Wissenschaft

Das Heisenbergsche Unsicherheitsprinzip verstehen

Heisenbergs Unsicherheitsprinzip ist einer der Eckpfeiler der Quantenphysik. wird aber von jenen, die es nicht sorgfältig untersucht haben, oft nicht tief verstanden. Während es, wie der Name schon sagt, ein gewisses Maß an Unsicherheit auf den grundlegendsten Ebenen der Natur selbst definiert, manifestiert sich diese Unsicherheit auf sehr eingeschränkte Weise, sodass sie uns in unserem täglichen Leben nicht beeinträchtigt. Nur sorgfältig konstruierte Experimente können dieses Prinzip bei der Arbeit offenbaren.

Der deutsche Physiker Werner Heisenberg stellte 1927 das sogenannte Heisenberg-Unschärferelationsprinzip (oder nur das Ungewissheitsprinzip oder manchmal das Heisenberg-Prinzip ) vor. Bei dem Versuch, ein intuitives Modell der Quantenphysik zu erstellen, hatte Heisenberg herausgefunden, dass es bestimmte grundlegende Beziehungen gibt, die die Kenntnis bestimmter Größen einschränken. Insbesondere bei der einfachsten Anwendung des Prinzips:

Je genauer Sie die Position eines Partikels kennen, desto weniger genau können Sie gleichzeitig den Impuls desselben Partikels kennen.

 

Heisenberg-Unsicherheitsbeziehungen

Das Heisenbergsche Unsicherheitsprinzip ist eine sehr genaue mathematische Aussage über die Natur eines Quantensystems. In physikalischer und mathematischer Hinsicht schränkt es den Grad an Präzision ein, über den wir jemals über ein System sprechen können. Die folgenden zwei Gleichungen (auch in hübscherer Form in der Grafik oben in diesem Artikel dargestellt), die als Heisenberg-Unsicherheitsbeziehungen bezeichnet werden, sind die häufigsten Gleichungen im Zusammenhang mit dem Unsicherheitsprinzip:

Gleichung 1: Delta- x * Delta- p ist proportional zu h- bar
Gleichung 2: Delta- E * Delta- t ist proportional zu h- bar

Die Symbole in den obigen Gleichungen haben die folgende Bedeutung:

  • h- bar: Wird als „reduzierte Planck-Konstante“ bezeichnet und hat den Wert der Planck-Konstante geteilt durch 2 * pi.
  • Delta- x : Dies ist die Unsicherheit in der Position eines Objekts (z. B. eines bestimmten Partikels).
  • Delta- p : Dies ist die Unsicherheit des Impulses eines Objekts.
  • Delta- E : Dies ist die Energieunsicherheit eines Objekts.
  • Delta- t : Dies ist die Unsicherheit in Zeitmessung eines Objekts.

Aus diesen Gleichungen können wir einige physikalische Eigenschaften der Messunsicherheit des Systems anhand unserer entsprechenden Genauigkeit bei unserer Messung ableiten. Wenn die Unsicherheit bei einer dieser Messungen sehr gering wird, was einer äußerst genauen Messung entspricht, dann sagen uns diese Beziehungen, dass die entsprechende Unsicherheit zunehmen müsste, um die Proportionalität aufrechtzuerhalten.

Mit anderen Worten, wir können nicht beide Eigenschaften innerhalb jeder Gleichung gleichzeitig mit unbegrenzter Genauigkeit messen. Je genauer wir die Position messen, desto weniger genau können wir gleichzeitig den Impuls messen (und umgekehrt). Je genauer wir die Zeit messen, desto weniger genau können wir gleichzeitig Energie messen (und umgekehrt).

 

Ein Beispiel für gesunden Menschenverstand

Obwohl das oben Gesagte sehr seltsam erscheinen mag, gibt es tatsächlich eine anständige Entsprechung zu der Art und Weise, wie wir in der realen (dh klassischen) Welt funktionieren können. Nehmen wir an, wir haben ein Rennauto auf einer Strecke beobachtet und sollten aufnehmen, wann es eine Ziellinie überquert hat. Wir sollen nicht nur die Zeit messen, zu der es die Ziellinie überquert, sondern auch die genaue Geschwindigkeit, mit der es dies tut. Wir messen die Geschwindigkeit, indem wir einen Knopf auf einer Stoppuhr drücken, sobald wir sehen, dass sie die Ziellinie überquert, und wir messen die Geschwindigkeit, indem wir eine digitale Anzeige betrachten (die nicht mit dem Beobachten des Autos übereinstimmt, also müssen Sie abbiegen Ihren Kopf, sobald er die Ziellinie überquert). In diesem klassischen Fall besteht eindeutig ein gewisses Maß an Unsicherheit, da diese Aktionen einige physische Zeit in Anspruch nehmen. Wir werden sehen, wie das Auto die Ziellinie berührt, den Stoppuhrknopf drückt und auf die Digitalanzeige schaut. Die physikalische Natur des Systems legt eine bestimmte Grenze fest, wie genau dies alles sein kann. Wenn Sie sich darauf konzentrieren, die Geschwindigkeit zu beobachten, kann es sein, dass Sie beim Messen der genauen Zeit über die Ziellinie etwas abweichen und umgekehrt.

Wie bei den meisten Versuchen, klassische Beispiele zur Demonstration des quantenphysikalischen Verhaltens zu verwenden, gibt es Mängel bei dieser Analogie, aber sie hängt etwas mit der physikalischen Realität zusammen, die im Quantenbereich wirkt. Die Unsicherheitsbeziehungen ergeben sich aus dem wellenartigen Verhalten von Objekten auf der Quantenskala und der Tatsache, dass es selbst in klassischen Fällen sehr schwierig ist, die physikalische Position einer Welle genau zu messen.

 

Verwirrung über das Unsicherheitsprinzip

Es ist sehr häufig, dass das Unsicherheitsprinzip mit dem Phänomen des Beobachter-Effekts in der Quantenphysik verwechselt wird , wie es sich während des Katzengedankenexperiments von Schrödinger manifestiert . Dies sind eigentlich zwei völlig unterschiedliche Themen innerhalb der Quantenphysik, obwohl beide unser klassisches Denken belasten. Das Unschärferelationprinzip ist tatsächlich eine grundlegende Einschränkung für die Fähigkeit, präzise Aussagen über das Verhalten eines Quantensystems zu treffen, unabhängig davon, ob wir tatsächlich beobachten oder nicht. Der Beobachter-Effekt impliziert andererseits, dass sich das System selbst anders verhält, wenn wir eine bestimmte Art von Beobachtung durchführen, als dies ohne diese Beobachtung der Fall wäre.

 

Bücher über Quantenphysik und das Unsicherheitsprinzip:

Aufgrund seiner zentralen Rolle in den Grundlagen der Quantenphysik werden die meisten Bücher, die sich mit dem Quantenbereich befassen, mit unterschiedlichem Erfolg eine Erklärung des Unsicherheitsprinzips liefern. Hier sind einige der Bücher, die es nach Meinung dieses bescheidenen Autors am besten können. Zwei sind allgemeine Bücher über die Quantenphysik als Ganzes, während die anderen beiden ebenso biografisch wie wissenschaftlich sind und echte Einblicke in Leben und Werk von Werner Heisenberg geben:

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