Ang prinsipyo ng kawalan ng katiyakan ay isang pangunahing batas ng microworld. Maaari itong ituring na isang partikular na pagpapahayag ng prinsipyo ng complementarity.

Sa klasikal na mekanika, ang isang particle ay gumagalaw kasama ang isang tiyak na tilapon, at sa anumang sandali sa oras posible na tumpak na matukoy ang mga coordinate nito at ang momentum nito. Tungkol sa microparticle, ang ideyang ito ay hindi tama. Ang isang microparticle ay walang malinaw na tinukoy na tilapon; mayroon itong parehong mga katangian ng isang particle at mga katangian ng isang alon (wave-particle duality). Sa kasong ito, ang konsepto ng "haba ng daluyong sa isang naibigay na punto" ay walang pisikal na kahulugan, at dahil ang momentum ng isang microparticle ay ipinahayag sa pamamagitan ng haba ng daluyong - p=kay/ l, pagkatapos ay sumusunod na ang isang microparticle na may isang tiyak na momentum ay may ganap na hindi tiyak na coordinate, at vice versa.

W. Heisenberg (1927), na isinasaalang-alang ang dalawahang katangian ng mga microparticle, ay dumating sa konklusyon na imposibleng sabay na makilala ang isang microparticle na may parehong mga coordinate at momentum na may anumang paunang natukoy na katumpakan.

Ang mga sumusunod na hindi pagkakapantay-pantay ay tinatawag na Heisenberg uncertainty relations:

Δx Δ p x ≥h,Δ yΔp y ≥h,Δ zΔp z ≥ h.

Dito ang ibig sabihin ng Δx, Δy, Δz ay mga coordinate interval kung saan ang isang microparticle ay maaaring ma-localize (ang mga interval na ito ay coordinate uncertainties), Δ p x , Δ p y , Δ p z ibig sabihin ang mga pagitan ng mga projection ng pulso papunta sa mga coordinate axes x, y, z, h- pare-pareho ni Planck. Ayon sa prinsipyo ng kawalan ng katiyakan, mas tumpak na naitala ang salpok, mas malaki ang magiging kawalan ng katiyakan sa coordinate, at kabaliktaran.

Prinsipyo ng pagsusulatan

Habang umuunlad ang agham at lumalalim ang naipon na kaalaman, nagiging mas tumpak ang mga bagong teorya. Ang mga bagong teorya ay sumasaklaw sa mas malawak na abot-tanaw ng materyal na mundo at tumagos sa dati nang hindi pa natutuklasang kalaliman. Ang mga dinamikong teorya ay pinalitan ng mga static.

Ang bawat pangunahing teorya ay may ilang mga limitasyon ng pagkakalapat. Samakatuwid, ang paglitaw ng isang bagong teorya ay hindi nangangahulugan ng isang kumpletong negasyon ng luma. Kaya, ang paggalaw ng mga katawan sa macrocosm na may mga bilis na makabuluhang mas mababa kaysa sa bilis ng liwanag ay palaging ilalarawan ng klasikal na Newtonian mechanics. Gayunpaman, sa mga bilis na maihahambing sa bilis ng liwanag (relativistic na bilis), ang Newtonian mechanics ay hindi naaangkop.

Sa layunin, mayroong pagpapatuloy ng mga pangunahing teoryang pisikal. Ito ang prinsipyo ng pagsusulatan, na maaaring mabalangkas tulad ng sumusunod: walang bagong teorya ang maaaring maging wasto maliban kung naglalaman ito bilang isang limitadong kaso ng lumang teorya na may kaugnayan sa parehong phenomena, dahil ang lumang teorya ay napatunayan na mismo sa larangan nito.

3.4. Ang konsepto ng estado ng sistema. Determinismo ng Laplace

Sa klasikal na pisika, ang isang sistema ay nauunawaan bilang isang koleksyon ng ilang bahagi na konektado sa isa't isa sa isang tiyak na paraan. Ang mga bahaging ito (mga elemento) ng system ay maaaring makaimpluwensya sa isa't isa, at ipinapalagay na ang kanilang pakikipag-ugnayan ay palaging masusuri mula sa pananaw ng mga ugnayang sanhi-at-epekto sa pagitan ng mga nakikipag-ugnayang elemento ng system.

Ang pilosopikal na doktrina ng kawalang-kinikilingan ng natural na relasyon at pagtutulungan ng mga phenomena ng materyal at espirituwal na mundo ay tinatawag na determinismo. Ang sentral na konsepto ng determinismo ay ang pagkakaroon sanhi; Ang causality ay nangyayari kapag ang isang phenomenon ay nagbunga ng isa pang phenomenon (effect).

Ang klasikal na pisika ay nakatayo sa posisyon ng matibay na determinismo, na tinatawag na Laplaceian - si Pierre Simon Laplace ang nagpahayag ng prinsipyo ng causality bilang isang pangunahing batas ng kalikasan. Naniniwala si Laplace na kung ang lokasyon ng mga elemento (ilang katawan) ng isang sistema at ang mga puwersang kumikilos dito ay malalaman, kung gayon posible na mahulaan nang may kumpletong katiyakan kung paano kikilos ang bawat katawan ng sistemang ito ngayon at sa hinaharap. Sumulat siya: “Dapat nating isaalang-alang ang kasalukuyang kalagayan ng Uniberso bilang bunga ng nakaraang kalagayan at bilang sanhi ng kasunod na kalagayan. Ang isang isip na sa isang takdang sandali ay alam ang lahat ng mga puwersang kumikilos sa kalikasan, at ang mga relatibong posisyon ng lahat ng mga nasasakupan nito, kung ito ay napakalawak pa upang isaalang-alang ang lahat ng mga datos na ito, ay yakapin sa isa at parehong formula ang mga paggalaw. ng pinakamalaking katawan ng Uniberso at ang pinakamagagaan na mga atomo. Walang magiging hindi tiyak para sa kanya, at ang hinaharap, tulad ng nakaraan, ay makikita sa kanyang mga mata. Ayon sa kaugalian, ang hypothetical na nilalang na ito, na maaaring (ayon kay Laplace) ay mahulaan ang pag-unlad ng Uniberso, ay tinatawag sa agham na "demonyo ni Laplace."

Sa klasikal na panahon ng pag-unlad ng natural na agham, ang ideya ay pinagtibay na ang mga dinamikong batas lamang ang ganap na nagpapakilala sa pagiging sanhi ng kalikasan.

Sinubukan ni Laplace na ipaliwanag ang buong mundo, kabilang ang physiological, psychological, at social phenomena mula sa punto ng view ng mechanistic determinism, na itinuturing niyang isang methodological na prinsipyo para sa pagbuo ng anumang agham. Nakita ni Laplace ang isang halimbawa ng anyo ng kaalamang siyentipiko sa celestial mechanics. Kaya, ang Laplacean determinism ay tinatanggihan ang layunin na katangian ng pagkakataon, ang konsepto ng posibilidad ng isang kaganapan.

Ang karagdagang pag-unlad ng natural na agham ay humantong sa mga bagong ideya ng sanhi at bunga. Para sa ilang natural na proseso, mahirap matukoy ang sanhi—halimbawa, random na nangyayari ang radioactive decay. Imposibleng malinaw na maiugnay ang oras ng "pag-alis" ng isang α- o β-particle mula sa nucleus at ang halaga ng enerhiya nito. Ang mga ganitong proseso ay random lang. Mayroong higit na maraming tulad na mga halimbawa sa biology. Sa modernong natural na agham, ang modernong determinismo ay nag-aalok ng iba't ibang, obhetibo na umiiral na mga anyo ng pagkakaugnay ng mga proseso at phenomena, na marami sa mga ito ay ipinahayag sa anyo ng mga relasyon na walang binibigkas na mga koneksyon na sanhi, iyon ay, hindi naglalaman ng mga sandali ng henerasyon ng isa sa pamamagitan ng. isa pa. Ito ay mga koneksyon sa espasyo-oras, mga relasyon ng simetrya at ilang mga dependency sa pagganap, mga probabilistikong relasyon, atbp. Gayunpaman, ang lahat ng mga anyo ng tunay na pakikipag-ugnayan ng mga phenomena ay nabuo batay sa unibersal na aktibong sanhi, sa labas kung saan walang isang solong kababalaghan ng katotohanan ang umiiral, kabilang ang tinatawag na random phenomena, sa pinagsama-samang mga static na batas ay ipinahayag.

Ang agham ay patuloy na umuunlad at pinayaman ng mga bagong konsepto, batas, at prinsipyo, na nagpapahiwatig ng mga limitasyon ng Laplacean determinism. Gayunpaman, ang klasikal na pisika, sa partikular na klasikal na mekanika, ay mayroon pa ring angkop na angkop na aplikasyon ngayon. Ang mga batas nito ay lubos na naaangkop para sa medyo mabagal na paggalaw, ang bilis nito ay mas mababa kaysa sa bilis ng liwanag. Ang kahalagahan ng klasikal na pisika sa modernong panahon ay mahusay na tinukoy ng isa sa mga tagalikha ng quantum mechanics, si Niels Bohr: "Gaano man kalayo ang phenomena na lumampas sa klasikal na pisikal na pagpapaliwanag, ang lahat ng pang-eksperimentong data ay dapat ilarawan gamit ang mga klasikal na konsepto. Ang katwiran para dito ay para lamang sabihin ang tiyak na kahulugan ng salitang "eksperimento." Sa salitang "eksperimento" ipinapahiwatig namin ang isang sitwasyon kung saan maaari naming sabihin sa iba kung ano ang aming ginawa at kung ano ang eksaktong natutunan namin. Samakatuwid, ang pang-eksperimentong pag-setup at mga resulta ng pagmamasid ay dapat na inilarawan nang hindi malabo sa wika ng klasikal na pisika.

UNCERTAINY PRINSIPYO:

Ang prinsipyo ng kawalan ng katiyakan - isang pundamental na posisyon ng quantum theory, na nagsasaad na ang anumang pisikal na sistema ay hindi maaaring nasa mga estado kung saan ang mga coordinate ng sentro ng inertia at momentum nito ay sabay-sabay na kumukuha sa mahusay na tinukoy, eksaktong mga halaga. Sa dami, ang prinsipyo ng kawalan ng katiyakan ay nabuo bilang mga sumusunod. Kung ang ∆x ay ang kawalan ng katiyakan sa halaga ng x coordinate ng sentro ng pagkawalang-galaw ng system, at ang ∆p x ay ang kawalan ng katiyakan sa projection ng momentum p papunta sa x axis, kung gayon ang produkto ng mga kawalan ng katiyakan na ito ay dapat na nasa pagkakasunud-sunod ng magnitude na hindi bababa sa pare-parehong ħ ni Planck. Ang mga katulad na hindi pagkakapantay-pantay ay dapat masiyahan para sa anumang pares ng tinatawag canonically conjugate variable, halimbawa, para sa y coordinate at ang projection ng momentum p y papunta sa y axis, ang z coordinate at ang projection ng momentum p z. Kung sa pamamagitan ng mga kawalan ng katiyakan ng posisyon at momentum ang ibig nating sabihin ay ang root-mean-square deviations ng mga pisikal na dami na ito mula sa kanilang mga average na halaga, kung gayon ang prinsipyo ng kawalan ng katiyakan para sa kanila ay may anyo:

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

Dahil sa liit ng ħ kumpara sa mga macroscopic na dami ng parehong dimensyon, ang pagkilos ng uncertainty principle ay makabuluhan pangunahin para sa mga phenomena ng atomic (at mas maliit) na kaliskis at hindi lumilitaw sa mga eksperimento na may macroscopic body.

Mula sa prinsipyo ng kawalan ng katiyakan ay sumusunod na ang mas tiyak na isa sa mga dami na kasama sa hindi pagkakapantay-pantay ay tinukoy, mas hindi tiyak ang halaga ng isa pa. Walang eksperimento ang maaaring magkasabay na tumpak na masukat ang mga dynamic na variable; Bukod dito, ang kawalan ng katiyakan sa mga sukat ay nauugnay hindi sa di-kasakdalan ng eksperimentong teknolohiya, ngunit sa mga layunin na katangian ng bagay.

Ang prinsipyo ng kawalan ng katiyakan, na natuklasan noong 1927 ng German physicist na si W. Heisenberg, ay isang mahalagang hakbang sa pagpapaliwanag ng mga batas ng intra-atomic phenomena at pagbuo ng quantum mechanics. Ang isang mahalagang katangian ng mga mikroskopikong bagay ay ang kanilang kalikasan ng particle-wave. Ang estado ng particle ay ganap na tinutukoy ng wave function (isang dami na ganap na naglalarawan sa estado ng isang micro-object (electron, proton, atom, molecule) at, sa pangkalahatan, anumang quantum system). Ang isang particle ay maaaring makita sa anumang punto sa espasyo kung saan ang wave function ay nonzero. Samakatuwid, ang mga resulta ng mga eksperimento upang matukoy, halimbawa, ang mga coordinate ay probabilistic sa kalikasan.

(Halimbawa: ang paggalaw ng isang electron ay kumakatawan sa pagpapalaganap ng sarili nitong alon. Kung kukunan mo ang isang sinag ng mga electron sa isang makitid na butas sa dingding: ang makitid na sinag ay dadaan dito. Ngunit kung gagawin mong mas maliit ang butas na ito, tulad na ang diameter nito ay katumbas ng sukat sa wavelength ng electron, pagkatapos ay kakalat ang electron beam sa lahat ng direksyon. At ito ay hindi isang pagpapalihis na dulot ng pinakamalapit na atoms ng pader, na maaari mong alisin: ito ay nangyayari dahil sa ang wave nature ng electron. Subukang hulaan kung ano ang susunod na mangyayari sa electron na dumaan sa pader, at makikita mo ang iyong sarili na walang kapangyarihan. Alam mo sigurado , sa anong punto ito nagsalubong sa dingding, ngunit hindi mo masasabi kung anong momentum sa nakahalang direksyon na makukuha nito. Sa kabaligtaran, upang tumpak na matukoy na ang electron ay lilitaw na may ganoon at ganoong tiyak na momentum sa paunang direksyon, kailangan mong palakihin ang butas upang ang electron wave ay dumaan nang tuwid, bahagyang lamang. diverging sa lahat ng direksyon dahil sa diffraction.Ngunit pagkatapos ay imposibleng sabihin nang eksakto kung saan ang electron particle ay dumaan sa dingding: ang butas ay malawak. Hangga't nakakakuha ka sa katumpakan ng pagtukoy ng salpok, natalo ka sa katumpakan kung saan nalalaman ang posisyon nito.

Ito ang prinsipyo ng kawalan ng katiyakan ng Heisenberg. Ginampanan niya ang isang napakahalagang papel sa pagbuo ng isang mathematical apparatus para sa paglalarawan ng mga particle wave sa mga atomo. Ang mahigpit na interpretasyon nito sa mga eksperimento sa mga electron ay ito: tulad ng mga light wave, ang mga electron ay lumalaban sa anumang mga pagtatangka na magsagawa ng mga sukat na may matinding katumpakan. Binabago din ng prinsipyong ito ang larawan ng atom ni Bohr. Posible upang matukoy nang eksakto ang momentum ng isang elektron (at samakatuwid ang antas ng enerhiya nito) sa ilang mga orbit nito, ngunit ang lokasyon nito ay ganap na hindi malalaman: walang masasabi tungkol sa kung nasaan ito. Mula dito ay malinaw na ang pagguhit ng isang malinaw na orbit ng isang elektron at pagmamarka dito sa anyo ng isang bilog ay walang anumang kahulugan.)

Dahil dito, kapag nagsasagawa ng isang serye ng magkatulad na mga eksperimento, ayon sa parehong kahulugan ng mga coordinate, sa magkatulad na mga sistema, iba't ibang mga resulta ang nakukuha sa bawat oras. Gayunpaman, ang ilang mga halaga ay magiging mas malamang kaysa sa iba, ibig sabihin, mas madalas silang lilitaw. Ang kamag-anak na dalas ng paglitaw ng ilang mga halaga ng coordinate ay proporsyonal sa parisukat ng modulus ng function ng wave sa kaukulang mga punto sa espasyo. Samakatuwid, kadalasan ang mga halaga ng coordinate na nakuha ay ang mga namamalagi malapit sa maximum ng function ng wave. Ngunit ang ilang nakakalat sa mga halaga ng coordinate, ang ilang kawalan ng katiyakan (sa pagkakasunud-sunod ng kalahating lapad ng maximum) ay hindi maiiwasan. Ang parehong naaangkop sa pagsukat ng salpok.

Kaya, ang mga konsepto ng coordinate at momentum sa klasikal na kahulugan ay hindi mailalapat sa mga mikroskopikong bagay. Kapag ginagamit ang mga dami na ito upang ilarawan ang isang mikroskopiko na sistema, kinakailangang ipasok ang mga quantum correction sa kanilang interpretasyon. Ang susog na ito ay ang prinsipyo ng kawalan ng katiyakan.

Ang prinsipyo ng kawalan ng katiyakan para sa enerhiya ε at oras t ay may bahagyang naiibang kahulugan:

∆ε ∆t ≥ ħ

Kung ang sistema ay nasa isang nakatigil na estado, kung gayon mula sa prinsipyo ng kawalan ng katiyakan ay sumusunod na ang enerhiya ng sistema, kahit na sa estadong ito, ay masusukat lamang nang may katumpakan na hindi lalampas sa ħ/∆t, kung saan ang ∆t ay ang tagal ng proseso ng pagsukat. Ang dahilan nito ay ang pakikipag-ugnayan ng system sa aparatong pagsukat, at ang prinsipyo ng kawalan ng katiyakan na inilapat sa kasong ito ay nangangahulugan na ang enerhiya ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng aparatong pagsukat at ng sistemang pinag-aaralan ay maaari lamang isaalang-alang nang may katumpakan ng ħ/ ∆t.

Naimpluwensyahan ng tagumpay ng mga teoryang siyentipiko, lalo na ang teorya ng grabitasyon ni Newton, ang siyentipikong Pranses na si Pierre Laplace sa simula ng ika-19 na siglo. isang pagtingin sa Uniberso bilang isang ganap na tinutukoy na bagay ay binuo. Naniniwala si Laplace na dapat mayroong isang hanay ng mga siyentipikong batas na gagawing posible na mahulaan ang lahat ng maaaring mangyari sa Uniberso, kung malalaman lamang ang kumpletong paglalarawan ng estado nito sa isang punto ng panahon. Halimbawa, kung alam natin ang mga posisyon ng Araw at mga planeta na tumutugma sa isang tiyak na sandali sa oras, kung gayon gamit ang mga batas ni Newton maaari nating kalkulahin kung ano ang magiging estado ng Solar system sa anumang iba pang sandali ng oras. Sa kasong ito, ang determinismo ay medyo halata, ngunit si Laplace ay nagpatuloy, na nangangatwiran na may mga katulad na batas para sa lahat, kabilang ang pag-uugali ng tao.

Ang doktrina ng siyentipikong determinismo ay nakatagpo ng malakas na pagtutol mula sa marami na nadama na ito ay limitado ang libreng interbensyon ng Diyos sa ating mundo; gayunpaman, ang ideyang ito ay nanatiling isang karaniwang pang-agham na hypothesis sa pinakadulo simula ng ating siglo. Ang isa sa mga unang indikasyon ng pangangailangang talikuran ang determinismo ay ang mga resulta ng mga kalkulasyon ng dalawang Ingles na physicist, sina John Rayleigh at James Jeans, kung saan sinundan nito na ang isang mainit na bagay tulad ng isang bituin ay dapat magningning ng walang katapusang mas maraming enerhiya sa lahat ng oras. Ayon sa mga kilalang batas noon, ang isang mainit na katawan ay dapat na pantay na naglalabas ng mga electromagnetic wave ng lahat ng mga frequency (halimbawa, mga radio wave, nakikitang ilaw, X-ray). Nangangahulugan ito na ang parehong dami ng enerhiya ay dapat ilabas kapwa sa anyo ng mga alon na may mga frequency sa pagitan ng isa at dalawang milyong milyong alon bawat segundo, at sa anyo ng mga alon na ang mga frequency ay nasa hanay na dalawa hanggang tatlong milyong alon bawat segundo. . At dahil walang hanggan maraming magkakaibang frequency, ang kabuuang radiated na enerhiya ay dapat na walang hanggan.

Upang maalis ang tila walang katotohanang konklusyon na ito, tinanggap ng siyentipikong Aleman na si Max Planck noong 1900 ang hypothesis na ang liwanag, X-ray at iba pang mga alon ay hindi maaaring ilabas nang may di-makatwirang intensity, ngunit dapat na ilabas lamang sa ilang mga bahagi, na tinawag ni Planck na quanta. Bilang karagdagan, iminungkahi ni Planck na ang bawat dami ng radiation ay nagdadala ng isang tiyak na halaga ng enerhiya, na mas malaki kung mas mataas ang dalas ng mga alon. Kaya, sa isang sapat na mataas na frequency, ang enerhiya ng isang quantum ay maaaring lumampas sa magagamit na dami ng enerhiya at, dahil dito, ang mataas na dalas na radiation ay pipigilan, at ang rate kung saan ang katawan ay nawawalan ng enerhiya ay magiging may hangganan.

Ang quantum hypothesis ay nasa mahusay na pagsang-ayon sa naobserbahang intensity ng radiation ng mga mainit na katawan, ngunit kung ano ang ibig sabihin nito para sa determinismo ay hindi malinaw hanggang 1926, nang ang isa pang Aleman na siyentipiko, si Werner Heisenberg, ay bumalangkas ng sikat na prinsipyo ng kawalan ng katiyakan. Upang mahulaan kung ano ang magiging posisyon at bilis ng isang particle, kailangan mong makagawa ng tumpak na mga sukat ng posisyon at bilis nito sa kasalukuyang sandali. Malinaw, upang gawin ito, ang liwanag ay dapat na nakadirekta sa butil. Ang ilan sa mga magagaan na alon ay ikakalat nito, at sa gayon ay matutukoy natin ang posisyon ng particle sa kalawakan. Gayunpaman, ang katumpakan ng pagsukat na ito ay hindi hihigit sa distansya sa pagitan ng mga taluktok ng dalawang magkatabing alon, at samakatuwid ay kailangan ang maikling-wavelength na ilaw upang tumpak na masukat ang posisyon ng particle. Ayon sa hypothesis ni Planck, hindi maaaring gamitin ang liwanag sa maliliit na bahagi, at walang mas maliit na bahagi kaysa sa isang quantum. Ang dami ng liwanag na ito ay makakagambala sa paggalaw ng butil at hindi mahuhulaan na mababago ang bilis nito. Bilang karagdagan, kung mas tumpak na sinusukat ang posisyon, mas maikli ang dapat na mga wavelength ng liwanag, at samakatuwid, mas malaki ang magiging enerhiya ng isang quantum. Nangangahulugan ito na ang pagkabalisa ng bilis ng butil ay magiging mas malaki. Sa madaling salita, kung mas tumpak mong sinusubukang sukatin ang posisyon ng isang particle, mas magiging mas tumpak ang mga sukat ng bilis nito, at kabaliktaran. Ipinakita ni Heisenberg na ang kawalan ng katiyakan sa posisyon ng isang particle, na pinarami ng kawalan ng katiyakan sa bilis nito at sa masa nito, ay hindi maaaring mas mababa sa isang tiyak na numero, na ngayon ay tinatawag na Planck's constant. Ang numerong ito ay hindi nakadepende sa paraan kung saan sinusukat ang posisyon o bilis ng particle, o sa uri ng particle na ito, ibig sabihin, ang Heisenberg uncertainty principle ay isang pundamental, mandatoryong pag-aari ng ating mundo.

Ang prinsipyo ng kawalan ng katiyakan ay may malalayong kahihinatnan na nauugnay sa ating pang-unawa sa mundo sa paligid natin. Kahit na pagkatapos ng higit sa limampung taon, maraming mga pilosopo ang hindi tiyak na sumang-ayon sa kanila, at ang mga kahihinatnan na ito ay paksa pa rin ng debate. Ang prinsipyo ng kawalan ng katiyakan ay nangangahulugan ng pagtatapos ng mga pangarap ni Laplace ng isang siyentipikong teorya na magbibigay ng isang ganap na deterministikong modelo ng Uniberso: sa katunayan, paano tumpak na mahulaan ng isang tao ang hinaharap nang hindi man lang nakakagawa ng tumpak na mga sukat ng estado ng Uniberso sa kasalukuyan sandali! Siyempre, maaari nating isipin na mayroong isang tiyak na hanay ng mga batas na ganap na tumutukoy sa mga kaganapan para sa ilang supernatural na nilalang na kayang obserbahan ang kasalukuyang kalagayan ng Uniberso nang hindi ito ginagambala sa anumang paraan. Gayunpaman, ang gayong mga modelo ng Uniberso ay walang interes sa atin na mga mortal lamang. Mas mainam, marahil, na gamitin ang prinsipyo ng "ekonomiya", na tinatawag na prinsipyo ng "Occam's razor" (W. Ockham /1285‑1349/ - English philosopher. Ang kakanyahan ng prinsipyo ng "Occam's razor": ang mga konseptong hindi mapapatunayan sa karanasan ay dapat alisin sa agham - tala ng editor) kunin at putulin ang lahat ng mga probisyon ng teorya na hindi nakikita. Pinagtibay ang diskarteng ito, sina Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger at Paul Dirac noong 20s ng ating siglo ay binago ang mekanika at dumating sa isang bagong teorya - quantum mechanics, na batay sa prinsipyo ng kawalan ng katiyakan. Sa quantum mechanics, ang mga particle ay wala nang ganoong tiyak at mutually independent na mga katangian gaya ng posisyon sa espasyo at bilis, na hindi nakikita. Sa halip, ang mga ito ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang quantum state na ilang kumbinasyon ng posisyon at bilis.

Ang quantum mechanics, sa pangkalahatan, ay hindi hinuhulaan na ang isang obserbasyon ay dapat magkaroon ng anumang solong tiyak na resulta. Sa halip, hinuhulaan nito ang isang bilang ng iba't ibang mga resulta at nagbibigay ng posibilidad ng bawat isa sa kanila. Nangangahulugan ito na kung gumawa kami ng parehong pagsukat para sa maraming magkakaparehong sistema, ang mga paunang estado kung saan ay pareho, makikita namin na sa isang bilang ng mga kaso ang resulta ng pagsukat ay katumbas ng A, sa isa pa - B, atbp. maaaring hulaan kung gaano karaming Sa humigit-kumulang na mga kaso, ang resulta ay magiging katumbas ng A at B, ngunit imposibleng matukoy ang resulta ng bawat partikular na sukat. Kaya, ang quantum mechanics ay nagpapakilala ng isang hindi maiiwasang elemento ng unpredictability o randomness sa agham. Si Einstein ay nagsalita nang napakatindi laban sa konseptong ito, sa kabila ng napakalaking papel na ginampanan niya mismo sa pag-unlad nito. Para sa kanyang napakalaking kontribusyon sa quantum theory, si Einstein ay ginawaran ng Nobel Prize. Ngunit hindi siya maaaring sumang-ayon na ang uniberso ay pinamamahalaan ng pagkakataon. Ang lahat ng damdamin ni Einstein ay ipinahayag sa kanyang tanyag na pahayag: "Ang Diyos ay hindi naglalaro ng dice." Gayunpaman, karamihan sa iba pang mga siyentipiko ay may hilig na tumanggap ng quantum mechanics dahil ganap itong sumang-ayon sa eksperimento. Ang quantum mechanics ay talagang isang kahanga-hangang teorya at pinagbabatayan ng halos lahat ng modernong agham at teknolohiya. Ang mga prinsipyo ng quantum mechanics ay bumubuo ng batayan para sa pagpapatakbo ng semiconductor at integrated circuit, na siyang pinakamahalagang bahagi ng mga elektronikong kagamitan tulad ng mga telebisyon at elektronikong kompyuter. Ang modernong kimika at biology ay batay sa quantum mechanics. Ang tanging mga lugar ng pisika na hindi pa nagagamit nang husto sa quantum mechanics ay ang teorya ng gravity at ang teorya ng malakihang istruktura ng Uniberso.

Sa kabila ng katotohanan na ang light radiation ay binubuo ng mga alon, gayunpaman, ayon sa hypothesis ni Planck, ang liwanag sa ilang kahulugan ay kumikilos na parang nabuo ng mga particle: ang paglabas at pagsipsip ng liwanag ay nangyayari lamang sa anyo ng mga bahagi, o quanta. Ang prinsipyo ng kawalan ng katiyakan ng Heisenberg ay nagsasabi na ang mga particle, sa isang kahulugan, ay kumikilos tulad ng mga alon: wala silang isang tiyak na posisyon sa espasyo, ngunit "pinahiran" sa ibabaw nito na may isang tiyak na pamamahagi ng posibilidad. Gumagamit ang quantum mechanical theory ng isang ganap na bagong mathematical apparatus, na hindi na naglalarawan sa totoong mundo mismo batay sa mga ideya tungkol sa mga particle at alon; ang mga konseptong ito ay maaari na lamang maiugnay sa mga resulta ng mga obserbasyon sa mundong ito. Kaya, sa quantum mechanics, lumilitaw ang partial-wave dualism: sa ilang mga kaso ay maginhawa upang isaalang-alang ang mga particle bilang mga alon, habang sa iba ay mas mahusay na isaalang-alang ang mga alon bilang mga particle. Isang mahalagang konklusyon ang sumusunod mula dito: maaari nating obserbahan ang tinatawag na interference sa pagitan ng dalawang particle wave. Ang mga taluktok ng mga alon ng isa sa kanila ay maaaring, halimbawa, ay nag-tutugma sa mga labangan ng isa pa. Ang dalawang alon pagkatapos ay kanselahin ang isa't isa sa halip na palakasin ang isa't isa, pagbubuod, gaya ng inaasahan ng isa, sa mas matataas na alon (Figure 4.1). Ang isang kilalang halimbawa ng light interference ay ang mga bula ng sabon na kumikinang sa iba't ibang kulay ng bahaghari. Ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay nangyayari bilang isang resulta ng pagmuni-muni ng liwanag mula sa dalawang ibabaw ng isang manipis na pelikula ng tubig, na bumubuo ng isang bula. Ang puting liwanag ay naglalaman ng lahat ng uri ng mga wavelength na naaayon sa iba't ibang kulay. Ang mga taluktok ng ilang mga alon na sumasalamin mula sa isa sa mga ibabaw ng soap film ay nag-tutugma sa mga labangan ng mga alon na may parehong haba na makikita mula sa pangalawang ibabaw ng bubble. Kung gayon ang masasalamin na liwanag ay magkukulang ng mga kulay na naaayon sa mga wavelength na ito, at ang masasalamin na liwanag ay lilitaw na maraming kulay.

Kaya, salamat sa dualism na lumitaw sa quantum mechanics, ang mga particle ay maaari ring makaranas ng interference. Ang isang kilalang halimbawa ng naturang particle interference ay isang eksperimento na may dalawang slits sa isang screen (Fig. 4.2). Isaalang-alang ang isang screen kung saan ang dalawang makitid na parallel slits ay pinutol. Sa isang gilid ng screen na may mga slits ay mayroong ilaw na pinagmumulan ng isang tiyak na kulay (ibig sabihin, isang tiyak na wavelength). Karamihan sa liwanag ay tumama sa ibabaw ng screen, ngunit ang isang maliit na bahagi nito ay dadaan sa mga slits. Susunod, isipin ang isang observation screen na naka-install sa kabilang panig ng screen na may mga slits mula sa light source. Pagkatapos ay maaabot ang mga magagaan na alon mula sa magkabilang hiwa sa anumang punto sa screen ng pagmamasid. Ngunit ang distansya na nilakbay ng liwanag sa mga slits mula sa pinagmulan hanggang sa screen ay, sa pangkalahatan, ay magkakaiba. Nangangahulugan ito na ang mga alon na dumadaan sa mga slits ay tatama sa screen sa iba't ibang yugto: sa ilang mga lugar ay hihina sila sa isa't isa, at sa iba ay palalakasin nila ang isa't isa. Bilang resulta, ang screen ay makakakuha ng isang katangiang larawan na binubuo ng madilim at maliwanag na mga guhit.

Nakapagtataka, ang eksaktong parehong mga banda ay lilitaw kapag pinalitan mo ang pinagmumulan ng liwanag ng isang pinagmumulan ng mga particle, sabihin ang mga electron, na ibinubuga sa isang tiyak na bilis (nangangahulugan ito na tumutugma sila sa mga alon ng isang tiyak na haba). Ang inilarawan na kababalaghan ay higit na kakaiba dahil kung mayroon lamang isang hiwa, walang mga banda na lilitaw at isang pare-parehong pamamahagi ng mga electron ang lilitaw sa screen. Maaaring isipin ng isa na ang isa pang slit ay magpapalaki lamang ng bilang ng mga electron na tumatama sa bawat punto sa screen, ngunit sa katunayan, dahil sa interference, ang bilang ng mga electron na ito sa ilang mga lugar, sa kabaligtaran, ay bumababa. Kung ang isang elektron ay dumaan sa mga hiwa nang sabay-sabay, pagkatapos ay aasahan ng isa na ang bawat isa sa kanila ay dadaan sa alinman sa isang biyak o sa isa pa, ibig sabihin, ay kikilos na parang ang biyak na dinaanan nito ay isa lamang, at pagkatapos ay isang dapat lumabas ang pare-parehong pamamahagi sa screen. Gayunpaman, sa katunayan, ang mga banda ay lumilitaw kahit na ang mga electron ay inilabas nang paisa-isa. Samakatuwid, ang bawat elektron ay dapat dumaan sa parehong mga hiwa nang sabay-sabay!

Ang kababalaghan ng pagkagambala ng butil ay naging mapagpasyahan para sa ating pag-unawa sa istruktura ng mga atomo, ang pinakamaliit na "mga bloke ng gusali" na isinasaalang-alang sa kimika at biology at kung saan tayo mismo at lahat ng bagay sa paligid natin ay binuo. Sa simula ng siglo, pinaniniwalaan na ang mga atomo ay tulad ng solar system: ang mga electron (mga particle na may negatibong singil sa kuryente), tulad ng mga planeta sa paligid ng Araw, ay umiikot sa gitnang kinalalagyan na core na may positibong singil. Ipinapalagay na ang mga electron ay hawak sa kanilang mga orbit sa pamamagitan ng mga kaakit-akit na puwersa sa pagitan ng mga positibo at negatibong singil, katulad ng kung paano pinipigilan ng gravitational attraction sa pagitan ng Araw at ng mga planeta ang mga planeta na umalis sa kanilang mga orbit. Ang paliwanag na ito ay dumaan sa sumusunod na kahirapan: bago ang pagdating ng quantum mechanics, hinulaan ng mga batas ng mekanika at kuryente na ang mga electron ay mawawalan ng enerhiya at samakatuwid ay umiikot patungo sa gitna ng atom at mahuhulog sa nucleus. Nangangahulugan ito na ang mga atomo, at kasama nila, siyempre, ang lahat ng bagay, ay dapat na mabilis na bumagsak sa isang estado ng napakataas na density. Ang isang partikular na solusyon sa problemang ito ay natagpuan noong 1913 ng Danish na siyentipiko na si Niels Bohr. Bohr postulated na ang mga electron ay hindi maaaring ilipat sa anumang orbit, ngunit lamang sa mga nakahiga sa ilang partikular na distansya mula sa gitnang nucleus. Kung ang pagpapalagay ay ginawa din na ang bawat naturang orbit ay maaaring maglaman lamang ng isa o dalawang electron, kung gayon ang problema ng atomic collapse ay malulutas, dahil ang mga electron, na gumagalaw sa isang spiral patungo sa gitna, ay maaari lamang punan ang mga orbit na may kaunting radii at enerhiya. .

Ang modelong ito ay perpektong ipinaliwanag ang istraktura ng pinakasimpleng atom - ang hydrogen atom, kung saan isang electron lamang ang umiikot sa paligid ng nucleus. Gayunpaman, hindi malinaw kung paano palawakin ang parehong diskarte sa mas kumplikadong mga atomo. Bukod dito, ang pagpapalagay ng isang limitadong bilang ng mga pinahihintulutang orbit ay tila arbitrary. Ang kahirapan na ito ay nalutas ng isang bagong teorya - mekanika ng quantum. Ito ay lumabas na ang isang elektron na umiikot sa paligid ng isang nucleus ay maaaring isipin bilang isang alon, na ang haba nito ay nakasalalay sa bilis nito. Sa ilang mga orbit, isang integer (sa halip na isang fractional) na bilang ng mga wavelength ng electron ay magkasya. Kapag gumagalaw sa mga orbit na ito, ang mga taluktok ng mga alon ay mapupunta sa parehong lugar sa bawat orbit, at samakatuwid ang mga alon ay magdadagdag; ang mga naturang orbit ay inuri bilang Bohr na pinapayagang mga orbit. At para sa mga orbit kung saan ang isang integer na bilang ng mga electron wavelength ay hindi magkasya, ang bawat tagaytay habang ang mga electron ay umiikot ay maaga o huli ay nabayaran ng isang labangan; hindi papayagan ang mga naturang orbit.

Ang American scientist na si Richard Feynman ay gumawa ng isang magandang paraan na ginagawang posible na mailarawan ang wave-particle duality. Ipinakilala ni Feynman ang tinatawag na summation over trajectories. Sa pamamaraang ito, hindi tulad ng klasikal, hindi quantum na teorya, walang pag-aakalang ang particle ay dapat magkaroon ng isang solong trajectory sa space-time, ngunit sa kabaligtaran, pinaniniwalaan na ang particle ay maaaring lumipat mula A hanggang B kasama ang anumang posibleng landas. Ang bawat tilapon ay may dalawang numero na nauugnay dito: ang isa sa mga ito ay naglalarawan sa laki ng alon, at ang isa ay tumutugma sa posisyon nito sa cycle (crest o trough). Upang matukoy ang mga posibilidad ng paglipat mula sa A hanggang B, kinakailangan upang magdagdag ng mga alon para sa lahat ng mga tilapon na ito. Kung ihahambing mo ang ilang kalapit na mga tilapon, ang kanilang mga yugto, o mga posisyon sa cycle, ay mag-iiba nang malaki. Nangangahulugan ito na ang mga alon na naaayon sa naturang mga trajectory ay halos ganap na makakansela sa isa't isa. Gayunpaman, para sa ilang pamilya ng mga kalapit na trajectory, ang mga phase ay mababago kapag lumilipat mula sa trajectory patungo sa trajectory, at ang kaukulang mga alon ay hindi magkakansela sa isa't isa. Ang ganitong mga trajectory ay nabibilang sa mga pinapayagang orbit ng Bohr.

Batay sa gayong mga ideya, na isinulat sa isang tiyak na anyo ng matematika, posible, gamit ang isang medyo simpleng pamamaraan, na kalkulahin ang pinapayagan na mga orbit para sa mas kumplikadong mga atomo at maging para sa mga molekula na binubuo ng ilang mga atomo na pinagsasama-sama ng mga electron na ang mga orbit ay sumasakop ng higit sa isang nucleus. Dahil ang istruktura ng mga molekula at ang mga reaksyon na nagaganap sa pagitan nila ay ang batayan ng lahat ng kimika at lahat ng biology, ang quantum mechanics sa prinsipyo ay nagpapahintulot sa amin na mahulaan ang lahat ng nakikita natin sa paligid natin nang may katumpakan na pinahihintulutan ng prinsipyo ng kawalan ng katiyakan. (Gayunpaman, sa pagsasagawa, ang mga kalkulasyon para sa mga system na naglalaman ng maraming mga electron ay naging napakakumplikado na imposible lamang na maisagawa).

Ang malakihang istruktura ng Uniberso ay lumilitaw na sumusunod sa pangkalahatang teorya ng relativity ni Einstein. Ang teoryang ito ay tinatawag na klasikal dahil hindi nito isinasaalang-alang ang prinsipyo ng quantum mechanical uncertainty, na dapat isaalang-alang upang maging pare-pareho sa iba pang mga teorya. Hindi namin sinasalungat ang mga resulta ng mga obserbasyon dahil sa ang katunayan na ang lahat ng mga patlang ng gravitational na karaniwang kailangan nating harapin ay napakahina. Gayunpaman, ayon sa singularity theorems na tinalakay sa itaas, ang gravitational field ay dapat na maging napakalakas sa hindi bababa sa dalawang sitwasyon: sa kaso ng mga black hole at sa kaso ng big bang. Sa ganitong malakas na mga larangan, ang mga epekto ng kabuuan ay dapat na makabuluhan. Samakatuwid, ang klasikal na pangkalahatang teorya ng relativity, na hinulaan ang mga punto kung saan ang density ay nagiging walang hanggan, sa isang kahulugan ay hinulaan ang sarili nitong kabiguan sa eksaktong parehong paraan na ang mga klasikal (i.e., non-quantum) na mga mekanika ay napahamak ang sarili sa pagkabigo sa pamamagitan ng paghihinuha na ang mga atom ay dapat gumuho hanggang ang kanilang density ay maging walang hanggan. Wala pa tayong kumpletong teorya kung saan ang pangkalahatang teorya ng relativity ay patuloy na isasama sa quantum mechanics, ngunit alam natin ang ilang katangian ng hinaharap na teorya. Pag-uusapan natin ang mga sumusunod mula sa mga pag-aari na ito na may kaugnayan sa mga black hole at ang big bang sa mga susunod na kabanata. Ngayon ay lumipat tayo sa pinakabagong mga pagtatangka upang pag-isahin ang ating pag-unawa sa lahat ng iba pang pwersa ng kalikasan sa isa, pinag-isang teorya ng quantum.

Ang mga prinsipyo ng kawalan ng katiyakan ni Heisenberg ay isa sa mga problema ng quantum mechanics, ngunit bumaling muna tayo sa pag-unlad ng pisikal na agham sa kabuuan. Sa pagtatapos ng ika-17 siglo, inilatag ni Isaac Newton ang pundasyon para sa modernong klasikal na mekanika. Siya ang bumalangkas at inilarawan ang mga pangunahing batas nito, sa tulong kung saan mahuhulaan ng isa ang pag-uugali ng mga katawan sa paligid natin. Sa pagtatapos ng ika-19 na siglo, ang mga probisyong ito ay tila hindi nalalabag at naaangkop sa lahat ng batas ng kalikasan. Ang mga problema ng pisika bilang isang agham ay tila nalutas na.

Ngunit, tulad ng nangyari, sa oras na iyon ay mas kaunti ang nalalaman tungkol sa mga katangian ng Uniberso kaysa sa tila. Ang unang bato na nakagambala sa pagkakaisa ng mga klasikal na mekanika ay ang pagsuway nito sa mga batas ng pagpapalaganap ng mga light wave. Kaya, ang napakabata agham ng electrodynamics sa oras na iyon ay pinilit na bumuo ng isang ganap na magkakaibang hanay ng mga patakaran. Ngunit para sa mga theoretical physicist isang problema ang lumitaw: kung paano dalhin ang dalawang sistema sa isang karaniwang denominator. Sa pamamagitan ng paraan, ang agham ay gumagawa pa rin ng solusyon sa problemang ito.

Ang mitolohiya ng lahat-ng-lahat na Newtonian mechanics ay sa wakas ay nawasak sa isang mas malalim na pag-aaral ng istraktura ng mga atomo. Natuklasan ng Briton na si Ernest Rutherford na ang atom ay hindi isang hindi mahahati na particle, gaya ng naisip dati, ngunit ang sarili nito ay naglalaman ng mga neutron, proton at electron. Bukod dito, ang kanilang pag-uugali ay ganap ding hindi naaayon sa mga postulate ng klasikal na mekanika. Kung sa macroworld gravity ay higit na tinutukoy ang likas na katangian ng mga bagay, kung gayon sa mundo ng mga quantum particle ito ay isang napakaliit na puwersa ng pakikipag-ugnayan. Kaya, ang mga pundasyon ng quantum mechanics ay inilatag, na mayroon ding sariling mga axiom. Ang isa sa mga makabuluhang pagkakaiba sa pagitan ng pinakamaliit na sistemang ito at ng mundong nakasanayan natin ay ang prinsipyo ng kawalan ng katiyakan ng Heisenberg. Malinaw niyang ipinakita ang pangangailangan para sa ibang diskarte sa mga sistemang ito.

Prinsipyo ng Kawalang-katiyakan ng Heisenberg

Sa unang quarter ng ika-20 siglo, ginawa ng quantum mechanics ang mga unang hakbang nito, at napagtanto lamang ng mga physicist sa buong mundo kung ano ang sumusunod mula sa mga probisyon nito para sa atin at kung anong mga prospect ang magbubukas nito. Ang German theoretical physicist na si Werner Heisenberg ay bumalangkas ng kanyang sikat na mga prinsipyo noong 1927. Ang mga prinsipyo ni Heisenberg ay binubuo sa katotohanan na imposibleng kalkulahin ang parehong spatial na posisyon at ang bilis ng isang quantum object sa parehong oras. Ang pangunahing dahilan nito ay ang katotohanan na kapag sinusukat natin, naiimpluwensyahan na natin ang sistemang sinusukat, at sa gayon ay nakakagambala dito. Kung sa macrocosm ay pamilyar tayo sa sinusuri natin ang isang bagay, kung gayon kahit na sumulyap tayo dito, nakikita natin ang repleksyon ng liwanag mula dito.

Ngunit ang Heisenberg uncertainty principle ay nagsasabi na bagaman sa macrocosm light ay walang epekto sa sinusukat na bagay, sa kaso ng quantum particles photon (o anumang iba pang mga derivative measurements) ay may malaking impluwensya sa particle. Kasabay nito, kagiliw-giliw na tandaan na ang quantum physics ay lubos na may kakayahang sukatin ang bilis o posisyon ng isang katawan sa espasyo nang hiwalay. Ngunit kung mas tumpak ang aming mga pagbabasa ng bilis, mas kaunti ang malalaman namin tungkol sa aming spatial na posisyon. At vice versa. Iyon ay, ang prinsipyo ng kawalan ng katiyakan ng Heisenberg ay lumilikha ng ilang mga paghihirap sa paghula ng pag-uugali ng mga quantum particle. Literal na ganito ang hitsura: binabago nila ang kanilang pag-uugali kapag sinusubukan nating obserbahan sila.