Was ist Heisenbergs Unschärferelation?

Wie die Sonne scheint, und warum das Vakuum des Weltraums nicht tatsächlich leer ist

Die Unschärferelation ist eines der berühmtesten (und wahrscheinlich missverstanden) Ideen in der Physik. Es sagt uns, dass in der Natur, eine grundlegende Begrenzung wir über das Verhalten der Quanten-Teilchen und damit den kleinsten Skalen der Natur wissen gibt es eine Unschärfe. Von diesen Skalen ist das meiste, was wir hoffen können zur Berechnung von Wahrscheinlichkeiten für wo die Dinge sind und wie sie sich Verhalten werden. Im Gegensatz zu Isaac Newtons Uhrwerk Universum, wo alles folgt klare Gesetzen zum Verschieben und Vorhersage ist einfach, wenn Sie wissen, dass die Startbedingungen, verankert die Unschärferelation ein Maß an Unschärfe in der Quantentheorie.

Werner Heisenberg einfache Idee erzählt uns, warum Atome nicht implodieren, wie schafft es die Sonne zu glänzen und seltsam, dass das Vakuum des Weltraums ist nicht wirklich leer.

Eine frühe Inkarnation von der Unschärferelation erschien in einem 1927 Papier von Heisenberg, ein deutscher Physiker, der damals am Bohrs Institut in Kopenhagen arbeitete mit dem Titel "Auf the Perceptual Content der theoretische Kinematik und Quantenmechanik". Die vertrautere Form der Gleichung kam ein paar Jahre später, als er seine Gedanken in nachfolgenden Vorträge und Papers weiterentwickelt hatte.

Heisenberg war durch die Implikationen der Quantentheorie, eine seltsame neue Weise erklären, wie die Atome, die Verhalten entwickelt worden von den Physikern, darunter Niels Bohr, Paul Dirac und Erwin Schrödinger, in den letzten zehn Jahren. Unter seinen vielen Counter-intuitive Ideen vorgeschlagen Quantentheorie, dass Energie war nicht durchgehend sondern in diskreten Paketen (Quanten) kam und das Licht kann als eine Welle und ein Strom von diesen bezeichnen

Quanten. Ausgestaltung dieser radikale Weltsicht, entdeckte Heisenberg ein Problem in der Weise, dass die grundlegenden physikalischen Eigenschaften eines Teilchens in einem Quantensystem gemessen werden konnte. In einem seiner regelmäßigen Briefe an einen Kollegen, Wolfgang Pauli, präsentierte er die Ahnungen einer Idee, die da ein grundlegender Bestandteil der Quantenbeschreibung der Welt geworden ist.

Die Unschärferelation besagt, dass wir nicht die Position (X) und Impuls (p) eines Teilchens mit absoluter Präzision messen können. Je genauer wir wissen, dass einer der folgenden Werte, desto weniger genau wissen wir das andere. Multipliziert zusammen, die Fehler bei den Messungen dieser Werte (die Fehler werden durch das Dreiecksymbol vor jeder Eigenschaft, den griechischen Buchstaben "Delta" dargestellt) hat geben Sie eine Nummer größer als oder gleich die Hälfte einer konstanten namens "h-Bar". Dies entspricht Plancksche Konstante (in der Regel als h geschrieben) geteilt durch 2π. Plancksche Konstante ist eine wichtige Zahl in der Quantentheorie, eine Möglichkeit, die Granularität der Welt in ihren kleinsten Maßstäben zu messen, und es hat die Wert 6.626 x 10^-34 Joule Sekunden.

Eine Möglichkeit zu denken, die Unschärferelation ist als verlängerter Arm wie wir sehen und Dinge in der Alltagswelt zu messen. Sie können diese Worte lesen, weil Lichtteilchen, Photonen, prallte gegen den Bildschirm oder Papier und erreicht Ihre Augen. Jedes Photon auf diesem Weg bringt mit sich einige Informationen über die Oberfläche, dass sie mit der Geschwindigkeit des Lichts aus, abgelehnt hat. Sehen ein subatomares Teilchen, ist wie ein Elektron nicht so einfach. Sie könnte ebenso ein Photon davon hüpfen und dann hoffen, dass das Photon mit einem Instrument zu erkennen. Aber die Chancen stehen gut, dass das Photon wird etwas an Dynamik, das Elektron zu vermitteln, wie es sie trifft und ändern Sie den Pfad des Teilchens, die Sie messen möchten. Oder aber, angesichts der Tatsache, dass Quantenteilchen oft so schnell bewegen, das Elektron möglicherweise nicht mehr an der Stelle war es, wenn das Photon ursprünglich abprallte. In jedem Fall Ihre Beobachtung der Stellung oder Dynamik werden ungenau und, noch wichtiger, der Akt der Beobachtung betrifft das Teilchen beobachtet.

Die Unschärferelation ist das Herzstück der vielen Dinge, die wir beobachten aber nicht erklären, mit klassischen (Quanten) Physik. Nehmen Sie Atome, zum Beispiel, wo negativ geladenen Elektronen umkreisen einen positiv geladenen Kern. Durch klassische Logik erwarten wir die zwei entgegengesetzten Ladungen, einander zu gewinnen, führt alles zum Einsturz zu einer Kugel von Partikeln. Die Unschärferelation erklärt, warum dies nicht der Fall: Wenn ein Elektron zu nahe kam der Kern dann seine Position im Raum genau bekannt sein würde und wäre daher des Fehlers in seiner Messposition winzig. Dies bedeutet, dass der Fehler bei der Messung der Dynamik (und Folgerung, seine Geschwindigkeit) enorm sein würde. In diesem Fall könnte das Elektron aus dem Atom insgesamt fliegen schnell genug zu bewegen.

Heisenbergs Idee kann auch eine Art der radioaktiven Strahlung genannt Alpha-Zerfall erklären. Alpha-Teilchen sind zwei Protonen und zwei Neutronen emittiert durch einige schwere Kerne wie Uran-238. In der Regel diese sind im schweren Kern gebunden und benötigen viel Energie, die Anleihen halten sie im Ort zu brechen. Aber weil ein Alpha-Teilchen im Inneren einen Kern sehr gut definierten Geschwindigkeit hat, seine Position ist nicht so gut definiert. Das heißt es gibt einen kleinen, aber Null-Chance, die das Teilchen an einem bestimmten Punkt könnte finden sich außerhalb des Zellkerns, obwohl es technisch nicht genug Energie, um zu entkommen haben. In diesem Fall ein Prozess metaphorisch als "Quantum tunneling" bekannt, da die austretende Teilchen hat irgendwie seinen Weg durch eine Energiebarriere zu graben, die es über – springen kann nicht – die Alpha-Teilchen entkommt und wir sehen Radioaktivität.

Eine ähnliche Quanten Tunnelbau Prozess geschieht in umgekehrter Reihenfolge in den Mittelpunkt unserer Sonne, wo Protonen miteinander verschmelzen und die Energie, die unser Star glänzen können. Die Temperaturen im Kern der Sonne sind nicht hoch genug für die Protonen um genügend Energie um ihre gegenseitige elektrische Abstoßung zu überwinden haben. Aber dank der Unschärferelation können sie ihren Weg durch die Energiebarriere tunnel.

Vielleicht ist das seltsamste Ergebnis der Unschärferelation sagt über Staubsauger. Staubsauger sind häufig definiert als die Abwesenheit von allem. Aber nicht so in der Quantentheorie. Es ist eine inhärente Unsicherheit in der Höhe von Energie Quantenprozessen beteiligt und in der Zeit braucht es für diese Prozesse geschehen. Heisenbergs Gleichung kann anstelle von Ort und Impuls auch in Bezug auf Energie und Zeit ausgedrückt werden. Wieder mehr gezwungen eine Variable ist, desto weniger eingeschränkt, der andere ist. Es ist daher möglich, dass für sehr kurze Zeiträume, ein Quantensystem Energie kann sehr unsicher sein, so viel, dass Partikel können aus dem Vakuum erscheinen. Diese "virtuellen Teilchen" erscheinen in Paaren – ein Elektron und die Antimaterie-paar, das Positron, sagen – für eine kurze Zeit und dann gegenseitig zu vernichten. Dies ist auch im Rahmen der Gesetze der Quantenphysik, solange die Partikel nur flüchtig existieren und verschwinden, wenn die Zeit abgelaufen ist. Unsicherheit, dann ist nichts zu befürchten in der Quantenphysik, und in der Tat, wir wären hier wenn dieses Prinzip nicht existierte.