Zasada Nieoznaczonosci

Zajmiemy się teraz inną bardzo ważną własnością świata atomów wynikającą z dualnego charakteru materii. Zastanowimy się nad problemem pomiaru w świecie rozmiarów mikro.

Dobrze wiemy z życia codziennego, że gdy mierzymy jakąś wielkość pojawia się zawsze pewien błąd pomiaru. Jeżeli na przykład będziemy chcieli zmierzyć długość ołówka to wykorzystamy do tego linijkę. Niestety linijka ma podziałkę milimetrową i nie jesteśmy w stanie przy jej pomocy zmierzyć rozmiarów mniejszych niż jeden milimetr. Dokładność pomiaru jest więc ograniczona do jednego milimetra. Jeżeli chcielibyśmy zmierzyć dokładniej długość ołówka moglibyśmy skorzystać z bardziej skomplikowanego sprzętu - suwmiarki, bądź też śruby mikrometrycznej. Jednak zawsze nasz pomiar będzie ograniczony pewną niepewnością. Niepewność ta wynika z niedokładności instrumentów, które wykorzystujemy. Nic jednak nie stoi na przeszkodzie, aby ją zmniejszać stosując coraz dokładniejsze przyrządy. Tak przynajmniej wydawało się dziewiętnastowiecznym fizykom. Jednak w latach dwudziestych XIX wiekuwspółtwórca mechaniki kwantowej Werner Heisenberg pokazał, że takie stwierdzenie nie jest do końca prawdziwe.
heisenberg3.jpg

Wyobraźmy sobie elektron (przyjmijmy na chwilę dla wygody zapominając o jego dualnym charakterze, że przypomina on malutką piłeczkę). Aby zmierzyć jego położenie musimy "oświetlić" go światłem. Jak pamiętamy światło możemy traktować jako pewnego rodzaju cząsteczki - fotony. Tak więc, aby określić położenie elektronu przynajmniej jeden foton musi się z nim zderzyć, odbić i zostać "zauważony" przez naszą aparaturę badawczą. Czym mniejsza długość fali świetlnej, którą oświetlamy nasz elektron tym dokładniej możemy określić jego położenie. Jest to znana własność optyki falowej - im krótszej fali używamy do obserwacji tym mniejsze obiekty możemy obserwować ostro - dla tego na przykład w mikroskopach optycznych stosując do obserwacji fale świetlne o stosunkowo dużej długości nie możemy dostrzec wielu drobnych obiektów . Dzięki mikroskopowi elektronowemu wykorzystującemu elektrony, z którymi jak już wiemy związana jest pewna fala znacznie krótsza od fali świetlnej, stało się możliwe obserwowanie tych malutkich obiektów. Długość fali ma ścisły związek z jej częstotliwością. Czym krótsza fala tym jej częstotliwość jest większa, a jak już wiemy częstotliwość jest proporcjonalna do energii fotonu. Aby lepiej zmierzyć położenie elektronu należy więc zastosować fotony o większych energiach. Niestety - foton zderzając się z elektronem przekazuje mu pewien pęd (rozpędza go). Jeżeli zastosujemy fotony o większej energii, aby dokładniej określić położenie elektronu, to będzie mu przekazywany większy pęd. Werner Heisenberg stwierdził, że nigdy nie będziemy w stanie określić jednocześnie dokładnie pędu i położenia badanej cząsteczki. Co więcej iloczyn błędów z jakim zmierzymy obie te wielkości nie może być mniejszy od znanej nam już stałej Plancka:
indeterminate-1.gif
gdzie Dp oznacza niepewność pomiaru pędu, a Dx niepewność pomiaru położenia. Stwierdzenie to nosi nazwę zasady nieoznaczoności.
nieoznacz.gif
Trzeba zdać sobie sprawę z faktu, że niepewności tej, zupełnie inaczej niż w pierwszym przypadku, nie możemy zmniejszać stosując coraz lepszy sprzęt pomiarowy. Można powiedzieć, że jest ona na stałe wpisana w naturę. Jeżeli będziemy starać się bardzo dokładnie zmierzyć położenie cząsteczki, to praktycznie nic nie będziemy mogli powiedzieć o jej pędzie i na odwrót. Na szczęście stała Plancka jest niesamowicie mała. Dzięki temu w naszym codziennym życiu w świecie olbrzymich rozmiarów (w porównaniu ze światem atomów) nie dostrzegamy owej niepewności. Odgrywa ona jednak wielką rolę w świecie atomów. Naukowcy od 1927 roku, kiedy to zasada nieoznaczoności została odkryta, starają sie coraz głębiej zrozumieć jej sens i poznać wszystkie fakty, które z niej wynikają. Stała się ona jedną z podstaw fizyki atomu i cząstek elementarnych.

ZAPAMIĘTAJ:
Zasada nieoznaczoności została odkryta przez Wernera Heisenberga.
Zasada nieoznaczoności nakłada pewne ograniczenia na dokładność naszych pomiarów.
Nie możemy jednocześnie określić dokładnego pędu i położenia cząstki.

O ile nie zaznaczono inaczej, treść tej strony objęta jest licencją Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 License