Принцип неопределенности

Другой фундаментальный принцип теории, описывающей явления микромира и получившей в дальнейшем название квантовой механики, был раскрыт немецким физиком Вернером Гейзенбергом (1901-1976). Этот принцип получил название соотношения неопределенностей.

Суть принципа неопределенности Гейзенберга состоит в том, что относительно объектов микромира может быть установлена либо скорость их перемещения (импульс / произведение массы тела на его скорость), либо его местоположение (координата). Причем тогда, когда мы точно определяем один параметр, например, импульс, неточность измерения второго обращается в бесконечность. Математически принцип неопределенности Гейзенберга выражается формулой, в которой произведение неточностей измерения импульса и координаты не может быть меньше постоянной Планка: Δ q·Δ p≥ ħ

Принцип неопределенности можно проиллюстрировать знаменитым Боровским мысленным экспериментом. Предположим, что следует определить положение и импульс электрона в определенный момент времени. Самый точный метод измерения даст нам пучок фотонов, направленный на данный электрон. Чем меньше длина волны фотона и, стало быть, больше его энергия, тем точнее должно быть измерение. (Предел желаемой точности задает длина волны, обратным образом связанная с частотой фотона и его энергией). В результате столкновения фотона и электрона произойдет неконтролируемый обмен импульсом (некоторая часть количества движения фотона перейдет к электрону). Причем чем короче длина волны фотона и чем точнее наше измерение координаты, тем большее количество движения получит электрон. В результате скорость электрона станет совершенно неопределенной.

Верно и обратное рассуждение: при выяснении количества движения, которым электрон обладает, мы будем получать неопределенность его координаты тем большую, чем точнее наше измерение импульса.

В квантовой механике соотношение неопределенностей распространяется на все сопряженные величины, импульс и координату, энергию и время и т.п.

Принцип неопределенности имеет фундаментальное значение для понимания микрореальности. Источником неопределенности выступает не несовершенство человеческого знания, а сама конституция микромира. В.Гейзенберг писал: " Когда нужна лишь относительно малая точность, то, конечно, можно говорить и о положении, и о скорости электрона, причем эта допустимая точность с точки зрения критериев нашей повседневной жизни необычайно высока. Но если мы примем во внимание чрезвычайно малые размеры атомов, то эта точность оказывается небольшой, и присущий этому миру малого закон природы не позволяет нам знать и положение, и скорость частицы с любой точностью, которой нам хотелось бы. Хотя и можно поставить опыты, позволяющие установить с большой точностью место частицы, но, чтобы провести это измерение, мы вынуждены подвергнуть частицу сильному внешнему воздействию, из-за чего возникает большая неопределенность ее скорости....Если первоначальной целью каждого научного исследования было описать природу по возможности такой, как она есть сама по себе, т.е. без нашего вмешательства и без нашего наблюдения, то теперь мы понимаем, что эта цель как раз и недостижима. В атомной физике невозможно уйти от изменений, которые всякое наблюдение вызывает в наблюдаемом объекте" [44].

Принцип неопределенности напрямую свидетельствует об изменении объекта и метода наблюдения в квантовой механике, по сравнению с механикой классической. В последней объект признавался независящим от экспериментальной ситуации, а прибор безотносительным к объекту наблюдения. В квантовой механике все, что мы можем видеть - взаимодействие с макроприбором, а влияние последнего на объект - есть непосредственный предмет изучения.

Принцип неопределенности свидетельствует и об изменении самого характера физического знания из знания, претендующего на строго и однозначно причинное описание, оно становится принципиально и неустранимо вероятностным.

Действительно, из принципа неопределенности следует, что все предсказания о состоянии квантовомеханической системы носят вероятностный характер. То, что действительно доступно и подлежит изучению - это вероятность пребывания частицы в том или ином месте пространства в тот или иной момент времени.

Вероятностный характер микромира был впервые вскрыт при изучении явления радиоактивности. Указать, в какой именно момент времени тот или иной возбужденный атом подвергнется распаду, принципиально невозможно. Зато можно иметь строгое утверждение относительно доли атомов вещества, подвергнущихся распаду за определенное время. Таким образом, в случае единственного атома, все, что может быть известно, это вероятность того, что он распадется за тот или иной промежуток времени.