Förstå Heisenbergs osäkerhetsprincip

Heisenbergs osäkerhetsprincip är en av hörnstenarna i kvantfysiken, men den förstås ofta inte djupt av dem som inte noggrant studerat den. Även om det, som namnet antyder, definierar en viss osäkerhetsnivå på de mest grundläggande naturnivåerna, visar osäkerheten sig på ett mycket begränsat sätt, så det påverkar oss inte i våra dagliga liv. Endast noggrant konstruerade experiment kan avslöja denna princip på jobbet. 

1927 lade den tyska fysikern Werner Heisenberg fram vad som blivit känt som Heisenbergs osäkerhetsprincip (eller bara osäkerhetsprincipen eller ibland, Heisenberg-principen). När han försökte bygga en intuitiv modell av kvantfysik hade Heisenberg avslöjat att det fanns vissa grundläggande förhållanden som satte begränsningar för hur väl vi kunde känna till vissa mängder. Specifikt i den mest enkla tillämpningen av principen:

Ju mer exakt du känner till en partikels position, desto mindre exakt kan du samtidigt känna till momentumet för samma partikel.

Heisenberg osäkerhetsrelationer

Heisenbergs osäkerhetsprincip är ett mycket exakt matematiskt uttalande om ett kvantsystem. I fysiska och matematiska termer begränsar det graden av precision vi någonsin kan prata om att ha om ett system. Följande två ekvationer (som också visas, i vackrare form, i grafiken längst upp i denna artikel), kallade Heisenbergs osäkerhetsrelationer, är de vanligaste ekvationerna relaterade till osäkerhetsprincipen:

Ekvation 1: delta- x * delta- p är proportionell mot h-bar
Ekvation 2: delta- E * delta- t är proportionell mot h-bar

Symbolerna i ovanstående ekvationer har följande betydelse:

• h-bar: Kallas den "reducerade Planck-konstanten", detta har värdet av Plancks konstant dividerat med 2 * pi.
• delta-x: Detta är osäkerheten i ett objekts position (säg en viss partikel).
• delta-p: Detta är osäkerheten i ett objekts momentum.
• delta-E: Detta är ett objekts osäkerhet i energi.
• delta-t: Detta är osäkerheten i tidsmätning av ett objekt.

Från dessa ekvationer kan vi berätta några fysiska egenskaper för systemets mätosäkerhet baserat på vår motsvarande nivå av precision med vår mätning. Om osäkerheten i någon av dessa mätningar blir mycket liten, vilket motsvarar att ha en extremt exakt mätning, säger dessa relationer oss att motsvarande osäkerhet skulle behöva öka för att upprätthålla proportionaliteten.

Med andra ord kan vi inte samtidigt mäta båda egenskaperna inom varje ekvation till en obegränsad nivå av precision. Ju mer exakt vi mäter position, desto mindre exakt kan vi samtidigt mäta momentum (och vice versa). Ju mer exakt vi mäter tid, desto mindre exakt kan vi samtidigt mäta energi (och vice versa).

Ett vanligt exempel

Även om ovanstående kan verka väldigt konstigt, finns det faktiskt en anständig korrespondens till hur vi kan fungera i den verkliga (det vill säga klassiska) världen. Låt oss säga att vi tittade på en racerbil på en bana och vi skulle spela in när den passerade en mållinje. Vi är tänkta att mäta inte bara den tid det passerar mållinjen utan också den exakta hastigheten med vilken den gör det. Vi mäter hastigheten genom att trycka på en knapp på ett stoppur just nu vi ser att det passerar mållinjen och vi mäter hastigheten genom att titta på en digital avläsning (som inte är i linje med att titta på bilen, så du måste vända ditt huvud när det passerar mållinjen). I det här klassiska fallet finns det uppenbarligen en viss osäkerhet kring detta, eftersom dessa åtgärder tar viss fysisk tid. Vi ser bilen röra vid mållinjen, trycka på stoppuret och titta på den digitala displayen. Systemets fysiska karaktär sätter en bestämd gräns för hur exakt allt detta kan vara. Om du fokuserar på att försöka titta på hastigheten, kan du vara av lite när du mäter den exakta tiden över mållinjen, och vice versa.

Som med de flesta försök att använda klassiska exempel för att demonstrera kvantfysiskt beteende finns det brister i denna analogi, men det är något relaterat till den fysiska verkligheten som arbetar i kvantområdet. Osäkerhetsrelationerna kommer från vågliknande beteende hos objekt i kvantitetsskalan, och det faktum att det är mycket svårt att exakt mäta den fysiska positionen för en våg, även i klassiska fall.

Förvirring om osäkerhetsprincipen

Det är mycket vanligt att osäkerhetsprincipen blir förvirrad med fenomenet observatörseffekt i kvantefysik, till exempel det som manifesterar sig under Schroedingers katttankeexperiment. Dessa är faktiskt två helt olika frågor inom kvantefysik, även om båda beskattar vårt klassiska tänkande. Osäkerhetsprincipen är faktiskt en grundläggande begränsning för förmågan att göra exakta uttalanden om ett kvantsystemets beteende, oavsett hur vi faktiskt gör observationen eller inte. Observatöreffekten innebär å andra sidan att om vi gör en viss typ av observation, kommer systemet själv att bete sig annorlunda än det skulle göra utan att den observationen på plats.

Böcker om kvantfysik och principen om osäkerhet:

På grund av dess centrala roll i grunden för kvantefysiken kommer de flesta böcker som utforskar kvantområdet att förklara osäkerhetsprincipen med olika framgångsnivåer. Här är några av de böcker som gör det bäst, enligt denna ödmjuka författares åsikt. Två är allmänna böcker om kvantefysik som helhet, medan de andra två är lika mycket biografiska som vetenskapliga, vilket ger verkliga insikter om Werner Heisenbergs liv och arbete:

• Kvantmekanikens fantastiska berättelse av James Kakalios
• Quantumuniverset av Brian Cox och Jeff Forshaw
• Utöver osäkerhet: Heisenberg, kvantfysik och bomben av David C. Cassidy
• Osäkerhet: Einstein, Heisenberg, Bohr och the Struggle for the Soul of Science av David Lindley