Принцип невизначеності
Принцип невизначеності - розділ Фізика, Фізичний простір та його властивості Під впливом Успіху Наукових Теорій, особливо Ньютонівської Теорії Тяготіні.
Під впливом успіху наукових теорій, особливо ньютонівської теорії тяжіння, у французького вченого П'єра Лапласа на початку XIX ст. виробився погляд на Всесвіт як повністю детермінований об'єкт. Лаплас вважав, що повинен існувати набір наукових законів, які дозволяли б передбачити все, що може статися у Всесвіті, якщо тільки відомо повний опис її стану в якийсь момент часу. Наприклад, якби ми знали положення Сонця і планет, що відповідають певному моменту часу, то за допомогою законів Ньютона ми могли б обчислити, в якому стані виявилася б Сонячна система в будь-якій іншій. момент часу. В даному випадку детермінізм досить очевидний, але Лаплас пішов далі, стверджуючи, що існують аналогічні закони для всього, в тому числі і для поведінки людини.
Доктрина наукового детермінізму зустріла сильний опір з боку багатьох, хто відчув, що цим обмежується вільне втручання Бога в наш світ; проте ця ідея залишалася звичайною науковою гіпотезою ще на самому початку нашого століття. Однією з перших вказівок на необхідність відмови від детермінізму стали результати розрахунків двох англійських фізиків, Джона Релея і Джеймса
Джинса, з яких випливало, що гарячий об'єкт типу зірки повинен постійно випромінювати нескінченно велику енергію. Згідно з відомими тоді законами, гаряче тіло повинно однаково випромінювати електромагнітні хвилі всіх частот (наприклад, радіохвилі, видиме світло, рентгенівське випромінювання). Це означає, що має випромінюватись однакова кількість енергії та у виглядіхвиль з частотами від одного до двох мільйонів мільйонів хвиль в секунду, і у вигляді хвиль, частоти яких знаходяться в інтервалі від двох до трьох мільйонів хвиль в секунду. А по- кільки різних частот нескінченно багато, повна випромінювана енергія повинна бути нескінченною.
Щоб позбутися цього явно абсурдного висновку, німецький вчений Макс Планк в 1900 р. прийняв гіпотезу, згідно з якою світло, рентгенівські промені та інші хвилі не можуть випускатися з довільною інтенсивністю, а повинні випускатися тільки деякими порціями. , які Планк назвав квантами Крім того, Планк припустив, що кожен квант випромінювання несе певну кількість енергії, яка тим більше, чим вище частота хвиль. Таким чином, при досить високій частоті енергія одного кванта може перевищувати наявну кількість енергії і, отже, високочастотне випромінювання виявиться пригніченим, а інтенсивність, з якої тіло втрачає енергію, буде кінцевою.
Гіпотеза квантів чудово узгоджувалась зі спостережуваними значеннями інтенсивності випромінювання гарячих тіл, але що вона означає для детермінізму, було неясно до 1926 р., коли інший німецький вчений, Вернер Гейзенберг, сформулював знаменитий принцип невизначеності . Щоб передбачити,
яким буде положення і швидкість частинки, потрібно вміти робити точні вимірювання її положення і швидкості зараз. Очевидно, що для цього треба направити на частинку світло. Частина світлових хвиль на ній розсіється, і таким чином ми визначимо положення частки у просторі. Однак точність цього вимірювання буде не вищою, ніж відстань між гребенями двох сусідніх хвиль, і тому для точного вимірювання положення частинки необхідне короткохвильове світло. Згідно жгіпотезі Планка, світло неможливо використовувати довільно малими порціями, і немає меншої порції, ніж один квант. Цей квант світла внесе обурення в рух частинки і непередбачено змінить її швидкість. Крім того, чим точніше вимірюється положення, тим коротшими повинні бути довжини світлових хвиль, а отже, тим більше буде енергія одного кванта. Це означає, що обурення швидкості частки стане більше. Іншими словами, чим точніше ви намагаєтеся виміряти положення частинки, тим менш точними будуть вимірювання її швидкості, і навпаки. Гейзенберг показав, що невизначеність у положенні частинки, помножена на невизначеність у її швидкості і на її масу, не може бути меншою за деяке число, яке називається зараз постійною Планкою. Це число не залежить ні від способу, яким вимірюється положення або швидкість частки, ні від типу цієї частки, тобто принцип невизначеності Гейзенберга є фундаментальним, обов'язковим властивістю нашого світу.
Принцип невизначеності має далекосяжні наслідки, що стосуються нашого сприйняття навколишнього світу. Навіть після п'ятидесяти-
ти років багато філософів так остаточно і не погодилися з ними, і ці наслідки досі залишаються предметом суперечок. Принцип невизначеності означав кінець мріям Лапласа про наукову теорію, яка давала б повністю детерміновану модель Всесвіту: насправді, як можна точно прогнозувати майбутнє, не вміючи навіть в даний момент виробляти. точні вимірювання стану Всесвіту! Звичайно, ми можемо собі уявляти, що існує якийсь набір законів, що повністю визначає події для якоїсь надприродної істоти, яка здатна спостерігати сучасний стан Всесвіту, ніяк необурюючи її. Однак такі моделі Всесвіту не становлять інтересу для нас — простих смертних. Краще, мабуть, скориставшись тим принципом «економії», який називається принципом «бритви Оккама» 1 , взяти і вирізати всі положення теорії, які не піддаються спостереженню. Прийнявши такий підхід, Вернер Гейзенберг, Ервін Шредінгер і Поль Дірак у 20-х роках нашого століття переглянули механіку і прийшли до нової теорії — квантової механіки, в основу якої було покладено принцип невизначеності. У квантовій механіці частинки більше не мають таких певних і не залежать один від друга характеристик, як положення в просторі і швидкість, недоступних для спостереження. Замість цього вони характеризуються квантовим станом, який є якоюсь комбінацією положення і швидкості.
1 У. Оккам (1285-1349) - англійський філософ Суть принципу «бритви Оккама»: поняття, що не піддаються перевірці в досвіді, повинні бути видалені з науки. -Прим. ред.
Квантова механіка, взагалі кажучи, не передбачає, що спостереження має мати якийсь єдиний результат. Навпаки, вона передбачає певний ряд різних результатів і дає можливість кожного з них. Це означає, що, виконавши один і той же вимір для багатьох однакових систем, початкові стани яких збігаються, ми виявили, що в одному числі випадків результат вимірювання дорівнює А, в іншому - Б і т д. Ми можемо передбачити, у скількох приблизно випадках результат дорівнюватиме А і Б, але визначити результат кожного конкретного виміру неможливо. Таким чином, квантова механіка вносить у науку неминучий елемент непередбачуваності чи випадковості. Ейнштейн виступив дуже різко проти цієї концепції, незважаючи на ту величезнуроль, яку сам зіграв у її розвитку. За величезний внесок у квантову теорію Ейнштейну було присуджено Нобелівську премію. Але він ніколи не міг погодитися з тим, що Всесвіту керує випадок. Усі почуття Ейнштейна знайшли своє вираження у його знаменитому висловлюванні: «Бог не грає у кістки». Однак більшість інших вчених були схильні прийняти квантову механіку, тому що вона чудово погодилася з експериментом. Квантова механіка насправді є видатною теорією і лежить в основі майже всієї сучасної науки і техніки. Принципи квантової механіки покладено в основу роботи напівпровідникових та інтегральних схем, які є найважливішою частиною таких електронних пристроїв, як телевізори та електронно-обчислювальні машини. На квантовій механіці ґрунтується сучасна хімія та біологія. Єдині
області фізики, які поки не використовують належним чином квантову механіку, - це теорія гравітації та теорія великомасштабної структури Всесвіту.
Незважаючи на те, що світлове випромінювання складається з хвиль, проте, згідно з гіпотезою Планка, світло в якомусь сенсі поводиться так, ніби він утворений частинками: випромінювання і поглинання світла відбувається тільки у вигляді порцій, чи квантів. Принцип невизначеності Гейзенберга свідчить, що частки у якомусь сенсі поводяться як хвилі: вони не мають певного положення в просторі, а «розмазані» по ньому з деяким розподілом ймовірності. У квантово-механічній теорії використовується зовсім новий математичний апарат, який вже не описує сам реальний світ на основі уявлень про частинки і хвилі; ці поняття можна тепер відносити лише до результатів спостережень у цьому світі. Таким чином, у квантовій механіці виникаєчастково-хвильовий дуалізм: в одних випадках частинки зручно вважати хвилями, а в інших краще вважати хвилі частинками. З цього випливає один важливий висновок: ми можемо спостерігати так звану інтерференцію між двома хвилями-частинками. Гребені хвиль однієї з них можуть, наприклад, збігатися з западинами іншої. Тоді дві хвилі гасять один одного, а не посилюють, підсумовуючись, як можна було б очікувати, у вищі хвилі (рис. 4.1). Всім відомий приклад інтерференції світла — мильні бульбашки, що переливаються різними кольорами веселки . Це явище виникає в результаті відбиття світла від двох поверхонь тонкої плівки води, яка утворює міхур. Білий світ