Parimi i pasigurisë është një ligj themelor i mikrobotës. Mund të konsiderohet një shprehje e veçantë e parimit të komplementaritetit.

Në mekanikën klasike, një grimcë lëviz përgjatë një trajektoreje të caktuar dhe në çdo moment në kohë është e mundur të përcaktohen me saktësi koordinatat dhe momenti i saj. Në lidhje me mikrogrimcat, kjo ide është e pasaktë. Një mikrogrimcë nuk ka një trajektore të përcaktuar qartë, ajo ka si vetitë e një grimce ashtu edhe vetitë e një vale (dualiteti valë-grimcë). Në këtë rast, koncepti i "gjatësisë së valës në një pikë të caktuar" nuk ka asnjë kuptim fizik, dhe meqenëse momenti i një mikrogrimcë shprehet përmes gjatësisë së valës - fq=te/ l, atëherë rrjedh se një mikrogrimcë me një moment të caktuar ka një koordinatë plotësisht të pasigurt, dhe anasjelltas.

W. Heisenberg (1927), duke marrë parasysh natyrën e dyfishtë të mikrogrimcave, arriti në përfundimin se është e pamundur të karakterizohet njëkohësisht një mikrogrimcë si me koordinata ashtu edhe me vrull me ndonjë saktësi të paracaktuar.

Pabarazitë e mëposhtme quhen marrëdhënie të pasigurisë së Heisenberg:

Δx Δ fq x ≥ h,Δ yΔp y ≥ h,Δ zΔp z ≥ h.

Këtu Δx, Δy, Δz nënkuptojnë intervalet koordinative në të cilat një mikrogrimcë mund të lokalizohet (këto intervale janë pasiguri koordinative), Δ fq x , Δ fq y , Δ fq z nënkuptojnë intervalet e projeksioneve të pulsit në akset koordinative x, y, z, h- Konstantja e Planck-ut. Sipas parimit të pasigurisë, sa më saktë të regjistrohet impulsi, aq më e madhe do të jetë pasiguria në koordinatë dhe anasjelltas.

Parimi i korrespondencës

Ndërsa shkenca zhvillohet dhe njohuritë e grumbulluara thellohen, teoritë e reja bëhen më të sakta. Teoritë e reja mbulojnë horizontet gjithnjë e më të gjera të botës materiale dhe depërtojnë në thellësi të paeksploruara më parë. Teoritë dinamike zëvendësohen nga ato statike.

Çdo teori themelore ka kufij të caktuar të zbatueshmërisë. Prandaj, shfaqja e një teorie të re nuk do të thotë një mohim i plotë i asaj të vjetër. Kështu, lëvizja e trupave në makrokozmos me shpejtësi dukshëm më të ulëta se shpejtësia e dritës do të përshkruhet gjithmonë nga mekanika klasike e Njutonit. Sidoqoftë, me shpejtësi të krahasueshme me shpejtësinë e dritës (shpejtësi relativiste), mekanika e Njutonit nuk është e zbatueshme.

Objektivisht, ekziston një vazhdimësi e teorive themelore fizike. Ky është parimi i korrespondencës, i cili mund të formulohet si më poshtë: asnjë teori e re nuk mund të jetë e vlefshme nëse nuk përmban si rast kufizues teorinë e vjetër që lidhet me të njëjtat dukuri, pasi teoria e vjetër e ka provuar tashmë veten në fushën e saj.

3.4. Koncepti i gjendjes së sistemit. Determinizmi Laplacean

Në fizikën klasike, një sistem kuptohet si një koleksion i disa pjesëve të lidhura me njëra-tjetrën në një mënyrë të caktuar. Këto pjesë (elemente) të sistemit mund të ndikojnë njëra-tjetrën, dhe supozohet se ndërveprimi i tyre gjithmonë mund të vlerësohet nga këndvështrimi i marrëdhënieve shkak-pasojë midis elementeve ndërveprues të sistemit.

Doktrina filozofike e objektivitetit të marrëdhënies natyrore dhe ndërvarësisë së fenomeneve të botës materiale dhe shpirtërore quhet determinizmi. Koncepti qendror i determinizmit është ekzistenca kauzaliteti; Shkakësia ndodh kur një fenomen krijon një fenomen tjetër (efekt).

Fizika klasike qëndron në pozicionin e determinizmit të ngurtë, i cili quhet Laplaceian - ishte Pierre Simon Laplace ai që shpalli parimin e shkakësisë si një ligj themelor të natyrës. Laplace besonte se nëse dihet vendndodhja e elementeve (disa trupave) të një sistemi dhe forcat që veprojnë në të, atëherë është e mundur të parashikohet me siguri të plotë se si do të lëvizë secili trup i këtij sistemi tani dhe në të ardhmen. Ai shkroi: “Ne duhet ta konsiderojmë gjendjen aktuale të Universit si pasojë e gjendjes së mëparshme dhe si shkak të gjendjes së mëvonshme. Një mendje që në një moment të caktuar njihte të gjitha forcat që vepronin në natyrë dhe pozicionet relative të të gjitha entiteteve përbërëse të saj, nëse do të ishte ende aq e gjerë sa të merrte parasysh të gjitha këto të dhëna, do të përfshinte në të njëjtën formulë lëvizjet. nga trupat më të mëdhenj të Universit dhe atomet më të lehta. Asgjë nuk do të ishte e pasigurt për të dhe e ardhmja, ashtu si e kaluara, do të qëndronte para syve të tij.” Tradicionalisht, kjo krijesë hipotetike, e cila (sipas Laplace) mund të parashikonte zhvillimin e Universit, quhet në shkencë "demoni i Laplace".

Në periudhën klasike të zhvillimit të shkencës natyrore, u afirmua ideja se vetëm ligjet dinamike karakterizojnë plotësisht kauzalitetin në natyrë.

Laplace u përpoq të shpjegonte të gjithë botën, duke përfshirë fenomenet fiziologjike, psikologjike dhe sociale nga këndvështrimi i determinizmit mekanik, të cilin ai e konsideronte si një parim metodologjik për ndërtimin e çdo shkence. Laplace pa një shembull të formës së njohurive shkencore në mekanikën qiellore. Kështu, determinizmi Laplacean mohon natyrën objektive të rastësisë, konceptin e probabilitetit të një ngjarjeje.

Zhvillimi i mëtejshëm i shkencës natyrore çoi në ide të reja të shkakut dhe pasojës. Për disa procese natyrore, është e vështirë të përcaktohet shkaku - për shembull, prishja radioaktive ndodh rastësisht. Është e pamundur të lidhet pa mëdyshje koha e "largimit" të një grimce α- ose β nga bërthama dhe vlera e energjisë së saj. Procese të tilla janë objektivisht të rastësishme. Ka veçanërisht shumë shembuj të tillë në biologji. Në shkencën moderne natyrore, determinizmi modern ofron forma të ndryshme, objektivisht ekzistuese të ndërlidhjes së proceseve dhe dukurive, shumë prej të cilave shprehen në formën e marrëdhënieve që nuk kanë lidhje të theksuara shkakësore, domethënë nuk përmbajnë momente të gjenerimit të njërës nga një tjetër. Këto janë lidhje hapësinore-kohore, marrëdhënie simetrie dhe varësi të caktuara funksionale, marrëdhënie probabiliste, etj. Megjithatë, të gjitha format e ndërveprimeve reale të dukurive formohen mbi bazën e shkakësisë aktive universale, jashtë së cilës nuk ekziston asnjë fenomen i vetëm i realitetit. duke përfshirë të ashtuquajturat dukuri të rastësishme, në agregatin e të cilave manifestohen ligjet statike.

Shkenca vazhdon të zhvillohet dhe pasurohet me koncepte, ligje dhe parime të reja, gjë që tregon kufizimet e determinizmit Laplacean. Megjithatë, fizika klasike, në veçanti mekanika klasike, ka ende vendin e saj të aplikimit sot. Ligjet e tij janë mjaft të zbatueshme për lëvizjet relativisht të ngadalta, shpejtësia e të cilave është dukshëm më e vogël se shpejtësia e dritës. Rëndësia e fizikës klasike në periudhën moderne u përcaktua mirë nga një prej krijuesve të mekanikës kuantike, Niels Bohr: “Pavarësisht se sa larg fenomenet shkojnë përtej shpjegimit fizik klasik, të gjitha të dhënat eksperimentale duhet të përshkruhen duke përdorur koncepte klasike. Arsyeja për këtë është thjesht të deklarohet kuptimi i saktë i fjalës "eksperiment". Me fjalën "eksperiment" ne tregojmë një situatë ku mund t'u tregojmë të tjerëve saktësisht se çfarë kemi bërë dhe çfarë saktësisht kemi mësuar. Prandaj, vendosja eksperimentale dhe rezultatet e vëzhgimit duhet të përshkruhen pa mëdyshje në gjuhën e fizikës klasike.

PARIMI I PASIGURISË:

Parimi i pasigurisë - një pozicion themelor i teorisë kuantike, e cila thotë se çdo sistem fizik nuk mund të jetë në gjendje në të cilat koordinatat e qendrës së tij të inercisë dhe momentit marrin njëkohësisht vlera të sakta, të përcaktuara mirë. Në mënyrë sasiore, parimi i pasigurisë është formuluar si më poshtë. Nëse ∆x është pasiguria në vlerën e koordinatës x të qendrës së inercisë së sistemit, dhe ∆p x është pasiguria në projeksionin e momentit p në boshtin x, atëherë prodhimi i këtyre pasigurive duhet të jetë në rendin e madhësia jo më e vogël se konstantja e Plankut ħ. Pabarazi të ngjashme duhet të plotësohen për çdo palë të të ashtuquajturave konjugojnë në mënyrë kanonike variablat, për shembull, për koordinatën y dhe projeksionin e momentit p y në boshtin y, koordinatën z dhe projeksionin e momentit p z. Nëse me pasiguritë e pozicionit dhe momentit nënkuptojmë devijimet rrënjë-mesatare-katrore të këtyre madhësive fizike nga vlerat e tyre mesatare, atëherë parimi i pasigurisë për to ka formën:

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

Për shkak të vogëlësisë së ħ në krahasim me sasitë makroskopike të të njëjtit dimension, veprimi i parimit të pasigurisë është i rëndësishëm kryesisht për fenomenet e shkallëve atomike (dhe më të vogla) dhe nuk shfaqet në eksperimentet me trupa makroskopikë.

Nga parimi i pasigurisë del se sa më saktë të përcaktohet njëra nga madhësitë e përfshira në pabarazi, aq më pak e sigurt është vlera e tjetrës. Asnjë eksperiment nuk mund të matë në të njëjtën kohë me saktësi variabla të tilla dinamike; Për më tepër, pasiguria në matje nuk lidhet me papërsosmërinë e teknologjisë eksperimentale, por me vetitë objektive të materies.

Parimi i pasigurisë, i zbuluar në vitin 1927 nga fizikani gjerman W. Heisenberg, ishte një hap i rëndësishëm në sqarimin e ligjeve të fenomeneve intra-atomike dhe ndërtimin e mekanikës kuantike. Një tipar thelbësor i objekteve mikroskopike është natyra e tyre valore e grimcave. Gjendja e grimcës përcaktohet plotësisht nga funksioni valor (një sasi që përshkruan plotësisht gjendjen e një mikro-objekti (elektroni, protoni, atomi, molekula) dhe, në përgjithësi, çdo sistem kuantik). Një grimcë mund të zbulohet në çdo pikë të hapësirës në të cilën funksioni i valës është jozero. Prandaj, rezultatet e eksperimenteve për të përcaktuar, për shembull, koordinatat janë të natyrës probabiliste.

(Shembull: lëvizja e një elektroni përfaqëson përhapjen e valës së tij. Nëse qëlloni një rreze elektronesh përmes një vrime të ngushtë në mur: tufa e ngushtë do të kalojë nëpër të. Por nëse e bëni këtë vrimë edhe më të vogël, kështu që diametri i tij është i barabartë në madhësi me gjatësinë e valës së elektronit, atëherë rrezja e elektroneve do të shpërndahet në të gjitha drejtimet dhe kjo nuk është një devijim i shkaktuar nga atomet më të afërt të murit, i cili mund të eliminohet: kjo ndodh për shkak të valës. Natyra e elektronit Përpiquni të parashikoni se çfarë do të ndodhë pranë elektronit që ka kaluar nëpër mur, dhe do ta gjeni veten të pafuqishëm, në cilën pikë ai kryqëzon murin, por nuk mund të thoni se çfarë momenti do të ndodhë Përkundrazi, për të përcaktuar me saktësi se elektroni do të shfaqet me një moment të tillë të caktuar në drejtimin fillestar, ju duhet të zmadhoni vrimën në mënyrë që vala e elektronit të kalojë drejt, vetëm pak divergjente në të gjitha drejtimet deri te difraksioni Por atëherë është e pamundur të thuhet saktësisht se ku ka kaluar grimca elektronike nëpër mur: vrima është e gjerë. Sa fitoni në saktësinë e përcaktimit të impulsit, humbni në saktësinë me të cilën njihet pozicioni i tij.

Ky është parimi i pasigurisë së Heisenberg. Ai luajti një rol jashtëzakonisht të rëndësishëm në ndërtimin e një aparati matematikor për përshkrimin e valëve të grimcave në atome. Interpretimi i tij i rreptë në eksperimentet me elektrone është ky: si valët e dritës, elektronet i rezistojnë çdo përpjekjeje për të kryer matje me saktësi ekstreme. Ky parim gjithashtu ndryshon pamjen e atomit të Bohr-it. Është e mundur të përcaktohet saktësisht momenti i një elektroni (dhe rrjedhimisht niveli i tij i energjisë) në disa prej orbitave të tij, por vendndodhja e tij do të jetë plotësisht e panjohur: asgjë nuk mund të thuhet se ku ndodhet. Nga këtu është e qartë se vizatimi i një orbite të qartë të një elektroni dhe shënimi i tij mbi të në formën e një rrethi nuk ka asnjë kuptim.)

Rrjedhimisht, kur kryhen një sërë eksperimentesh identike, sipas të njëjtit përkufizim të koordinatave, në sisteme identike, çdo herë fitohen rezultate të ndryshme. Megjithatë, disa vlera do të jenë më të mundshme se të tjerat, që do të thotë se ato do të shfaqen më shpesh. Frekuenca relative e shfaqjes së vlerave të caktuara të koordinatave është proporcionale me katrorin e modulit të funksionit të valës në pikat përkatëse në hapësirë. Prandaj, më shpesh vlerat e koordinatave të marra do të jenë ato që shtrihen afër maksimumit të funksionit të valës. Por disa shpërndahen në vlerat e koordinatave, disa pasiguri (në rendin e gjysmës së gjerësisë së maksimumit) janë të pashmangshme. E njëjta gjë vlen edhe për matjen e impulsit.

Kështu, konceptet e koordinatës dhe momentit në kuptimin klasik nuk mund të zbatohen për objektet mikroskopike. Kur përdoren këto sasi për të përshkruar një sistem mikroskopik, është e nevojshme të futen korrigjime kuantike në interpretimin e tyre. Ky ndryshim është parimi i pasigurisë.

Parimi i pasigurisë për energjinë ε dhe kohën t ka një kuptim paksa të ndryshëm:

∆ε ∆t ≥ ħ

Nëse sistemi është në gjendje të palëvizshme, atëherë nga parimi i pasigurisë rrjedh se energjia e sistemit, edhe në këtë gjendje, mund të matet vetëm me një saktësi që nuk kalon ħ/∆t, ku ∆t është kohëzgjatja e procesi i matjes. Arsyeja për këtë është ndërveprimi i sistemit me pajisjen matëse dhe parimi i pasigurisë siç zbatohet në këtë rast do të thotë se energjia e ndërveprimit ndërmjet pajisjes matëse dhe sistemit në studim mund të merret parasysh vetëm me një saktësi prej ħ/ ∆t.

I ndikuar nga suksesi i teorive shkencore, veçanërisht nga teoria e gravitacionit të Njutonit, shkencëtari francez Pierre Laplace në fillim të shekullit të 19-të. u zhvillua një pamje e Universit si një objekt plotësisht i përcaktuar. Laplace besonte se duhet të kishte një sërë ligjesh shkencore që do të bënin të mundur parashikimin e gjithçkaje që mund të ndodhë në Univers, nëse dihet vetëm një përshkrim i plotë i gjendjes së tij në një moment në kohë. Për shembull, nëse do të dinim pozicionet e Diellit dhe planetëve që korrespondojnë me një moment të caktuar në kohë, atëherë duke përdorur ligjet e Njutonit mund të llogarisim se në çfarë gjendje do të ishte sistemi diellor në çdo moment tjetër në kohë. Në këtë rast, determinizmi është mjaft i dukshëm, por Laplace shkoi më tej, duke argumentuar se ka ligje të ngjashme për gjithçka, përfshirë sjelljen njerëzore.

Doktrina e determinizmit shkencor hasi në rezistencë të fortë nga shumë njerëz që mendonin se kjo kufizonte ndërhyrjen e lirë të Zotit në botën tonë; megjithatë, kjo ide mbeti një hipotezë e zakonshme shkencore që në fillim të shekullit tonë. Një nga treguesit e parë të nevojës për të braktisur determinizmin ishin rezultatet e llogaritjeve të dy fizikanëve anglezë, John Rayleigh dhe James Jeans, nga të cilat rezultoi se një objekt i nxehtë si një yll duhet të rrezatojë pafundësisht më shumë energji gjatë gjithë kohës. Sipas ligjeve të njohura atëherë, një trup i nxehtë duhet të lëshojë në mënyrë të barabartë valë elektromagnetike të të gjitha frekuencave (për shembull, valët e radios, dritën e dukshme, rrezet X). Kjo do të thotë se e njëjta sasi energjie duhet të emetohet si në formën e valëve me frekuenca nga një deri në dy milionë valë në sekondë, ashtu edhe në formën e valëve, frekuencat e të cilave janë në intervalin prej dy deri në tre milionë valë në sekondë. . Dhe meqenëse ka pafundësisht shumë frekuenca të ndryshme, energjia totale e rrezatuar duhet të jetë e pafundme.

Për të hequr qafe këtë përfundim në dukje absurd, shkencëtari gjerman Max Planck në vitin 1900 pranoi hipotezën se drita, rrezet X dhe valët e tjera nuk mund të emetohen me intensitet arbitrar, por duhet të emetohen vetëm në pjesë të caktuara, të cilat Planck i quajti kunta. Përveç kësaj, Planck sugjeroi që çdo kuant rrezatimi mbart një sasi të caktuar energjie, e cila është më e madhe sa më e lartë të jetë frekuenca e valëve. Kështu, në një frekuencë mjaft të lartë, energjia e një kuantike mund të tejkalojë sasinë e disponueshme të energjisë dhe, rrjedhimisht, rrezatimi me frekuencë të lartë do të shtypet, dhe shkalla me të cilën trupi humbet energjinë do të jetë e kufizuar.

Hipoteza kuantike ishte në përputhje të shkëlqyeshme me intensitetin e rrezatimit të vëzhguar të trupave të nxehtë, por ajo që nënkuptonte për determinizmin nuk ishte e qartë deri në vitin 1926, kur një shkencëtar tjetër gjerman, Werner Heisenberg, formuloi parimin e famshëm të pasigurisë. Për të parashikuar se cila do të jetë pozicioni dhe shpejtësia e një grimce, duhet të jeni në gjendje të bëni matje të sakta të pozicionit dhe shpejtësisë së saj në momentin aktual. Natyrisht, për ta bërë këtë, drita duhet të drejtohet në grimcë. Disa nga valët e dritës do të shpërndahen prej saj, dhe kështu ne do të përcaktojmë pozicionin e grimcës në hapësirë. Megjithatë, saktësia e kësaj matjeje nuk do të jetë më e madhe se distanca midis kreshtave të dy valëve ngjitur, dhe për këtë arsye drita me gjatësi vale të shkurtër është e nevojshme për të matur me saktësi pozicionin e grimcave. Sipas hipotezës së Planck-ut, drita nuk mund të përdoret në pjesë të vogla në mënyrë arbitrare dhe nuk ka pjesë më të vogël se një kuantike. Kjo sasi e dritës do të shqetësojë lëvizjen e grimcave dhe do të ndryshojë në mënyrë të paparashikueshme shpejtësinë e saj. Përveç kësaj, sa më saktë të matet pozicioni, aq më të shkurtra duhet të jenë gjatësitë e valëve të dritës, dhe për këtë arsye, aq më e madhe do të jetë energjia e një kuantike. Kjo do të thotë se shqetësimi i shpejtësisë së grimcave do të bëhet më i madh. Me fjalë të tjera, sa më saktë të përpiqeni të matni pozicionin e një grimce, aq më pak të sakta do të jenë matjet e shpejtësisë së saj dhe anasjelltas. Heisenberg tregoi se pasiguria në pozicionin e një grimce, e shumëzuar me pasigurinë në shpejtësinë dhe masën e saj, nuk mund të jetë më e vogël se një numër i caktuar, i cili tani quhet konstanta e Plankut. Ky numër nuk varet as nga mënyra se si matet pozicioni ose shpejtësia e grimcës, as nga lloji i kësaj grimce, d.m.th., parimi i pasigurisë së Heisenberg është një pronë themelore, e detyrueshme e botës sonë.

Parimi i pasigurisë ka pasoja të gjera që lidhen me perceptimin tonë për botën përreth nesh. Edhe pas më shumë se pesëdhjetë vjetësh, shumë filozofë nuk janë pajtuar përfundimisht me to, dhe këto pasoja janë ende objekt debati. Parimi i pasigurisë nënkuptonte fundin e ëndrrave të Laplace-it për një teori shkencore që do të ofronte një model plotësisht determinist të Universit: në të vërtetë, si mund të parashikohet me saktësi e ardhmja pa qenë në gjendje të bëjë matje të sakta të gjendjes së Universit në të tashmen moment! Natyrisht, ne mund të imagjinojmë se ekziston një grup i caktuar ligjesh që përcakton plotësisht ngjarjet për një qenie të mbinatyrshme që është në gjendje të vëzhgojë gjendjen aktuale të Universit pa e shqetësuar atë në asnjë mënyrë. Megjithatë, modele të tilla të Universit nuk janë me interes për ne të vdekshmit e thjeshtë. Do të ishte më mirë, ndoshta, të përdoret parimi i "ekonomisë", i cili quhet parimi i "rroje Occam" (W. Ockham /1285-1349/ - filozof anglez. Thelbi i parimit të "rroje Occam": konceptet që nuk mund të verifikohen në përvojë duhet të hiqen nga shkenca - shënimi i redaktorit) të merren dhe të shkëputen të gjitha dispozitat e teorisë që nuk janë të vëzhgueshme. Duke adoptuar këtë qasje, Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger dhe Paul Dirac në vitet 20 të shekullit tonë rishikuan mekanikën dhe arritën në një teori të re - mekanikën kuantike, e cila bazohej në parimin e pasigurisë. Në mekanikën kuantike, grimcat nuk kanë më karakteristika të tilla të përcaktuara dhe reciprokisht të pavarura si pozicioni në hapësirë ​​dhe shpejtësia, të cilat nuk janë të vëzhgueshme. Në vend të kësaj, ato karakterizohen nga një gjendje kuantike që është një kombinim i pozicionit dhe shpejtësisë.

Mekanika kuantike, në përgjithësi, nuk parashikon që një vëzhgim duhet të ketë ndonjë rezultat të vetëm të caktuar. Në vend të kësaj, ai parashikon një numër rezultatesh të ndryshme dhe jep probabilitetin e secilit prej tyre. Kjo do të thotë se nëse do të bënim të njëjtën matje për shumë sisteme identike, gjendjet fillestare të të cilave janë të njëjta, do të gjenim se në një numër rastesh rezultati i matjes është i barabartë me A, në një tjetër - B, etj. mund të parashikojë në sa Në përafërsisht raste, rezultati do të jetë i barabartë me A dhe B, por është e pamundur të përcaktohet rezultati i secilës matje specifike. Kështu, mekanika kuantike fut në shkencë një element të pashmangshëm të paparashikueshmërisë ose rastësisë. Ajnshtajni foli shumë ashpër kundër këtij koncepti, pavarësisht rolit të madh që ai vetë luajti në zhvillimin e tij. Për kontributin e tij të madh në teorinë kuantike, Ajnshtajnit iu dha Çmimi Nobel. Por ai kurrë nuk mund të pajtohej se universi qeveriset rastësisht. Të gjitha ndjenjat e Ajnshtajnit u shprehën në deklaratën e tij të famshme: "Zoti nuk luan zare". Megjithatë, shumica e shkencëtarëve të tjerë ishin të prirur të pranonin mekanikën kuantike, sepse ajo pajtohej në mënyrë të përkryer me eksperimentin. Mekanika kuantike është me të vërtetë një teori e jashtëzakonshme dhe qëndron në themel të pothuajse të gjithë shkencës dhe teknologjisë moderne. Parimet e mekanikës kuantike formojnë bazën për funksionimin e qarqeve gjysmëpërçuese dhe të integruara, të cilat janë pjesa më e rëndësishme e pajisjeve elektronike si televizorët dhe kompjuterët elektronikë. Kimia dhe biologjia moderne bazohen në mekanikën kuantike. Fushat e vetme të fizikës që ende nuk e përdorin mirë mekanikën kuantike janë teoria e gravitetit dhe teoria e strukturës në shkallë të gjerë të Universit.

Përkundër faktit se rrezatimi i dritës përbëhet nga valë, megjithatë, sipas hipotezës së Planck-ut, drita në njëfarë kuptimi sillet sikur të ishte formuar nga grimcat: emetimi dhe thithja e dritës ndodh vetëm në formën e pjesëve, ose kuanteve. Parimi i pasigurisë së Heisenberg thotë se grimcat, në një farë kuptimi, sillen si valë: ato nuk kanë një pozicion specifik në hapësirë, por janë "të lyera" mbi të me një shpërndarje të caktuar probabiliteti. Teoria mekanike kuantike përdor një aparat krejtësisht të ri matematikor, i cili nuk përshkruan më vetë botën reale bazuar në idetë për grimcat dhe valët; këto koncepte tani mund t'i atribuohen vetëm rezultateve të vëzhgimeve në këtë botë. Kështu, në mekanikën kuantike, lind dualizmi me valë të pjesshme: në disa raste është e përshtatshme të konsiderohen grimcat si valë, ndërsa në të tjera është më mirë të konsiderohen valët si grimca. Një përfundim i rëndësishëm rrjedh nga kjo: ne mund të vëzhgojmë të ashtuquajturën ndërhyrje midis dy valëve të grimcave. Kreshtat e valëve të njërës prej tyre, për shembull, mund të përkojnë me koritë e një tjetri. Më pas, të dy valët anulojnë njëra-tjetrën në vend që të përforcojnë njëra-tjetrën, duke përmbledhur, siç do të pritej, në valë më të larta (Figura 4.1). Një shembull i njohur i ndërhyrjes së dritës janë flluskat e sapunit që shkëlqejnë në ngjyra të ndryshme të ylberit. Ky fenomen ndodh si rezultat i reflektimit të dritës nga dy sipërfaqet e një filmi të hollë uji, i cili formon një flluskë. Drita e bardhë përmban të gjitha llojet e gjatësive të valëve që korrespondojnë me ngjyra të ndryshme. Kreshtat e disa valëve të reflektuara nga njëra prej sipërfaqeve të filmit të sapunit përkojnë me koritë e valëve me të njëjtën gjatësi të reflektuara nga sipërfaqja e dytë e flluskës. Atëherë dritës së reflektuar do t'i mungojnë ngjyrat që korrespondojnë me këto gjatësi vale, dhe drita e reflektuar do të shfaqet me shumë ngjyra.

Pra, falë dualizmit që u shfaq në mekanikën kuantike, grimcat gjithashtu mund të përjetojnë ndërhyrje. Një shembull i njohur i ndërhyrjeve të tilla të grimcave është një eksperiment me dy çarje në një ekran (Fig. 4.2). Konsideroni një ekran në të cilin janë prerë dy të çara të ngushta paralele. Në njërën anë të ekranit me të çara ka një burim drite të një ngjyre të caktuar (d.m.th., një gjatësi vale të caktuar). Pjesa më e madhe e dritës godet sipërfaqen e ekranit, por një pjesë e vogël e saj do të kalojë nëpër të çarat. Më pas, imagjinoni një ekran vëzhgimi të instaluar në anën tjetër të ekranit me të çara nga burimi i dritës. Pastaj valët e dritës nga të dy çarjet do të arrijnë çdo pikë në ekranin e vëzhgimit. Por distanca e përshkuar nga drita përmes të çarave nga burimi në ekran, në përgjithësi, do të jetë e ndryshme. Kjo do të thotë që valët që kalojnë nëpër çarje do të godasin ekranin në faza të ndryshme: në disa vende ato do të dobësojnë njëra-tjetrën, dhe në të tjera do të forcojnë njëra-tjetrën. Si rezultat, ekrani do të marrë një pamje karakteristike të përbërë nga vija të errëta dhe të lehta.

Çuditërisht, ekzaktësisht të njëjtat breza shfaqen kur zëvendësoni burimin e dritës me një burim grimcash, të themi elektrone, të emetuara me një shpejtësi të caktuar (që do të thotë se ato korrespondojnë me valë të një gjatësi të caktuar). Fenomeni i përshkruar është edhe më i çuditshëm sepse nëse ka vetëm një çarje, nuk shfaqet asnjë brez dhe një shpërndarje thjesht uniforme e elektroneve shfaqet në ekran. Dikush mund të supozojë se një çarje tjetër thjesht do të rriste numrin e elektroneve që godasin çdo pikë në ekran, por në fakt, për shkak të ndërhyrjes, numri i këtyre elektroneve në disa vende, përkundrazi, zvogëlohet. Nëse kaloni një elektron në një kohë nëpër çarjet, do të prisnit që secili prej tyre të kalonte ose përmes njërës çarje ose tjetrën, d.m.th., të sillet sikur çarja nëpër të cilën ai kaloi të ishte e vetmja dhe më pas një shpërndarje uniforme. duhet të shfaqet në ekran. Megjithatë, në fakt, brezat shfaqen edhe kur elektronet lëshohen një nga një. Prandaj, çdo elektron duhet të kalojë nëpër të dy çarjet menjëherë!

Fenomeni i ndërhyrjes së grimcave është bërë vendimtar për të kuptuarit tonë të strukturës së atomeve, atyre "blloqeve ndërtuese" më të vogla që konsiderohen në kimi dhe biologji dhe nga të cilat jemi ndërtuar ne vetë dhe gjithçka rreth nesh. Në fillim të shekullit, atomet mendohej se ishin si sistemi diellor: elektronet (grimcat që mbartin një ngarkesë elektrike negative), si planetët rreth Diellit, rrotullohen rreth një bërthame të vendosur në qendër që është e ngarkuar pozitivisht. Supozohej se elektronet mbaheshin në orbitat e tyre nga forcat tërheqëse midis ngarkesave pozitive dhe negative, të ngjashme me mënyrën se si tërheqja gravitacionale midis Diellit dhe planetëve i pengon planetët të largohen nga orbitat e tyre. Ky shpjegim hasi në vështirësinë e mëposhtme: përpara ardhjes së mekanikës kuantike, ligjet e mekanikës dhe elektricitetit parashikonin që elektronet do të humbnin energji dhe për këtë arsye do të silleshin drejt qendrës së atomit dhe do të binin në bërthamë. Kjo do të thotë që atomet, dhe bashkë me ta, natyrisht, e gjithë lënda, duhet të shemben shpejt në një gjendje me densitet shumë të lartë. Një zgjidhje e veçantë për këtë problem u gjet në vitin 1913 nga shkencëtari danez Niels Bohr. Bohr postuloi se elektronet nuk mund të lëviznin në asnjë orbitë, por vetëm në ato që shtrihen në distanca të caktuara specifike nga bërthama qendrore. Nëse do të bëhej gjithashtu supozimi se çdo orbitë e tillë mund të përmbajë vetëm një ose dy elektrone, atëherë problemi i kolapsit atomik do të zgjidhej, sepse atëherë elektronet, duke lëvizur në një spirale drejt qendrës, mund të mbushnin orbitat vetëm me rreze dhe energji minimale. .

Ky model shpjegoi në mënyrë të përsosur strukturën e atomit më të thjeshtë - atomit të hidrogjenit, në të cilin vetëm një elektron rrotullohet rreth bërthamës. Megjithatë, nuk ishte e qartë se si të shtrihej e njëjta qasje në atome më komplekse. Për më tepër, supozimi i një numri të kufizuar orbitash të lejuara dukej mjaft arbitrar. Kjo vështirësi u zgjidh nga një teori e re - mekanika kuantike. Doli se një elektron që rrotullohet rreth një bërthame mund të imagjinohet si një valë, gjatësia e së cilës varet nga shpejtësia e saj. Përgjatë disa orbitave, përshtatet një numër i plotë (në vend të një numri të pjesshëm) të gjatësive valore të elektroneve. Kur lëvizni përgjatë këtyre orbitave, kreshtat e valëve do të përfundojnë në të njëjtin vend në secilën orbitë, dhe për këtë arsye valët do të mblidhen; orbita të tilla klasifikohen si orbita të lejuara të Bohr-it. Dhe për ato orbita përgjatë të cilave një numër i plotë i gjatësive valore të elektroneve nuk përshtatet, çdo kreshtë ndërsa elektronet rrotullohen herët a vonë kompensohet nga një lug; orbita të tilla nuk do të lejohen.

Shkencëtari amerikan Richard Feynman doli me një mënyrë të bukur që bën të mundur vizualizimin e dualitetit valë-grimcë. Feynman prezantoi të ashtuquajturën përmbledhje mbi trajektoret. Në këtë qasje, ndryshe nga teoria klasike, jo kuantike, nuk ka asnjë supozim se grimca duhet të ketë një trajektore të vetme në hapësirë-kohë, por përkundrazi, besohet se grimca mund të lëvizë nga A në B përgjatë çdo të mundshme. rrugë. Çdo trajektore ka dy numra të lidhur me të: njëri prej tyre përshkruan madhësinë e valës, dhe tjetri korrespondon me pozicionin e saj në cikël (kreshtë ose lug). Për të përcaktuar probabilitetet e kalimit nga A në B, është e nevojshme të mblidhen valët për të gjitha këto trajektore. Nëse krahasoni disa trajektore fqinje, fazat ose pozicionet e tyre në cikël do të ndryshojnë shumë. Kjo do të thotë se valët që korrespondojnë me trajektore të tilla do të anulojnë pothuajse plotësisht njëra-tjetrën. Megjithatë, për disa familje të trajektoreve fqinje, fazat do të ndryshojnë pak kur lëvizin nga trajektorja në trajektore dhe valët përkatëse nuk do të anulojnë njëra-tjetrën. Trajektore të tilla i përkasin orbitave të lejuara të Bohr-it.

Bazuar në ide të tilla, të shkruara në një formë specifike matematikore, ishte e mundur, duke përdorur një skemë relativisht të thjeshtë, të llogariteshin orbitat e lejuara për atome më komplekse dhe madje edhe për molekula të përbëra nga disa atome që mbahen së bashku nga elektronet orbitat e të cilave mbulojnë më shumë se një bërthamë. Meqenëse struktura e molekulave dhe reaksionet që ndodhin midis tyre janë baza e të gjithë kimisë dhe gjithë biologjisë, mekanika kuantike në parim na lejon të parashikojmë gjithçka që shohim rreth nesh me saktësinë e lejuar nga parimi i pasigurisë. (Megjithatë, në praktikë, llogaritjet për sistemet që përmbajnë shumë elektrone rezultojnë të jenë aq komplekse saqë janë thjesht të pamundura për t'u kryer).

Struktura në shkallë të gjerë e Universit duket se i bindet teorisë së përgjithshme të relativitetit të Ajnshtajnit. Kjo teori quhet klasike sepse nuk merr parasysh parimin e pasigurisë mekanike kuantike, i cili duhet të merret parasysh për të qenë në përputhje me teoritë e tjera. Ne nuk kundërshtojmë rezultatet e vëzhgimeve për faktin se të gjitha fushat gravitacionale me të cilat zakonisht duhet të merremi janë shumë të dobëta. Megjithatë, sipas teoremave të singularitetit të diskutuara më sipër, fusha gravitacionale duhet të bëhet shumë e fortë në të paktën dy situata: në rastin e vrimave të zeza dhe në rastin e shpërthimit të madh. Në fusha të tilla të forta, efektet kuantike duhet të jenë të rëndësishme. Prandaj, teoria e përgjithshme klasike e relativitetit, pasi kishte parashikuar pikat në të cilat dendësia bëhet e pafundme, në njëfarë kuptimi parashikoi dështimin e saj pikërisht në të njëjtën mënyrë që mekanika klasike (d.m.th., jo kuantike) e dënoi veten të dështonte duke arritur në përfundimin se atomet duhet të shemben derisa dendësia e tyre të bëhet e pafundme. Ne nuk kemi ende një teori të plotë në të cilën teoria e përgjithshme e relativitetit do të kombinohej vazhdimisht me mekanikën kuantike, por ne dimë disa veti të teorisë së së ardhmes. Ne do të flasim për atë që rrjedh nga këto veti në lidhje me vrimat e zeza dhe shpërthimin e madh në kapitujt pasues. Tani le të kalojmë në përpjekjet më të fundit për të unifikuar të kuptuarit tonë për të gjitha forcat e tjera të natyrës në një teori kuantike të unifikuar.

Parimet e pasigurisë së Heisenberg janë një nga problemet e mekanikës kuantike, por së pari ne i drejtohemi zhvillimit të shkencës fizike në tërësi. Në fund të shekullit të 17-të, Isak Njutoni hodhi themelet për mekanikën moderne klasike. Ishte ai që formuloi dhe përshkroi ligjet e tij themelore, me ndihmën e të cilave mund të parashikohet sjellja e trupave përreth nesh. Nga fundi i shekullit të 19-të, këto dispozita dukeshin të pacenueshme dhe të zbatueshme për të gjitha ligjet e natyrës. Problemet e fizikës si shkencë dukej se ishin zgjidhur.

Por, siç doli, në atë kohë dihej shumë më pak për vetitë e Universit sesa dukej. Guri i parë që prishi harmoninë e mekanikës klasike ishte mosbindja e tij ndaj ligjeve të përhapjes së valëve të dritës. Kështu, shkenca shumë e re e elektrodinamikës në atë kohë u detyrua të zhvillonte një grup rregullash krejtësisht të ndryshme. Por për fizikantët teorikë u ngrit një problem: si të silleshin dy sisteme në një emërues të përbashkët. Nga rruga, shkenca është ende duke punuar për një zgjidhje për këtë problem.

Miti i mekanikës gjithëpërfshirëse Njutoniane u shkatërrua përfundimisht me një studim më të thellë të strukturës së atomeve. Britaniku Ernest Rutherford zbuloi se atomi nuk është një grimcë e pandashme, siç mendohej më parë, por në vetvete përmban neutrone, protone dhe elektrone. Për më tepër, sjellja e tyre ishte gjithashtu plotësisht në kundërshtim me postulatet e mekanikës klasike. Nëse në botën makro, graviteti përcakton kryesisht natyrën e gjërave, atëherë në botën e grimcave kuantike është një forcë jashtëzakonisht e vogël ndërveprimi. Kështu u hodhën bazat e mekanikës kuantike, e cila kishte edhe aksiomat e veta. Një nga ndryshimet domethënëse midis këtyre sistemeve më të vogla dhe botës me të cilën jemi mësuar është parimi i pasigurisë së Heisenberg. Ai tregoi qartë nevojën për një qasje të ndryshme ndaj këtyre sistemeve.

Parimi i pasigurisë së Heisenberg

Në çerekun e parë të shekullit të 20-të, mekanika kuantike hodhi hapat e saj të parë dhe fizikantët në mbarë botën kuptuan vetëm atë që rrjedh nga dispozitat e saj për ne dhe çfarë perspektive hapi ajo. Fizikani teorik gjerman Werner Heisenberg formuloi parimet e tij të famshme në vitin 1927. Parimet e Heisenberg konsistojnë në faktin se është e pamundur të llogaritet si pozicioni hapësinor ashtu edhe shpejtësia e një objekti kuantik në të njëjtën kohë. Arsyeja kryesore për këtë është fakti se kur masim, ne tashmë ndikojmë në sistemin që matet, duke e shqetësuar kështu atë. Nëse në makrokozmosin me të cilin jemi njohur vlerësojmë një objekt, atëherë edhe kur i hedhim një vështrim, shohim reflektimin e dritës prej tij.

Por parimi i pasigurisë së Heisenberg thotë se megjithëse në makrokozmos drita nuk ka asnjë efekt në objektin e matur, në rastin e grimcave kuantike fotonet (ose çdo matje tjetër derivatore) kanë një ndikim të rëndësishëm në grimcë. Në të njëjtën kohë, është interesante të theksohet se fizika kuantike është mjaft e aftë për të matur shpejtësinë ose pozicionin e një trupi në hapësirë ​​veç e veç. Por sa më të sakta të jenë leximet tona të shpejtësisë, aq më pak do të dimë për pozicionin tonë hapësinor. Dhe anasjelltas. Kjo do të thotë, parimi i pasigurisë së Heisenberg krijon disa vështirësi në parashikimin e sjelljes së grimcave kuantike. Fjalë për fjalë duket kështu: ata ndryshojnë sjelljen e tyre kur ne përpiqemi t'i vëzhgojmë.