania proces merania. Dôvodom je interakcia systému s meracím zariadením a princíp neistoty použitý v tomto prípade znamená, že interakčnú energiu medzi meracím zariadením a skúmaným systémom možno brať do úvahy len s presnosťou ħ/ ∆t.

Ovplyvnený úspechmi vedeckých teórií, najmä Newtonovej teórie gravitácie, francúzsky vedec Pierre Laplace na začiatku 19. stor. bol vyvinutý pohľad na vesmír ako úplne určený objekt. Laplace veril, že musí existovať súbor vedeckých zákonov, ktoré by umožnili predpovedať všetko, čo sa môže stať vo vesmíre, ak je známy iba úplný popis jeho stavu v určitom časovom bode. Ak by sme napríklad poznali polohy Slnka a planét zodpovedajúce určitému časovému okamihu, pomocou Newtonových zákonov by sme mohli vypočítať, v akom stave by sa Slnečná sústava nachádzala v ktoromkoľvek inom časovom okamihu. V tomto prípade je determinizmus celkom zrejmý, no Laplace zašiel ďalej a tvrdil, že podobné zákony platia pre všetko, vrátane ľudského správania.

Doktrína vedeckého determinizmu sa stretla so silným odporom mnohých, ktorí cítili, že to obmedzuje slobodný Boží zásah do nášho sveta; napriek tomu zostala táto myšlienka bežnou vedeckou hypotézou na samom začiatku nášho storočia. Jedným z prvých náznakov potreby opustiť determinizmus boli výsledky výpočtov dvoch anglických fyzikov Johna Rayleigha a Jamesa Jeansa, z ktorých vyplynulo, že horúci objekt ako hviezda by mal neustále vyžarovať nekonečne viac energie. Podľa vtedy známych zákonov by horúce teleso malo rovnako vyžarovať elektromagnetické vlny všetkých frekvencií (napríklad rádiové vlny, viditeľné svetlo, röntgenové lúče). To znamená, že rovnaké množstvo energie sa musí vyžarovať vo forme vĺn s frekvenciou medzi jedným a dvoma miliónmi vĺn za sekundu, ako aj vo forme vĺn, ktorých frekvencia je v rozsahu od dvoch do troch miliónov vĺn za sekundu. . A keďže existuje nekonečne veľa rôznych frekvencií, celková vyžiarená energia musí byť nekonečná.

Aby sa zbavil tohto zdanlivo absurdného záveru, nemecký vedec Max Planck v roku 1900 prijal hypotézu, že svetlo, röntgenové lúče a iné vlny nemožno vyžarovať s ľubovoľnou intenzitou, ale musia byť vyžarované len v určitých častiach, ktoré Planck nazval kvantá. Planck navyše navrhol, že každé kvantum žiarenia nesie určité množstvo energie, ktoré je tým väčšie, čím vyššia je frekvencia vĺn. Pri dostatočne vysokej frekvencii teda môže energia jedného kvanta prekročiť dostupné množstvo energie a následne bude vysokofrekvenčné žiarenie potlačené a rýchlosť, ktorou telo stráca energiu, bude konečná.

Kvantová hypotéza bola vo vynikajúcej zhode s pozorovanými intenzitami žiarenia horúcich telies, ale čo to znamenalo pre determinizmus, nebolo jasné až do roku 1926, keď iný nemecký vedec Werner Heisenberg sformuloval známy princíp neurčitosti. Ak chcete predpovedať, aká bude poloha a rýchlosť častice, musíte byť schopní vykonať presné merania jej polohy a rýchlosti v súčasnosti. Je zrejmé, že na to musí byť svetlo nasmerované na časticu. Časť svetelných vĺn sa ním rozptýli a tým určíme polohu častice v priestore. Presnosť tohto merania však nebude väčšia ako vzdialenosť medzi hrebeňmi dvoch susedných vĺn, a preto je na presné meranie polohy častice potrebné svetlo s krátkou vlnovou dĺžkou. Podľa Planckovej hypotézy svetlo nemôže byť použité v ľubovoľne malých častiach a neexistuje menšia časť ako jedno kvantum. Toto kvantum svetla naruší pohyb častice a nepredvídateľne zmení jej rýchlosť. Navyše, čím presnejšie sa meria poloha, tým kratšie by mali byť vlnové dĺžky svetla, a teda tým väčšia bude energia jedného kvanta. To znamená, že narušenie rýchlosti častíc bude väčšie. Inými slovami, čím presnejšie sa pokúsite zmerať polohu častice, tým menej presné budú merania jej rýchlosti a naopak. Heisenberg ukázal, že neistota polohy častice, vynásobená neistotou jej rýchlosti a hmotnosti, nemôže byť menšia ako určité číslo, ktoré sa dnes nazýva Planckova konštanta. Toto číslo nezávisí ani od spôsobu, akým sa meria poloha alebo rýchlosť častice, ani od typu tejto častice, t.j. Heisenbergov princíp neurčitosti je základnou, povinnou vlastnosťou nášho sveta.

Princíp neistoty má ďalekosiahle dôsledky súvisiace s naším vnímaním sveta okolo nás. Ani po viac ako päťdesiatich rokoch s nimi mnohí filozofi definitívne nesúhlasili a tieto dôsledky sú stále predmetom diskusií. Princíp neurčitosti znamenal koniec Laplaceových snov o vedeckej teórii, ktorá by poskytla úplne deterministický model vesmíru: skutočne, ako možno presne predpovedať budúcnosť bez toho, aby sme boli schopní urobiť presné merania stavu vesmíru v súčasnosti? moment! Samozrejme, vieme si predstaviť, že existuje určitý súbor zákonov, ktoré úplne určujú udalosti pre nejakú nadprirodzenú bytosť, ktorá je schopná pozorovať aktuálny stav Vesmíru bez toho, aby ho akokoľvek narušila. Nás obyčajných smrteľníkov však takéto modely vesmíru nezaujímajú. Možno by bolo lepšie použiť princíp „ekonomiky“, ktorý sa nazýva princíp „Occamovej britvy“ (W. Ockham /1285-1349/ - anglický filozof. Podstata princípu „Occamovej britvy“: pojmy, ktoré sa nedajú overiť skúsenosťou, treba z vedy odstrániť – pozn. red.) zobrať a vystrihnúť všetky ustanovenia teórie, ktoré nie sú pozorovateľné. Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger a Paul Dirac v 20. rokoch nášho storočia prijali tento prístup a revidovali mechaniku a dospeli k novej teórii - kvantovej mechanike, ktorá bola založená na princípe neurčitosti. V kvantovej mechanike už častice nemajú také jednoznačné a vzájomne nezávislé charakteristiky ako poloha v priestore a rýchlosť, ktoré nie sú pozorovateľné. Namiesto toho sú charakterizované kvantovým stavom, ktorý je nejakou kombináciou polohy a rýchlosti.

Kvantová mechanika vo všeobecnosti nepredpovedá, že pozorovanie by malo mať nejaký jednoznačný výsledok. Namiesto toho predpovedá množstvo rôznych výsledkov a udáva pravdepodobnosť každého z nich. To znamená, že ak by sme urobili rovnaké meranie pre mnoho rovnakých systémov, ktorých počiatočné stavy sú rovnaké, zistili by sme, že v jednom počte prípadov je výsledok merania rovný A, v inom - B atď. dokáže predpovedať v koľkých V približne prípadoch sa výsledok bude rovnať A a B, ale nie je možné určiť výsledok každého konkrétneho merania. Kvantová mechanika teda vnáša do vedy nevyhnutný prvok nepredvídateľnosti alebo náhodnosti. Einstein sa proti tomuto konceptu veľmi ostro vyjadril, a to aj napriek obrovskej úlohe, ktorú on sám zohral pri jeho vývoji. Za obrovský prínos ku kvantovej teórii dostal Einstein Nobelovu cenu. Nikdy však nemohol súhlasiť s tým, že vesmír riadi náhoda. Všetky Einsteinove pocity boli vyjadrené v jeho slávnom výroku: "Boh nehrá kocky." Väčšina ostatných vedcov však bola naklonená akceptovať kvantovú mechaniku, pretože dokonale súhlasila s experimentom. Kvantová mechanika je skutočne pozoruhodná teória a je základom takmer celej modernej vedy a techniky. Princípy kvantovej mechaniky tvoria základ pre činnosť polovodičových a integrovaných obvodov, ktoré sú najdôležitejšou súčasťou elektronických zariadení ako sú televízory a elektronické počítače. Moderná chémia a biológia sú založené na kvantovej mechanike. Jediné oblasti fyziky, ktoré zatiaľ dostatočne nevyužívajú kvantovú mechaniku, sú teória gravitácie a teória veľkorozmernej štruktúry Vesmíru.

Napriek tomu, že svetelné žiarenie pozostáva z vĺn, napriek tomu sa podľa Planckovej hypotézy svetlo v určitom zmysle správa tak, ako keby ho tvorili častice: k emisii a absorpcii svetla dochádza len vo forme častí, čiže kvánt. Heisenbergov princíp neurčitosti hovorí, že častice sa v istom zmysle správajú ako vlny: nemajú špecifickú polohu v priestore, ale sú po ňom „rozmazané“ s určitým rozložením pravdepodobnosti. Kvantová mechanická teória využíva úplne nový matematický aparát, ktorý už nepopisuje samotný skutočný svet na základe predstáv o časticiach a vlnách; tieto pojmy možno teraz pripísať len výsledkom pozorovaní v tomto svete. V kvantovej mechanike teda vzniká dualizmus čiastočných vĺn: v niektorých prípadoch je vhodné považovať častice za vlny, zatiaľ čo v iných je lepšie považovať vlny za častice. Z toho vyplýva jeden dôležitý záver: môžeme pozorovať takzvanú interferenciu medzi dvoma časticovými vlnami. Hrebene vĺn jedného z nich sa môžu napríklad zhodovať s korytami iného. Tieto dve vlny sa potom skôr rušia, než aby sa navzájom zosilňovali, pričom sa, ako by sa dalo očakávať, zhrnuli do vyšších vĺn (obrázok 4.1). Známym príkladom interferencie svetla sú mydlové bubliny trblietajúce sa v rôznych farbách dúhy. K tomuto javu dochádza v dôsledku odrazu svetla od dvoch povrchov tenkého vodného filmu, ktorý vytvára bublinu. Biele svetlo obsahuje všetky druhy vlnových dĺžok zodpovedajúcich rôznym farbám. Hrebene niektorých vĺn odrazených od jedného z povrchov mydlového filmu sa zhodujú s korytami vĺn rovnakej dĺžky odrazenými od druhého povrchu bubliny. Potom odrazené svetlo nebude mať farby zodpovedajúce týmto vlnovým dĺžkam a odrazené svetlo bude pôsobiť viacfarebne.

Takže vďaka dualizmu, ktorý vznikol v kvantovej mechanike, môžu častice tiež zažiť interferenciu. Dobre známym príkladom takejto interferencie častíc je experiment s dvoma štrbinami v obrazovke (obr. 4.2). Zvážte obrazovku, v ktorej sú vyrezané dve úzke paralelné štrbiny. Na jednej strane obrazovky so štrbinami je zdroj svetla určitej farby (t.j. určitej vlnovej dĺžky). Väčšina svetla dopadá na povrch obrazovky, ale malá časť prejde cez štrbiny. Ďalej si predstavte pozorovaciu obrazovku nainštalovanú na druhej strane obrazovky so štrbinami zo svetelného zdroja. Potom svetelné vlny z oboch štrbín dosiahnu ktorýkoľvek bod na pozorovacej obrazovke. Ale vzdialenosť, ktorú prejde svetlo cez štrbiny od zdroja k obrazovke, bude vo všeobecnosti iná. To znamená, že vlny, ktoré prechádzajú štrbinami, dopadajú na obrazovku v rôznych fázach: na niektorých miestach sa navzájom oslabujú a na iných sa posilňujú. Výsledkom je, že obrazovka získa charakteristický obraz tvorený tmavými a svetlými pruhmi.

Prekvapivo presne tie isté pásy sa objavia, keď zdroj svetla nahradíte zdrojom častíc, povedzme elektrónov, emitovaných určitou rýchlosťou (to znamená, že zodpovedajú vlnám určitej dĺžky). Opísaný jav je o to zvláštnejší, že ak existuje len jedna štrbina, neobjavia sa žiadne pásy a na obrazovke sa objaví jednoducho rovnomerné rozloženie elektrónov. Dalo by sa predpokladať, že ďalšia štrbina by jednoducho zvýšila počet elektrónov zasahujúcich každý bod na obrazovke, ale v skutočnosti sa v dôsledku rušenia počet týchto elektrónov na niektorých miestach naopak znižuje. Ak by štrbinami prechádzal jeden elektrón naraz, potom by sa dalo očakávať, že každý z nich prejde buď jednou štrbinou alebo druhou, t.j. bude sa správať tak, ako keby štrbina, ktorou prešiel, bola jediná, a potom na obrazovke by sa malo objaviť rovnomerné rozloženie. V skutočnosti sa však pásy objavujú aj vtedy, keď sa elektróny uvoľňujú jeden po druhom. Preto musí každý elektrón prejsť oboma štrbinami naraz!

Fenomén interferencie častíc sa stal rozhodujúcim pre naše chápanie štruktúry atómov, tých najmenších „stavebných blokov“, ktoré sa berú do úvahy v chémii a biológii a z ktorých sme my sami a všetko okolo nás postavené. Na začiatku storočia sa predpokladalo, že atómy sú ako slnečná sústava: elektróny (častice nesúce záporný elektrický náboj), podobne ako planéty okolo Slnka, obiehajú okolo centrálne umiestneného jadra, ktoré je nabité kladne. Predpokladalo sa, že elektróny sú držané na svojich dráhach príťažlivými silami medzi kladnými a zápornými nábojmi, podobne ako gravitačná príťažlivosť medzi Slnkom a planétami bráni planétam opustiť ich dráhy. Toto vysvetlenie narazilo na nasledujúcu ťažkosť: pred príchodom kvantovej mechaniky zákony mechaniky a elektriny predpovedali, že elektróny stratia energiu, a preto sa budú špirálovito otáčať smerom k stredu atómu a padať do jadra. To by znamenalo, že atómy a s nimi, samozrejme, aj všetka hmota, by sa mali rýchlo zrútiť do stavu veľmi vysokej hustoty. Konkrétne riešenie tohto problému našiel v roku 1913 dánsky vedec Niels Bohr. Bohr predpokladal, že elektróny sa nemôžu pohybovať po žiadnych dráhach, ale iba po tých, ktoré ležia v určitých špecifických vzdialenostiach od centrálneho jadra. Ak by sa tiež predpokladalo, že každá takáto dráha môže obsahovať iba jeden alebo dva elektróny, problém kolapsu atómu by bol vyriešený, pretože potom by elektróny, pohybujúce sa po špirále smerom k stredu, mohli vyplniť dráhy iba s minimálnymi polomermi a energiami. .

Tento model dokonale vysvetlil štruktúru najjednoduchšieho atómu – atómu vodíka, v ktorom okolo jadra rotuje iba jeden elektrón. Nebolo však jasné, ako rozšíriť rovnaký prístup na zložitejšie atómy. Navyše, predpoklad obmedzeného počtu povolených obežných dráh sa zdal dosť svojvoľný. Tento problém vyriešila nová teória – kvantová mechanika. Ukázalo sa, že elektrón rotujúci okolo jadra si možno predstaviť ako vlnu, ktorej dĺžka závisí od jej rýchlosti. Pozdĺž niektorých obežných dráh sa zmestí celé číslo (skôr než zlomkový) počet elektrónových vlnových dĺžok. Pri pohybe po týchto dráhach skončia hrebene vĺn na tom istom mieste na každej dráhe, a preto sa vlny budú sčítavať; takéto dráhy sú klasifikované ako Bohrovo povolené dráhy. A pre tie dráhy, na ktorých sa nezmestí celočíselný počet vlnových dĺžok elektrónov, je každý hrebeň pri rotácii elektrónov skôr či neskôr kompenzovaný žľabom; takéto obežné dráhy nebudú povolené.

Americký vedec Richard Feynman prišiel s krásnym spôsobom, ktorý umožňuje vizualizovať dualitu vlny a častíc. Feynman zaviedol takzvanú sumáciu nad trajektóriami. V tomto prístupe, na rozdiel od klasickej, nekvantovej teórie, nie je predpoklad, že častica by mala mať jednu jedinú trajektóriu v časopriestore, ale naopak sa verí, že častica sa môže pohybovať z bodu A do bodu B po akejkoľvek možnej dráhe. cesta. Ku každej dráhe sú priradené dve čísla: jedno z nich popisuje veľkosť vlny a druhé zodpovedá jej polohe v cykle (vrchol alebo dno). Na určenie pravdepodobnosti prechodu z A do B je potrebné sčítať vlny pre všetky tieto trajektórie. Ak porovnáte niekoľko susedných trajektórií, ich fázy alebo polohy v cykle sa budú značne líšiť. To znamená, že vlny zodpovedajúce takýmto trajektóriám sa navzájom takmer úplne zrušia. Pre niektoré rodiny susedných trajektórií sa však fázy pri prechode z trajektórie na trajektóriu zmenia len málo a zodpovedajúce vlny sa navzájom nezrušia. Takéto trajektórie patria k Bohrom povoleným orbitám.

Na základe takýchto myšlienok, napísaných v špecifickej matematickej forme, bolo možné pomocou relatívne jednoduchej schémy vypočítať povolené dráhy pre zložitejšie atómy a dokonca aj pre molekuly pozostávajúce z niekoľkých atómov, ktoré sú držané pohromade elektrónmi, ktorých dráhy pokrývajú viac ako jedno jadro. Keďže štruktúra molekúl a reakcie, ktoré medzi nimi prebiehajú, sú základom celej chémie a celej biológie, kvantová mechanika nám v princípe umožňuje predpovedať všetko, čo okolo seba vidíme, s presnosťou, ktorú umožňuje princíp neurčitosti. (Avšak v praxi sa výpočty pre systémy obsahujúce veľa elektrónov ukážu ako také zložité, že ich jednoducho nie je možné vykonať).

Zdá sa, že štruktúra vesmíru vo veľkom meradle sa riadi Einsteinovou všeobecnou teóriou relativity. Táto teória sa nazýva klasická, pretože neberie do úvahy princíp kvantovej mechanickej neistoty, ktorý je potrebné vziať do úvahy, aby bol konzistentný s inými teóriami. Výsledky pozorovaní neprotirečíme z toho dôvodu, že všetky gravitačné polia, s ktorými sa zvyčajne musíme vysporiadať, sú veľmi slabé. Podľa vyššie diskutovaných teorém singularity by sa však gravitačné pole malo stať veľmi silným najmenej v dvoch situáciách: v prípade čiernych dier a v prípade veľkého tresku. V takýchto silných poliach musia byť kvantové efekty významné. Preto klasická všeobecná teória relativity, ktorá predpovedala body, v ktorých sa hustota stáva nekonečnou, v istom zmysle predpovedala svoje vlastné zlyhanie presne rovnakým spôsobom, akým sa klasická (t. j. nekvantová) mechanika odsúdila na neúspech tým, že dospela k záveru, že atómy musia kolaps, kým sa ich hustota nestane nekonečnou. Zatiaľ nemáme úplnú teóriu, v ktorej by bola všeobecná teória relativity dôsledne kombinovaná s kvantovou mechanikou, ale poznáme niektoré vlastnosti budúcej teórie. O tom, čo z týchto vlastností vyplýva vo vzťahu k čiernym dieram a veľkému tresku, si povieme v nasledujúcich kapitolách. Teraz prejdime k najnovším pokusom zjednotiť naše chápanie všetkých ostatných prírodných síl do jednej, jednotnej kvantovej teórie.

Heisenbergove princípy neurčitosti sú jedným z problémov kvantovej mechaniky, najskôr sa však obraciame k rozvoju fyzikálnej vedy ako celku. Isaac Newton položil na konci 17. storočia základ modernej klasickej mechaniky. Bol to on, kto sformuloval a opísal jeho základné zákonitosti, pomocou ktorých možno predpovedať správanie telies okolo nás. Koncom 19. storočia sa tieto ustanovenia zdali nedotknuteľné a aplikovateľné na všetky prírodné zákony. Zdalo sa, že problémy fyziky ako vedy sú vyriešené.

Ako sa však ukázalo, v tom čase sa o vlastnostiach vesmíru vedelo oveľa menej, ako sa zdalo. Prvým kameňom, ktorý narušil harmóniu klasickej mechaniky, bola neposlušnosť voči zákonom šírenia svetelných vĺn. Vtedy veľmi mladá veda elektrodynamiky bola nútená vyvinúť úplne iný súbor pravidiel. Pre teoretických fyzikov však vyvstal problém: ako priviesť dva systémy k spoločnému menovateľovi. Mimochodom, veda stále pracuje na riešení tohto problému.

Mýtus o všezahrnujúcej newtonovskej mechanike bol nakoniec zničený hlbším štúdiom štruktúry atómov. Brit Ernest Rutherford zistil, že atóm nie je nedeliteľná častica, ako sa predtým myslelo, ale sám obsahuje neutróny, protóny a elektróny. Navyše ich správanie bolo úplne v rozpore s postulátmi klasickej mechaniky. Ak v makrosvete gravitácia do značnej miery určuje povahu vecí, tak vo svete kvantových častíc je to extrémne malá sila interakcie. Boli tak položené základy kvantovej mechaniky, ktorá mala tiež svoje axiómy. Jedným z významných rozdielov medzi týmito najmenšími systémami a svetom, na ktorý sme zvyknutí, je Heisenbergov princíp neurčitosti. Jasne preukázal potrebu odlišného prístupu k týmto systémom.

Heisenbergov princíp neistoty

V prvej štvrtine 20. storočia urobila kvantová mechanika prvé kroky a fyzici na celom svete si len uvedomili, čo z jej ustanovení pre nás vyplýva a aké vyhliadky otvára. Svoje slávne princípy sformuloval v roku 1927 nemecký teoretický fyzik Werner Heisenberg. Heisenbergove princípy spočívajú v tom, že nie je možné vypočítať súčasne priestorovú polohu a rýchlosť kvantového objektu. Hlavným dôvodom je skutočnosť, že keď meriame, už ovplyvňujeme meraný systém, čím ho narúšame. Ak v makrokozme, ktorý poznáme, hodnotíme objekt, potom aj keď sa naň pozrieme, vidíme od neho odraz svetla.

Heisenbergov princíp neurčitosti však hovorí, že hoci v makrokozme svetlo nemá žiadny vplyv na meraný objekt, v prípade kvantových častíc majú fotóny (alebo akékoľvek iné odvodené merania) na časticu významný vplyv. Zároveň je zaujímavé poznamenať, že kvantová fyzika je celkom schopná samostatne merať rýchlosť alebo polohu telesa vo vesmíre. Ale čím presnejšie sú naše údaje o rýchlosti, tým menej budeme vedieť o našej priestorovej polohe. A naopak. To znamená, že Heisenbergov princíp neurčitosti vytvára určité ťažkosti pri predpovedaní správania kvantových častíc. Doslova to vyzerá takto: menia svoje správanie, keď sa ich snažíme pozorovať.