Принцип неопределенности гейзенберга устанавливает границы применимости. Соотношение неопределенностей гейзенберга
Невозможно одновременно с точностью определить координаты и скорость квантовой частицы.
В обыденной жизни нас окружают материальные объекты, размеры которых сопоставимы с нами: машины, дома, песчинки и т. д. Наши интуитивные представления об устройстве мира формируются в результате повседневного наблюдения за поведением таких объектов. Поскольку все мы имеем за плечами прожитую жизнь, накопленный за ее годы опыт подсказывает нам, что раз всё наблюдаемое нами раз за разом ведет себя определенным образом, значит и во всей Вселенной, во всех масштабах материальные объекты должны вести себя аналогичным образом. И когда выясняется, что где-то что-то не подчиняется привычным правилам и противоречит нашим интуитивным понятиям о мире, нас это не просто удивляет, а шокирует.
В первой четверти ХХ века именно такова была реакция физиков, когда они стали исследовать поведение материи на атомном и субатомном уровнях. Появление и бурное развитие квантовой механики открыло перед нами целый мир, системное устройство которого попросту не укладывается в рамки здравого смысла и полностью противоречит нашим интуитивным представлениям. Но нужно помнить, что наша интуиция основана на опыте поведения обычных предметов соизмеримых с нами масштабов, а квантовая механика описывает вещи, которые происходят на микроскопическом и невидимом для нас уровне, — ни один человек никогда напрямую с ними не сталкивался. Если забыть об этом, мы неизбежно придем в состояние полного замешательства и недоумения. Для себя я сформулировал следующий подход к квантово-механическим эффектам: как только «внутренний голос» начинает твердить «такого не может быть!», нужно спросить себя: «А почему бы и нет? Откуда мне знать, как всё на самом деле устроено внутри атома? Разве я сам туда заглядывал?» Настроив себя подобным образом, вам будет проще воспринять статьи этой книги, посвященные квантовой механике.
Принцип Гейзенберга вообще играет в квантовой механике ключевую роль хотя бы потому, что достаточно наглядно объясняет, как и почему микромир отличается от знакомого нам материального мира. Чтобы понять этот принцип, задумайтесь для начала о том, что значит «измерить» какую бы то ни было величину. Чтобы отыскать, например, эту книгу, вы, войдя в комнату, окидываете ее взглядом, пока он не остановится на ней. На языке физики это означает, что вы провели визуальное измерение (нашли взглядом книгу) и получили результат — зафиксировали ее пространственные координаты (определили местоположение книги в комнате). На самом деле процесс измерения происходит гораздо сложнее: источник света (Солнце или лампа, например) испускает лучи, которые, пройдя некий путь в пространстве, взаимодействуют с книгой, отражаются от ее поверхности, после чего часть из них доходит до ваших глаз, проходя через хрусталик, фокусируется, попадает на сетчатку — и вы видите образ книги и определяете ее положение в пространстве. Ключ к измерению здесь — взаимодействие между светом и книгой. Так и при любом измерении, представьте себе, инструмент измерения (в данном случае, это свет) вступает во взаимодействие с объектом измерения (в данном случае, это книга).
В классической физике, построенной на ньютоновских принципах и применимой к объектам нашего обычного мира, мы привыкли игнорировать тот факт, что инструмент измерения, вступая во взаимодействие с объектом измерения, воздействует на него и изменяет его свойства, включая, собственно, измеряемые величины. Включая свет в комнате, чтобы найти книгу, вы даже не задумываетесь о том, что под воздействием возникшего давления световых лучей книга может сдвинуться со своего места, и вы узнаете ее искаженные под влиянием включенного вами света пространственные координаты. Интуиция подсказывает нам (и, в данном случае, совершенно правильно), что акт измерения не влияет на измеряемые свойства объекта измерения. А теперь задумайтесь о процессах, происходящих на субатомном уровне. Допустим, мне нужно зафиксировать пространственное местонахождение электрона. Мне по-прежнему нужен измерительный инструмент, который вступит во взаимодействие с электроном и возвратит моим детекторам сигнал с информацией о его местопребывании. И тут же возникает сложность: иных инструментов взаимодействия с электроном для определения его положения в пространстве, кроме других элементарных частиц, у меня нет. И, если предположение о том, что свет, вступая во взаимодействие с книгой, на ее пространственных координатах не сказывается, относительно взаимодействия измеряемого электрона с другим электроном или фотонами такого сказать нельзя.
В начале 1920-х годов, когда произошел бурный всплеск творческой мысли, приведший к созданию квантовой механики, эту проблему первым осознал молодой немецкий физик-теоретик Вернер Гейзенберг. Начав со сложных математических формул, описывающих мир на субатомном уровне, он постепенно пришел к удивительной по простоте формуле, дающий общее описание эффекта воздействия инструментов измерения на измеряемые объекты микромира, о котором мы только что говорили. В результате им был сформулирован принцип неопределенности , названный теперь его именем:
неопределенность значения координаты x неопределенность скорости > h /m ,
математическое выражение которого называется соотношением неопределенностей Гейзенберга :
Δx х Δv > h /m
где Δx — неопределенность (погрешность измерения) пространственной координаты микрочастицы, Δv — неопределенность скорости частицы, m — масса частицы, а h — постоянная Планка , названная так в честь немецкого физика Макса Планка, еще одного из основоположников квантовой механики. Постоянная Планка равняется примерно 6,626 x 10 -34 Дж·с, то есть содержит 33 нуля до первой значимой цифры после запятой.
Термин «неопределенность пространственной координаты» как раз и означает, что мы не знаем точного местоположения частицы. Например, если вы используете глобальную систему рекогносцировки GPS, чтобы определить местоположение этой книги, система вычислит их с точностью до 2-3 метров. (GPS, Global Positioning System — навигационная система, в которой задействованы 24 искусственных спутника Земли. Если у вас, например, на автомобиле установлен приемник GPS, то, принимая сигналы от этих спутников и сопоставляя время их задержки, система определяет ваши географические координаты на Земле с точностью до угловой секунды.) Однако, с точки зрения измерения, проведенного инструментом GPS, книга может с некоторой вероятностью находиться где угодно в пределах указанных системой нескольких квадратных метров. В таком случае мы и говорим о неопределенности пространственных координат объекта (в данном примере, книги). Ситуацию можно улучшить, если взять вместо GPS рулетку — в этом случае мы сможем утверждать, что книга находится, например, в 4 м 11 см от одной стены и в 1м 44 см от другой. Но и здесь мы ограничены в точности измерения минимальным делением шкалы рулетки (пусть это будет даже миллиметр) и погрешностями измерения и самого прибора, — и в самом лучшем случае нам удастся определить пространственное положение объекта с точностью до минимального деления шкалы. Чем более точный прибор мы будем использовать, тем точнее будут полученные нами результаты, тем ниже будет погрешность измерения и тем меньше будет неопределенность. В принципе, в нашем обыденном мире свести неопределенность к нулю и определить точные координаты книги можно.
И тут мы подходим к самому принципиальному отличию микромира от нашего повседневного физического мира. В обычном мире, измеряя положение и скорость тела в пространстве, мы на него практически не воздействуем. Таким образом, в идеале мы можем одновременно измерить и скорость, и координаты объекта абсолютно точно (иными словами, с нулевой неопределенностью).
В мире квантовых явлений, однако, любое измерение воздействует на систему. Сам факт проведения нами измерения, например, местоположения частицы, приводит к изменению ее скорости, причем непредсказуемому (и наоборот). Вот почему в правой части соотношения Гейзенберга стоит не нулевая, а положительная величина. Чем меньше неопределенность в отношении одной переменной (например, Δx ), тем более неопределенной становится другая переменная (Δv ), поскольку произведение двух погрешностей в левой части соотношения не может быть меньше константы в правой его части. На самом деле, если нам удастся с нулевой погрешностью (абсолютно точно) определить одну из измеряемых величин, неопределенность другой величины будет равняться бесконечности, и о ней мы не будем знать вообще ничего. Иными словами, если бы нам удалось абсолютно точно установить координаты квантовой частицы, о ее скорости мы не имели бы ни малейшего представления; если бы нам удалось точно зафиксировать скорость частицы, мы бы понятия не имели, где она находится. На практике, конечно, физикам-экспериментаторам всегда приходится искать какой-то компромисс между двумя этими крайностями и подбирать методы измерения, позволяющие с разумной погрешностью судить и о скорости, и о пространственном положении частиц.
На самом деле, принцип неопределенности связывает не только пространственные координаты и скорость — на этом примере он просто проявляется нагляднее всего; в равной мере неопределенность связывает и другие пары взаимно увязанных характеристик микрочастиц. Путем аналогичных рассуждений мы приходим к выводу о невозможности безошибочно измерить энергию квантовой системы и определить момент времени, в который она обладает этой энергией. То есть, если мы проводим измерение состояния квантовой системы на предмет определения ее энергии, это измерение займет некоторый отрезок времени — назовем его Δt . За этот промежуток времени энергия системы случайным образом меняется — происходят ее флуктуация , — и выявить ее мы не можем. Обозначим погрешность измерения энергии ΔЕ. Путем рассуждений, аналогичных вышеприведенным, мы придем к аналогичному соотношению для ΔЕ и неопределенности времени, которым квантовая частица этой энергией обладала:
ΔЕ Δt > h
Относительно принципа неопределенности нужно сделать еще два важных замечания:
он не подразумевает, что какую-либо одну из двух характеристик частицы — пространственное местоположение или скорость — нельзя измерить сколь угодно точно;
принцип неопределенности действует объективно и не зависит от присутствия разумного субъекта, проводящего измерения.
Иногда вам могут встретиться утверждения, будто принцип неопределенности подразумевает, что у квантовых частиц отсутствуют определенные пространственные координаты и скорости, или что эти величины абсолютно непознаваемы. Не верьте: как мы только что видели, принцип неопределенности не мешает нам с любой желаемой точностью измерить каждую из этих величин. Он утверждает лишь, что мы не в состоянии достоверно узнать и то, и другое одновременно. И, как и во многом другом, мы вынуждены идти на компромисс. Опять же, писатели-антропософы из числа сторонников концепции «Новой эры» иногда утверждают, что, якобы, поскольку измерения подразумевают присутствие разумного наблюдателя, то, значит, на некоем фундаментальном уровне человеческое сознание связано с Вселенским разумом, и именно эта связь обусловливает принцип неопределенности. Повторим по этому поводу еще раз: ключевым в соотношении Гейзенберга является взаимодействие между частицей-объектом измерения и инструментом измерения, влияющим на его результаты. А тот факт, что при этом присутствует разумный наблюдатель в лице ученого, отношения к делу не имеет; инструмент измерения в любом случае влияет на его результаты, присутствует при этом разумное существо или нет.
См. также:
Werner Karl Heisenberg, 1901-76
Немецкий физик-теоретик. Родился в Вюрцбурге. Его отец был профессором византологии Мюнхенского университета. Помимо блестящих математических способностей с детства проявлял склонность к музыке и вполне состоялся как пианист. Еще школьником был членом народной милиции, поддерживавшей порядок в Мюнхене в смутное время, наступившее после поражения Германии в I мировой войне. В 1920 году стал студентом кафедры математики Мюнхенского университета, однако, столкнувшись с отказом в посещении интересующего его семинара по актуальным в те годы вопросам высшей математики, добился перевода на кафедру теоретической физики. В те годы весь мир физиков жил под впечатлением нового взгляда на строение атома (см. Атом Бора), и все теоретики из их числа понимали, что внутри атома происходит нечто странное.
Защитив диплом в 1923 году, Гейзенберг приступил к работе в Гёттингене над проблемами строения атома. В мае 1925 года у него случился острый приступ сенной лихорадки, вынудивший молодого ученого провести несколько месяцев в полном уединении на маленьком, отрезанном от внешнего мира острове Гельголанд, и этой вынужденной изоляцией от внешнего мира он воспользовался столь же продуктивно, как Исаак Ньютон многомесячным заключением в карантинном чумном бараке в далеком 1665 году. В частности, за эти месяцы ученым была разработана теория матричной механики — новый математический аппарат зарождающейся квантовой механики . Матричная механика, как показало время, в математическом понимании эквивалентна появившейся год спустя квантово-волновой механике, заложенной в уравнении Шрёдингера , с точки зрения описания процессов квантового мира. Однако на практике использовать аппарат матричной механики оказалось труднее, и сегодня физики-теоретики, в основном, пользуются представлениями волновой механики.
В 1926 году Гейзенберг стал ассистентом Нильса Бора в Копенгагене. Именно там в 1927 году он и сформулировал свой принцип неопределенности — и можно с основанием утверждать, что это стало его самым большим вкладом в развитие науки. В том же году Гейзенберг стал профессором Лейпцигского университета — самым молодым профессором в истории Германии. Начиная с этого момента, он вплотную занялся созданием единой теории поля (см. Универсальные теории) — по большому счету, безуспешно. За ведущую роль в разработке квантово-механической теории в 1932 году Гейзенберг был удостоен Нобелевской премии по физике за создание квантовой механики.
С исторической же точки зрения личность Вернера Гейзенберга, вероятно, навсегда останется синонимом неопределенности несколько иного рода. С приходом к власти партии национал-социалистов в его биографии открылась самая труднопонимаемая страница. Во-первых, будучи физиком-теоретиком, он оказался вовлеченным в идеологическую борьбу, в которой теоретическая физика, как таковая, получила ярлык «жидовской физики», а сам Гейзенберг был публично назван новыми властями «белым евреем». Лишь после ряда личных обращений к самым высокопоставленным лицам в рядах нацистского руководства ученому удалось остановить кампанию публичной травли в свой адрес. Гораздо проблематичнее выглядит роль Гейзенберга в германской программе разработки ядерного оружия в годы второй мировой войны. В то время, когда большинство его коллег эмигрировали или вынуждены были бежать из Германии под давлением гитлеровского режима, Гейзенберг возглавил германскую национальную ядерную программу.
Под его руководством программа всецело сконцентрировалась на постройке ядерного реактора, однако у Нильса Бора при его знаменитой встрече с Гейзенбергом в 1941 году сложилось впечатление, что это лишь прикрытие, а на самом деле в рамках этой программы разрабатывается ядерное оружие. Так что же произошло на самом деле? Действительно ли Гейзенберг умышленно и по велению совести завел германскую программу разработки атомной бомбы в тупик и направил ее на мирные рельсы, как он впоследствии утверждал? Или просто он допустил какие-то просчеты в своем понимании процессов ядерного распада? Как бы то ни было, Германия атомного оружия создать не успела. Как показывает блестящая пьеса Майкла Фрэйна (Michael Frayn) «Копенгаген», эта историческая загадка, вероятно, даст достаточно материалов еще не для одного поколения беллетристов.
После войны Гейзенберг выступил активным сторонником дальнейшего развития западногерманской науки и ее воссоединения с международным научным сообществом. Его влияние послужило важным инструментом, позволившим добиться безъядерного статуса вооруженных сил Западной Германии в послевоенный период.
Согласно двойственной корпускулярно-волновой природе частиц вещества, для описания микрочастиц используются то волновые, то корпускулярные представления. Поэтому приписывать им все свойства частиц и все свойства волн нельзя. Естественно, что необходимо внести некоторые ограничения в применении к объектам микромира понятий классической механики.
В классической механике состояние материальной точки (классической частицы) определяется заданием значений координат, импульса, энергии и т.д. (перечисленные величины называются динамическими переменными). Строго говоря, микрообъекту не могут быть приписаны указанные динамические переменные. Однако, информацию о микрочастицах мы получаем, наблюдая их взаимодействие с приборами, представляющими собой макроскопические тела. Поэтому результаты измерений поневоле выражаются в терминах, разработанных для характеристики макротел, т.е. через значения динамических характеристик. В соответствии с этим измеренные значения динамических переменных приписываются микрочастицам. Например, говорят о состоянии электрона, в котором он имеет такое-то значение энергии, и т.д.
Волновые свойства частиц и возможность задать для частицы лишь вероятность ее пребывания в данной точке пространства приводят к тому, что сами понятия координаты частицы и ее скорости (или импульса ) могут применяться в квантовой механике в ограниченной мере . В этом, вообще говоря, нет ничего удивительного. В классической физике понятие координаты в ряде случаев тоже непригодно для определения положения объекта в пространстве. Например, не имеет смысла говорить о том, что электромагнитная волна находится в данной точке пространства или что положение фронта волновой поверхности на воде характеризуется координатами x , y , z .
Корпускулярно-волновая двойственность свойств частиц, изучаемых в квантовой механике, приводит к тому, что в ряде случаев оказывается невозможным , в классическом смысле, одновременно характеризовать частицу ее положением в пространстве (координатами ) и скоростью (или импульсом ). Так, например, электрон (и любая другая микрочастица) не может иметь одновременно точных значений координаты x и компоненты импульса . Неопределенности значений x и удовлетворяют соотношению:
| . | (4.2.1) |
Из (4.2.1) следует, что чем меньше неопределенность одной величины (x или ), тем больше неопределенность другой. Возможно, такое состояние, в котором одна их переменных имеет точное значение (), другая переменная при этом оказывается совершенно неопределенной ( – ее неопределенность равна бесконечности), и наоборот. Таким образом, для микрочастицы не существует состояний , в которых ее координаты и импульс имели бы одновременно точные значения . Отсюда вытекает и фактическая невозможность одновременного измерения координаты и импульса микрообъекта с любой наперед заданной точностью.
Соотношение, аналогичное (4.2.1), имеет место для y и , для z и , а также для других пар величин (в классической механике такие пары называются канонически сопряженными ). Обозначив канонически сопряженные величины буквами A и B , можно записать:
| . | (4.2.2) |
Соотношение (4.2.2) называется соотношением неопределенностей для величин A и B . Это соотношение ввёл в 1927 году Вернер Гейзенберг.
Утверждение о том, что произведение неопределенностей значений двух сопряженных переменных не может быть по порядку меньше постоянной Планка h , называется соотношением неопределенностей Гейзенберга .
Энергия и время являются канонически сопряженными величинами . Поэтому для них также справедливо соотношение неопределенностей:
| . | (4.2.3) |
Это соотношение означает, что определение энергии с точностью должно занять интервал времени, равный, по меньшей мере,
Соотношение неопределенностей получено при одновременном использовании классических характеристик движения частицы (координаты, импульса) и наличии у нее волновых свойств. Т.к. в классической механике принимается, что измерение координаты и импульса может быть произведено с любой точностью, то соотношение неопределенностей является, таким образом, квантовым ограничением применимости классической механики к микрообъектам.
Соотношение неопределенностей указывает, в какой мере возможно пользоваться понятиями классической механики применительно к микрочастицам, в частности с какой степенью точности можно говорить о траекториях микрочастиц. Движение по траектории характеризуется вполне определенными значениями координат и скорости в каждый момент времени. Подставив в (4.2.1) вместо произведение , получим соотношение:
| . | (4.2.4) |
Из этого соотношения следует, что чем больше масса частицы , тем меньше неопределенности ее координаты и скорости , следовательно тем с большей точностью можно применять к этой частице понятие траектории. Так, например, уже для пылинки массой кг и линейными размерами м, координата которой определена с точностью до 0,01 ее размеров ( м), неопределенность скорости, по (4.2.4),
т.е. не будет сказываться при всех скоростях, с которыми пылинка может двигаться.
Таким образом, для макроскопических тел их волновые свойства не играют никакой роли ; координаты и скорости могут быть измерены достаточно точно. Это означает, что для описания движения макротел с абсолютной достоверностью можно пользоваться законами классической механики.
Предположим, что пучок электронов движется вдоль оси x со скоростью м/с, определяемой с точностью до 0,01% ( м/с). Какова точность определения координаты электрона?
По формуле (4.2.4) получим:
.
Таким образом, положение электрона может быть определено с точностью до тысячных долей миллиметра. Такая точность достаточна, чтобы можно было говорить о движении электронов по определенной траектории иными словами, описывать их движения законами классической механики.
Применим соотношение неопределенностей к электрону, двигающемуся в атоме водорода. Допустим, что неопределенность координаты электрона м (порядка размеров самого атома), тогда, согласно (4.2.4),
.
Используя законы классической физики, можно показать, что при движении электрона вокруг ядра по круговой орбите радиуса приблизительно м его скорость м/с. Таким образом, неопределенность скорости в несколько раз больше самой скорости. Очевидно, что в данном случае нельзя говорить о движении электронов в атоме по определенной траектории. Иными словами, для описания движения электронов в атоме нельзя пользоваться законами классической физики.
· Опыт Поппера · Опыт Штерна - Герлаха · Опыт Юнга · Проверка неравенств Белла · Фотоэффект · Эффект Комптона
Принцип неопределённости Гейзенбе́рга (или Га́йзенберга ) в квантовой механике - фундаментальное неравенство (соотношение неопределённостей), устанавливающее предел точности одновременного определения пары характеризующих квантовую систему физических наблюдаемых (см. физическая величина), описываемых некоммутирующими операторами (например, координаты и импульса, тока и напряжения, электрического и магнитного поля). Соотношение неопределенностей задаёт нижний предел для произведения среднеквадратичных отклонений пары квантовых наблюдаемых. Принцип неопределённости, открытый Вернером Гейзенбергом в г., является одним из краеугольных камней квантовой механики.
Краткий обзор
Соотношения неопределённостей Гейзенберга являются теоретическим пределом точности одновременных измерений двух некоммутирующих наблюдаемых. Они справедливы как для идеальных измерений, иногда называемых измерениями фон Неймана , так и для неидеальных измерений или измерений Ландау .
Согласно принципу неопределённостей, частица не может быть описана как классическая частица, то есть например у нее не могут быть одновременно точно измерено положение и скорость (импульс) , так же как у обычной классической волны и как волна . (Сам факт того, что какое-либо из этих описаний может быть справедливо, по крайней мере в отдельных случаях, называют корпускулярно-волновым дуализмом). Принцип неопределённости, в виде, первоначально предложенном Гейзенбергом, применим и в случае, когда ни одно из этих двух описаний не является полностью и исключительно подходящим, например частица с определённым значением энергии, находящаяся в коробке с идеально отражающими стенками; то есть для систем, которые не характеризуются ни каким-либо определённым «положением» или пространственной координатой (волновая функция частицы делокализована на всё пространство коробки, то есть ее координаты не имеют определенного значения, локализация частицы осуществлена не точнее размеров коробки), ни определённым значением импульса (включая его направление; в примере с частицей в коробке модуль импульса определен, но не определено его направление).
Соотношения неопределённостей не ограничивают точность однократного измерения любой величины (для многомерных величин тут подразумевается в общем случае только одна компонента). Если её оператор коммутирует сам с собой в разные моменты времени, то не ограничена точность и многократного (или непрерывного) измерения одной величины. Например, соотношение неопределённостей для свободной частицы не препятствует точному измерению её импульса, но не позволяет точно измерить её координату (это ограничение называется стандартный квантовый предел для координаты).
Соотношение неопределенностей в квантовой механике есть в математическом смысле есть непосредственное прямое следствие некоего свойства преобразования Фурье .
Существует точная количественная аналогия между соотношениями неопределённости Гейзенберга и свойствами волн или сигналов . Рассмотрим переменный во времени сигнал, например звуковую волну . Бессмысленно говорить о частотном спектре сигнала в какой-либо момент времени. Для точного определения частоты необходимо наблюдать за сигналом в течение некоторого времени, таким образом теряя точность определения времени. Другими словами, звук не может одновременно иметь и точное значение времени его фиксации, как его имеет очень короткий импульс, и точного значения частоты, как это имеет место для непрерывного (и в принципе бесконечно длительного) чистого тона (чистой синусоиды). Временно́е положение и частота волны математически полностью аналогичны координате и (квантово-механическому) импульсу частицы. Что совсем не удивительно, если вспомнить, что (или p x = k x в системе единиц ), то есть импульс в квантовой механике - это и есть пространственная частота вдоль соответствующей координаты.
В повседневной жизни мы обычно не наблюдаем квантовую неопределённость потому, что значение чрезвычайно мало, и поэтому соотношения неопределенностей накладывают такие слабые ограничения на погрешности измерения, которые заведомо незаметны на фоне реальных практических погрешностей наших приборов или органов чувств.
Определение
Если имеется несколько идентичных копий системы в данном состоянии, то измеренные значения координаты и импульса будут подчиняться определённому распределению вероятности - это фундаментальный постулат квантовой механики. Измеряя величину среднеквадратического отклонения Δx координаты и среднеквадратического отклонения Δp импульса, мы найдем что:
,где - приведённая постоянная Планка .
Отметим, что это неравенство даёт несколько возможностей - состояние может быть таким, что x может быть измерен с высокой точностью, но тогда p будет известен только приблизительно, или наоборот p может быть определён точно, в то время как x - нет. Во всех же других состояниях, и x и p могут быть измерены с «разумной» (но не произвольно высокой) точностью.
Варианты и примеры
Обобщённый принцип неопределённости
Принцип неопределённости не относится только к координате и импульсу (как он был впервые предложен Гейзенбергом). В своей общей форме, он применим к каждой паре сопряжённых переменных . В общем случае, и в отличие от случая координаты и импульса, обсуждённого выше, нижняя граница произведения «неопределённостей» двух сопряжённых переменных зависит от состояния системы. Принцип неопределённости становится тогда теоремой в теории операторов, которую мы здесь приведем
Следовательно, верна следующая общая форма принципа неопределённости , впервые выведенная в г. Говардом Перси Робертсоном и (независимо) Эрвином Шрёдингером :
Это неравенство называют соотношением Робертсона - Шрёдингера .
Оператор A B − B A называют коммутатором A и B и обозначают как [A ,B ] . Он определен для тех x , для которых определены оба A B x и B A x .
Из соотношения Робертсона - Шрёдингера немедленно следует соотношение неопределённости Гейзенберга :
Предположим, A и B - две физические величины, которые связаны с самосопряжёнными операторами. Если A B ψ и B A ψ определены, тогда:
,Среднее значение оператора величины X в состоянии ψ системы, и
Возможно также существование двух некоммутирующих самосопряжённых операторов A и B , которые имеют один и тот же собственный вектор ψ . В этом случае ψ представляет собой чистое состояние, которое является одновременно измеримым для A и B .
Общие наблюдаемые переменные, которые повинуются принципу неопределённости
Предыдущие математические результаты показывают, как найти соотношения неопределённостей между физическими переменными, а именно, определить значения пар переменных A и B , коммутатор которых имеет определённые аналитические свойства.
- самое известное отношение неопределённости - между координатой и импульсом частицы в пространстве:
- отношение неопределённости между двумя ортогональными компонентами оператора полного углового момента частицы:
- следующее отношение неопределённости между энергией и временем часто представляется в учебниках физики, хотя его интерпретация требует осторожности, так как не существует оператора, представляющего время:
Выражение конечного доступного количества информации Фишера
Принцип неопределённости альтернативно выводится как выражение неравенства Крамера - Рао в классической теории измерений, в случае когда измеряется положение частицы. Средне-квадратичный импульс частицы входит в неравенство как информация Фишера . См. также полная физическая информация.
Интерпретации
Эйнштейн был убеждён, что эта интерпретация была ошибочной. Его рассуждение основывалось на том, что все уже известные распределения вероятности являлись результатом детерминированных событий. Распределение подбрасываемой монеты или катящейся кости может быть описано распределением вероятности (50 % орёл, 50 % решка). Но это не означает, что их физические движения непредсказуемы. Обычная механика может вычислить точно, как каждая монета приземлится, если силы, действующие на неё, будут известны, а орлы/решки будут все ещё распределяться случайно (при случайных начальных силах).
Эйнштейн предполагал, что существуют скрытые переменные в квантовой механике, которые лежат в основе наблюдаемых вероятностей.
Ни Эйнштейн, ни кто-либо ещё с тех пор не смог построить удовлетворительную теорию скрытых переменных, и неравенство Белла иллюстрирует некоторые очень тернистые пути в попытке сделать это. Хотя поведение индивидуальной частицы случайно, оно также скоррелировано с поведением других частиц. Поэтому, если принцип неопределённости - результат некоторого детерминированного процесса, то получается, что частицы на больших расстояниях должны немедленно передавать информацию друг другу, чтобы гарантировать корреляции в своём поведении.
Принцип неопределённости в популярной культуре
Принцип неопределённости часто неправильно понимается или приводится в популярной прессе. Одна частая неправильная формулировка в том, что наблюдение события изменяет само событие. Вообще говоря, это не имеет отношения к принципу неопределённости. Почти любой линейный оператор изменяет вектор, на котором он действует (то есть почти любое наблюдение изменяет состояние), но для коммутативных операторов никаких ограничений на возможный разброс значений нет (). Например, проекции импульса на оси c и y можно измерить вместе сколь угодно точно, хотя каждое измерение изменяет состояние системы. Кроме того, в принципе неопределённости речь идёт о параллельном измерении величин для нескольких систем, находящихся в одном состоянии, а не о последовательных взаимодействиях с одной и той же системой.
Другие (также вводящие в заблуждение) аналогии с макроскопическими эффектами были предложены для объяснения принципа неопределённости: одна из них рассматривает придавливание арбузной семечки пальцем. Эффект известен - нельзя предсказать, как быстро или куда семечка исчезнет. Этот случайный результат базируется полностью на хаотичности, которую можно объяснить в простых классических терминах.
В некоторых научно-фантастических рассказах устройство для преодоления принципа неопределённости называют компенсатором Гейзенберга, наиболее известное используется на звездолёте «Энтерпрайз» из фантастического телесериала
Принцип неопределенности является фундаментальным законом микромира. Его можно считать частным выражением принципа дополнительности.
В классической механике частица движется по определенной траектории, и в любой момент времени возможно точно определить ее координаты и ее импульс. Относительно микрочастицы такое представление неправомерно. Микрочастица не имеет четко выраженной траектории, она обладает и свойствами частицы, и свойствами волны (корпускулярно‑волновой дуализм). В этом случае понятие «длина волны в данной точке» не имеет физического смысла, а поскольку импульс микрочастицы выражается через длину волны – p =к/ л, то отсюда следует, что микрочастица с определенным импульсом имеет полностью неопределенную координату, и наоборот.
В. Гейзенберг (1927 г.), учитывая двойственную природу микрочастиц, пришел к выводу, что невозможно одновременно с любой наперед заданной точностью характеризовать микрочастицу и координатами, и импульсом.
Соотношениями неопределенностей Гейзенберга называются неравенства:
Δx · Δp x ≥ h, Δy · Δp y ≥ h, Δz · Δp z ≥ h.
Здесь Δx, Δy, Δz означают интервалы координат, в которых может быть локализована микрочастица (эти интервалы и есть неопределенности координат), Δp x , Δp y , Δp z означают интервалы проекций импульса на координатные осиx, y, z, h – постоянная Планка. Согласно принципу неопределенностей, чем точнее фиксируется импульс, тем значительнее будет неопределенность по координате, и наоборот.
Принцип соответствия
По мере развития науки, углубления накопленных знаний новые теории становятся более точными. Новые теории охватывают все более широкие горизонты материального мира и проникают в ранее неизведанные глубины. Динамические теории сменяются статическими.
Каждая фундаментальная теория имеет определенные границы применимости. Поэтому появление новой теории не означает полного отрицания старой. Так, движение тел в макромире со скоростями значительно меньшими, чем скорость света, всегда будет описываться классической механикой Ньютона. Однако при скоростях, соизмеримых со скоростью света (релятивистских скоростях), механика Ньютона неприменима.
Объективно имеет место преемственность фундаментальных физических теорий. Это и есть принцип соответствия, который можно сформулировать следующим образом: никакая новая теория не может быть справедливой, если она не содержит в качестве предельного случая старую теорию, относящуюся к тем же явлениям, поскольку старая теория уже оправдала себя в своей области.
3.4. Понятие о состоянии системы. Лапласовский детерминизм
В классической физике система понимается как совокупность каких‑то частей, связанных между собой определенным образом. Эти части (элементы) системы могут воздействовать друг на друга, и предполагается, что их взаимовоздействие всегда может оцениваться с позиций причинно‑следственных отношений между взаимодействующими элементами системы.
Философское учение об объективности закономерной взаимосвязи и взаимообусловленности явлений материального и духовного мира называют детерминизмом. Центральным понятием детерминизма является положение о существованиипричинности; причинность имеет место, когда одно явление порождает другое явление (следствие).
Классическая физика стоит на позициях жесткого детерминизма, который называют лапласовским, – именно Пьер Симон Лаплас провозгласил принцип причинности как фундаментальный закон природы. Лаплас считал, что если известно расположение элементов (каких‑то тел) системы и действующие в ней силы, то можно с полной достоверностью предсказать, как будет двигаться каждое тело этой системы сейчас и в будущем. Он писал: «Мы должны рассматривать существующее состояние Вселенной как следствие предыдущего состояния и как причину последующего. Ум, который в данный момент знал бы все силы, действующие в природе, и относительное положение всех составляющих ее сущностей, если бы он еще был столь обширен, чтобы ввести в расчет все эти данные, охватил бы одной и той же формулой движения крупнейших тел Вселенной и легчайших атомов. Ничто не было бы для него недостоверным, и будущее, как и прошедшее, стояло бы перед его глазами». Традиционно это гипотетическое существо, которое могло бы (по Лапласу) предсказать развитие Вселенной, в науке называют «демоном Лапласа».
В классический период развития естествознания утверждается представление о том, что только динамические законы полностью характеризуют причинность в природе.
Лаплас пытался объяснить весь мир, в том числе физиологические, психологические, социальные явления с точки зрения механистического детерминизма, который он рассматривал как методологический принцип построения всякой науки. Образец формы научного познания Лаплас видел в небесной механике. Таким образом, лапласовский детерминизм отрицает объективную природу случайности, понятие вероятности события.
Дальнейшее развитие естествознания привело к новым представлениям причинности и следствия. Для некоторых природных процессов трудно определить причину – например, радиоактивный распад происходит случайно. Нельзя однозначно связать время «вылета» α– или β‑частицы из ядра и значение ее энергии. Подобные процессы объективно случайны. Особенно много таких примеров в биологии. В нынешнем естествознании современный детерминизм предлагает разнообразные, объективно существующие формы взаимосвязи процессов и явлений, многие из которых выражаются в виде соотношений, не имеющих выраженных причинных связей, то есть не содержащих в себе моментов порождения одного другим. Это и пространственно‑временные связи, отношения симметрии и определенных функциональных зависимостей, вероятностные соотношения и т. д. Однако все формы реальных взаимодействий явлений образуются на основе всеобщей действующей причинности, вне которой не существует ни одного явления действительности, в том числе и так называемых случайных явлений, в совокупности которых проявляются статические законы.
Наука продолжает развиваться, обогащается новыми концепциями, законами, принципами, что свидетельствует об ограниченности лапласовского детерминизма. Однако классическая физика, в частности классическая механика, имеет и сегодня свою нишу применения. Ее законы вполне применимы для относительно медленных движений, скорость которых значительно меньше скорости света. Значение классической физики в современный период хорошо определил один из создателей квантовой механики Нильс Бор: «Как бы далеко ни выходили явления за рамки классического физического объяснения, все опытные данные должны описываться при помощи классических понятий. Обоснование этого состоит просто в констатации точного значения слова «эксперимент». Словом «эксперимент» мы указываем на такую ситуацию, когда мы можем сообщать другим, что именно мы сделали и что именно мы узнали. Поэтому экспериментальная установка и результаты наблюдений должны описываться однозначным образом на языке классической физики».
Материал из свободной русской энциклопедии «Традиция»
В квантовой механике принцип неопределённости
Гейзенбе́рга
(или Га́йзенберга
) устанавливает, что
существует ненулевой предел для произведения дисперсий сопряжённых пар
физических величин, характеризующих состояние системы. Принцип неопределённости
обнаруживается также в классической теории измерений физических величин.
Обычно принцип неопределённости иллюстрируется следующим образом. Рассмотрим ансамбль невзаимодействующих эквивалентных частиц, приготовленных в определённом состоянии, для каждой из которых измеряется либо координата q , либо импульс p . При этом результаты измерений будут случайными величинами, среднеквадратические отклонения которых от средних значений будут удовлетворять соотношению неопределённостей , где – . Поскольку любое измерение изменяет состояние каждой частицы, при одном измерении нельзя одновременно измерить значения и координаты и импульса. Для ансамбля частиц уменьшение дисперсии при измерении физической величины приводит к увеличению дисперсии сопряжённой физической величины. Считается, что принцип неопределённости связан не только с возможностями экспериментальной техники, но и показывает фундаментальное свойство природы.
Содержание
|
Краткий обзор
В квантовой механике соотношение неопределённости возникает между любыми переменными состояния, определяемыми некоммутирующими операторами. Кроме этого принимается, что для частиц по крайней мере отчасти справедлив корпускулярно-волновой дуализм. В таком приближении положение частицы определяется местом концентрации соответствующей частице волны, импульс частицы связывается с длиной волны, и возникает наглядная аналогия между отношениями неопределённости и свойствами волн или сигналов. Положение является неопределённым настолько, насколько волна распределена в пространстве, а неопределённость импульса выводится из неопределённости длины волны при её измерении в разные моменты времени. Если волна находится в точечноподобной области, её положение определено с хорошей точностью, но у такой волны в виде короткого волнового цуга отсутствует определённая длина волны, характерная для бесконечной монохроматической волны.
В качестве волны, соответствующей частице, можно взять волновую функцию. В многомировой интерпретации квантовой механики считается, что при каждом измерении положения частицы происходит декогеренция . В отличие от этого в копенгагенской интерпретации квантовой механики говорят, что при каждом измерении положения частицы как будто бы происходит коллапс волновой функции до малой области, где находится частица, и за пределами этой области волновая функция близка к нулю (это описание полагается возможным приёмом для согласования поведения волновой функции как характеристики частицы, так как волновая функция лишь косвенно связана с реальными физическими величинами). Такая трактовка вытекает из того, что квадрат волновой функции показывает вероятность нахождения частицы в пространстве. Для малой области импульс частицы в каждом измерении не может быть измерен точно вследствие самой процедуры измерений импульса. При измерении положения частица будет чаще обнаруживаться там, где имеется максимум волновой функции, и в серии одинаковых измерений появится наиболее вероятное положение и определится среднеквадратическое отклонение от него:
Точно также в серии одинаковых измерений осуществляется распределение вероятностей, определяются статистическая дисперсия и среднеквадратическое отклонение от среднего импульса частицы :
Произведение данных величин связано соотношением неопределённости:
где – постоянная Дирака.
В некоторых случаях «неопределённость» переменной определяется как наименьшая ширина диапазона, который содержит 50 % значений, что в случае нормального распределения переменных приводит для произведения неопределённостей к большей нижней границе, становящейся равной . Согласно соотношению неопределённостей, состояние может быть таким, что x может быть измерен с высокой точностью, но тогда p будет известен только приблизительно, или наоборот p может быть определён точно, в то время как x – нет. Во всех же других состояниях, и x и p могут быть измерены с «разумной» но не с произвольно высокой точностью.
Отношения неопределённости накладывают ограничения на теоретический предел точности любых измерений. Они справедливы для так называемых идеальных измерений, иногда называемых измерениями Джона фон Неймана. Они тем более справедливы для неидеальных измерений или измерений согласно Л.Д. Ландау. В повседневной жизни мы обычно не наблюдаем неопределённость потому, что значение чрезвычайно мало.
Как правило, любая частица (в общем смысле, например несущая дискретный электрический заряд) не может быть описана одновременно как «классическая точечная частица» и как волна. Принцип неопределённости в виде, первоначально предложенном Гейзенбергом, верен в случае, когда ни одно из этих двух описаний не является полностью и исключительно подходящим. Примером является частица с определённым значением энергии, находящаяся в коробке. Такая частица является системой, которая не характеризуется ни определённым «положением» (какое-либо определённое значение расстояния от потенциальной стенки), ни определённым значением импульса (включая его направление).
Принцип неопределённости выполняется не только в опытах для множества частиц в одинаковых начальных состояниях, когда учитываются среднеквадратичные отклонения от средних значений для пары сопряжённых физических величин, измеряемых отдельно друг от друга, но и в каждых разовых измерениях, когда можно оценить значения и разброс одновременно обеих физических величин. Хотя принцип неопределённости связан с эффектом наблюдателя , он не исчерпывается им, поскольку связан ещё и со свойствами наблюдаемых квантовых объектов и их взаимодействиями между собой и с приборами.
История
Основная статья : Введение в квантовую механику
Вернер Гейзенберг сформулировал принцип неопределённости в институте Нильса Бора в Копенгагене во время работы над математическими основами квантовой механики.
В 1925 г. следуя работам Хендрика Крамерса , Гейзенберг развил матричную механику, заменившую существовавшую ранее на основе постулатов Бора версию квантовой механики. Он предположил, что квантовое движение отличается от классического, так что у электронов в атоме нет точно определённых орбит. Следовательно, для электрона уже нельзя точно сказать, где он находится в данное время и как быстро движется. Свойством матриц Гейзенберга для положения и импульса является то, что они не коммутируют между собой:
В марте 1926 г. Гейзенберг нашёл, что некоммутативность приводит к принципу неопределённости, ставшему основой того, что позже назвали копенгагенской интерпретацией квантовой механики. Гейзенберг показал связь коммутатора операторов величин и боровского принципа дополнительности. Любые две переменные, которые не коммутируют между собой, не могут быть точно измерены одновременно, так как при увеличении точности измерения одной переменной падает точность измерения другой переменной.
В качестве примера можно рассмотреть дифракцию частицы, проходящей через узкую щель в экране и отклоняющейся после прохождения на некоторый угол. Чем уже щель, тем больше получается неопределённость в направлении импульса прошедшей частицы. По закону дифракции возможное угловое отклонение Δθ приблизительно равно λ / d , где d есть ширина щели, а λ – длина волны, соответствующая частице. Если использовать формулу для в виде λ = h / p , и обозначить d Δθ = Δx , то получается соотношение Гейзенберга:
В своей статье 1927 г. Гейзенберг представил данное соотношение как минимально необходимое возмущение в величине импульса частицы, возникающее в результате измерения положения частицы , но не дал точного определения величинам Δx и Δp . Вместо этого он сделал их оценки в ряде случаев. В своей лекции в Чикаго он уточнил свой принцип так:
|
(1) |
|
|
В современном виде соотношение неопределённостей записал Кеннард (E. H. Kennard ) в 1927 г.: |
|
|
(2) |
|
где , и σ x , σ p являются среднеквадратическими (стандартными) отклонениями положения и импульса. Сам Гейзенберг доказал соотношение (2) только для специального случая гауссовских состояний. .
Принцип неопределённости и эффект наблюдателя
Один из вариантов принципа неопределённости можно сформулировать так:
Измерение координаты частицы необходимо изменяет её импульс, и наоборот .
Это делает принцип неопределённости особым, квантовым вариантом эффекта наблюдателя , причём в роли наблюдателя может выступать и автоматизированная система измерений, использующая как принцип прямой фиксации частиц, так и метод исключения (частицы, не попавшие в детектор, прошли другим доступным путём).
Такое объяснение может быть принято и было использовано Гейзенбергом и Бором, стоявшими на философской основе логического позитивизма. Согласно логике позитивизма, для исследователя истинная природа наблюдаемой физической системы определяется результатами наиболее точных экспериментов, достижимых в принципе и ограниченных лишь самой природой. В таком случае появление неизбежных неточностей при проведении измерений становится следствием не только свойств реально используемых приборов, но и самой физической системы в целом, включая объект и систему измерения.
В настоящее время логический позитивизм не является общепринятой концепцией, поэтому объяснение принципа неопределённости на основе эффекта наблюдателя становится неполным для тех, кто придерживается другой философского подхода. Некоторые полагают, что возникающее при измерении координаты частицы значительное изменение её импульса является необходимым свойством не частицы, а лишь измерительного процесса. На самом деле частица скрытым от наблюдателя образом обладает определённым местоположением и импульсом в каждый момент времени, но их значения не определяются точно вследствие использования слишком грубых инструментов (теория скрытых параметров). Для иллюстрации можно привести пример: необходимо найти местоположение и импульс движущегося биллиардного шара, используя другой биллиардный шар. В серии экспериментов, в которых оба шара направляются приблизительно одинаково и сталкиваются, можно найти углы рассеяния шаров, их импульсы, и затем определить точки их встречи. Вследствие начальных неточностей каждое столкновение является уникальным, появляется разброс в местоположении и скоростях шаров, что для серии столкновений приводит к соответствующему соотношению неопределённости. Однако при этом мы точно знаем, что в каждом отдельном измерении шары движутся, обладая вполне конкретными импульсом в каждый момент времени. Данное знание в свою очередь возникает оттого, что за шарами можно следить с помощью отражённого света, который практически не влияет на движение массивных шаров.
Описанная ситуация иллюстрирует возникновение принципа неопределённости и зависимость результатов измерений от процедуры измерений и свойств измерительных приборов. Но в реальных экспериментах до сих пор не обнаружено способа одновременного измерения параметров элементарных частиц внешними приборами, не нарушая существенно их начального состояния. Поэтому идея о скрытых от наблюдателя параметрах частиц в стандартной квантовой механике не пользуется успехом и в ней обычно просто утверждается, что не существует состояний, в которых одновременно можно измерить координату и импульс частицы.
Существуют однако ситуации, в которых вероятно могут быть определены скрытые параметры частиц. Речь идёт о двух (или более) связанных частицах в так называемом сцепленном состоянии. Если эти частицы оказываются на достаточно большом расстоянии друг от друга и не могут влиять друг на друга, измерение параметров одной частицы даёт полезную информацию о состоянии другой частицы.
Допустим, при распаде позитрония излучаются два фотона в противоположенных направлениях. Поместим два детектора таким образом, что первый может измерить положение одного фотона, а второй детектор – импульс другого фотона. Произведя одновременные измерения, можно с помощью закона сохранения импульса достаточно точно определить как импульс и направление первого фотона, так и его местоположение при попадании в первый детектор. Изменение процедуры измерения в данном случае позволяет избежать необходимости обязательного использования принципа неопределённости как ограничительного средства при вычислении погрешностей измерения. Описанная ситуация не отменяет принцип неопределённости как таковой, поскольку координата и импульс одновременно измеряются не у одной частицы локальным образом, а у двух частиц на расстоянии друг от друга.
Микроскоп Гейзенберга
В качестве одного из примеров, иллюстрировавших принцип неопределённости, Гейзенберг приводил воображаемый микроскоп как измерительное устройство. С его помощью экспериментатор измеряет положение и импульс электрона, который рассеивает падающий на него фотон, обнаруживая тем самым своё присутствие.
Если фотон имеет малую длину волны и следовательно большой импульс, положение электрона в принципе может быть измерено достаточно точно. Но при этом фотон рассеивается случайным образом, передавая электрону достаточно большую и неопределённую долю своего импульса. Если же у фотона большая длина волны и малый импульс, он мало изменяет импульс электрона, но рассеяние будет определять положение электрона очень неточно. В результате произведение неопределённостей в координате и импульсе остаётся не меньшим, чем постоянная Планка, с точностью до числового сомножителя порядка единицы. Гейзенберг не сформулировал точное математическое выражение для принципа неопределённости, а использовал принцип как эвристическое количественное соотношение.
Критика
Копенгагенская интерпретация квантовой механики и принцип неопределенности Гейзенберга оказались двойной мишенью для тех, кто верил в реализм и детерминизм. В копенгагенской интерпретации квантовой механики не содержится фундаментальной реальности, описывающей квантовое состояние и предписывающей способ вычисления экспериментальных результатов. В ней заранее не известно, что система находится в фундаментальном состоянии таком, что при измерениях появится точно заданный результат. Физическая вселенная существует не в детерминистичной форме, а скорее как набор вероятностей, или возможностей. Например, картина (распределение вероятности), произведённая миллионами фотонов, дифрагирующими через щель, может быть вычислена при помощи квантовой механики, но точный путь каждого фотона не может быть предсказан никаким известным методом. Копенгагенская интерпретация считает, что это не может быть предсказано вообще никаким методом.
Именно эту интерпретацию Эйнштейн подвергал сомнению, когда писал Максу Борну: «я уверен, что Бог не бросает кости» (Die Theorie liefert viel . Aber ich bin überzeugt , dass der Alte nicht würfelt ) . Нильс Бор, который был одним из авторов Копенгагенской интерпретации, ответил: «Эйнштейн, не говорите Богу, что делать».
Альберт Эйнштейн считал, что случайность появляется как отражение нашего незнания фундаментальных свойств реальности, тогда как Бор верил, что распределение вероятностей является фундаментальным и неповторимым, зависящим от вида измерений. Дебаты Эйнштейна и Бора в отношении принципа неопределённости длились не один год.
Щель в экране
Первый мысленный эксперимент Эйнштейна по проверке принципа неопределённости был следующим:
Рассмотрим частицу, проходящую через щель в экране шириной d. Щель приводит к неопределённости импульса частицы порядка h/d, когда частица проходит через экран. Но импульс частицы с достаточной точностью можно определить по отдаче экрана с помощью закона сохранения импульса.
Ответ Бора был таков: так как экран подчиняется законам квантовой механики, то для измерения отдачи с точностью ΔP импульс экрана должен быть известен с такой точностью до пролёта частицы. Это приводит к неопределённости положения экрана и щели, равной h / ΔP , и если импульс экрана известен достаточно точно для измерения отдачи, положение щели оказывается определённым с точностью, не позволяющей точного измерения положения частицы.
Подобный анализ с частицами, испытывающими дифракцию на нескольких щелях, имеется у Р. Фейнмана.
Коробка Эйнштейна
Другой мысленный эксперимент Эйнштейна был задуман для проверки принципа неопределённости в отношении таких сопряжённых переменных, как время и энергия. Если в эксперименте со щелью в экране частицы двигались в заданном пространстве, то во втором случае они двигаются в течение заданного времени.
Рассмотрим коробку, наполненную световым излучением в результате радиоактивного распада. В коробке имеется затвор, открывающий её на точно известное малое время, в течение которого часть излучения покидает коробку. Для измерения унесённой с излучением энергии можно взвесить коробку после излучения, сравнить с начальным весом и применить принцип . Если коробка установлена на весах, то измерения сразу должны показать неточность принципа неопределённости.
Через день размышлений Бор определил, что если энергия самой коробки известна точно в начальный момент, то время открытия затвора не может быть известно точно. Кроме этого, весы и коробка за счёт изменения веса при излучении могут менять своё положение в гравитационном поле. Это приводит к изменению скорости течения времени за счёт движения часов и за счёт влияния гравитации на ход часов, и к дополнительной неточности времени срабатывания затвора.
Парадокс Эйнштейна - Подольского - Розена
В третий раз боровская трактовка принципа неопределённости подверглась сомнению в 1935 г., когда Альберт Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен (смотри Парадокс Эйнштейна - Подольского - Розена) опубликовали свой анализ состояний удалённых на большие расстояния сцепленных частиц. Согласно Эйнштейну, измерение физической величины одной частицы в квантовой механике должно приводить к изменению вероятности распределения другой частицы, причём со скоростью, которая может превышать даже скорость света. Обдумывая это, Бор пришёл к той мысли, что неопределённость в принципе неопределённости не возникает от подобного прямого измерения.
Сам же Эйнштейн полагал, что полное описание реальности должно включать предсказание результатов экспериментов на основе "локально меняющихся детерминированных величин", приводя к увеличению информации по сравнению с той, которая ограничивается принципом неопределённости.
В 1964 г. Джон Белл показал, что предположение Эйнштейна о скрытых параметрах может быть проверено, поскольку оно приводит к определённым неравенствам между вероятностями в различных экспериментах. К настоящему времени какого-либо надёжного подтверждения существования скрытых параметров на основе неравенств Белла не получено.
Имеется также точка зрения, что на результаты экспериментов могут влиять нелокальные скрытые параметры , в частности, её придерживался Д. Бом. Здесь квантовая теория может тесно соприкасаться с другими физическими концепциями. Например, нелокальные скрытые параметры можно мыслить случайным набором данных, проявляющимся в экспериментах. Если предположить, что размер видимой вселенной ограничивает этот набор и связи между ними, то квантовый компьютер согласно Г. Хоофту вероятно будет допускать ошибки, когда будет оперировать с числами, превышающими 10000 единиц.
Критика Поппера
К.Р. Поппер критиковал принцип неопределённости в том виде, который был дан Гейзенбергом – что измерение местоположения частицы всегда влияет на результат измерения импульса, указывая, что при прохождении частицей с определённым импульсом узкой щели в отражённой волне имеется некоторая амплитуда вероятности существования импульса, равного импульсу до рассеяния. Это значит, что в ряде событий частица пройдёт щель без изменения импульса. В таком случае соотношение неопределённостей следует применять не для индивидуальных событий или опытов, а для экспериментов с множеством одинаковых частиц с одинаковыми начальными условиями, то есть для квантовых ансамблей. Критика подобного типа применима ко всем вероятностным теориям, а не только к квантовой механике, так как вероятностные утверждения требуют для своей поверки множества измерений.
С точки зрения копенгагенской интерпретации квантовой механики, приписывание частице определённого импульса до измерения эквивалентно существованию скрытого параметра. Частица должна описываться не этим импульсом, а волновой функцией, которая меняется при прохождении щели. Отсюда возникает неопределённость импульса, соответствующая принципу неопределённости.
Принцип неопределённости информационной энтропии
При формулировке многомировой интерпретации квантовой механики в 1957 г. Хью Эверетт пришёл к более строгой форме принципа неопределённости. . Если квантовые состояния имеют волновую функцию вида:
то у них будет увеличено стандартное отклонение в координате из-за суперпозиции некоторого числа взаимодействий. Будет увеличена и неопределённость в импульсе. Для уточнения неравенства в соотношении неопределённостей используется информация Шеннона для распределения величин, измеряемая числом бит, необходимых для описания случайной величины при конкретном распределении вероятностей:
Величина I интерпретируется как число бит информации, получаемой наблюдателем в момент, когда величина x достигает точности ε , равной I x + log 2 (ε) . Вторая часть есть число бит после десятичной точки, а первая даёт логарифмическое значение распределения. Для однородного распределения ширины Δx информационное содержание равно log 2 Δx . Эта величина может быть отрицательна, означая, что распределение уже одной единицы, и малые биты после десятичной точки не дают информации из-за неопределённости.
Если взять логарифм соотношения неопределённостей в так называемых естественных единицах:
то в таком виде нижняя граница равна нулю.
Эверетт и Хиршман предположили, что для всех квантовых состояний:
Это было доказано Бекнером в 1975 г. .
Производные
Когда линейные операторы A и B действуют на функцию ψ(x ) , они не всегда коммутируют. Пусть например оператор B есть умножение на x, а оператор A есть производная по x. Тогда имеет место равенство:
которое на операторном языке означает:
Это выражение очень близко к каноническому коммутатору квантовой механики, в котором оператор положения есть умножение волновой функции на x, а оператор импульса включает производную и умножение на . Это даёт:
Этот ненулевой коммутатор приводит к соотношению неопределённости.
Для любых двух операторов A и B:
что соответствует неравенству Коши - Буняковского для внутреннего произведения двух векторов и . Величина ожидания произведения AB превышает амплитуду мнимой части:
Для эрмитовых операторов это даёт соотношение Робертсона - Шрёдингера :
и принцип неопределённости как частный случай.
Физическая интерпретация
При переходе от операторов величин к неопределённостям можно записать:
где
есть среднее переменной X в состоянии ψ ,
есть среднеквадратическое отклонение переменной X в состоянии ψ.
После замены для A и для B в общем операторном неравенстве коммутатор приобретает вид:
Нормы и являются в квантовой механике стандартными отклонениями для A и B. Для координаты и импульса норма коммутатора равна .
Матричная механика
В матричной механике коммутатор матриц X и P равен не нулю, а величине , умноженной на единичную матрицу.
Коммутатор двух матриц не меняется, когда обе матрицы изменяются за счёт сдвига на постоянные матрицы x и p :
Для каждого квантового состояния ψ можно определить число x
как ожидаемое значение координаты, и
как ожидаемое значение импульса. Величины и будут ненулевыми в той степени, в которой являются неопределёнными положение и импульс, так что X и P отличаются от средних значений. Ожидаемое значение коммутатора
может быть ненулевым, если отклонение в X в состоянии , умноженное на отклонение в P , достаточно большое.
Квадрат значения типичного матричного элемента как квадрат отклонения можно оценить путём суммирования квадратов состояний энергии :
Поэтому каноническое коммутационное соотношение получается умножением отклонений в каждом состоянии, давая значение порядка :
Эта эвристическая оценка может быть уточнена с помощью неравенства Коши - Буняковского (смотри выше). Внутреннее произведение двух векторов в скобках:
ограничено произведением длин векторов:
Поэтому для каждого состояния будет:
действительная часть матрицы M есть , поэтому действительная часть произведения двух эрмитовых матриц равна:
Для мнимой части имеем:
Амплитуда больше, чем амплитуда её мнимой части:
Произведение неопределённостей ограничено снизу ожидаемым значением антикоммутатора , давая соответствующий член в соотношение неопределённостей. Этот член не важен для неопределённости положения и импульса, так как он имеет нулевое ожидаемое значение для гауссовского волнового пакета, как в основном состоянии гармонического осциллятора. В то же время член от антикоммутатора полезен для ограничения неопределённостей спиновых операторов.
Волновая механика
В уравнении Шрёдингера квантовомеханическая волновая функция содержит информацию как о положении, так и об импульсе частицы. Наиболее вероятным положением частицы является то, где концентрация волны наибольшая, а основная длина волны задаёт импульс частицы.
Длина волны локализованной волны определяется неточно. Если волна находится в объёме размером L и длина волны приблизительно равна λ , число циклов волны в этой области будет порядка L / λ . То, что число циклов известно с точностью до одного цикла, можно записать так:
Это соответствует хорошо известному результату при обработке сигналов - чем короче промежуток времени, тем менее точно определена частота. Аналогично в преобразовании Фурье, чем уже пик функции, тем шире её Фурье образ.
Если умножить равенство на h , и положить ΔP = h Δ (1 / λ) , ΔX = L , то будет:
Принцип неопределённости может быть представлен как теорема в преобразованиях Фурье: произведение стандартного отклонения квадрата абсолютного значения функции на стандартное отклонение квадрата абсолютного значения её Фурье образа не меньше, чем 1/(16π 2).
Типичным примером является (ненормализованная) гауссовская волновая функция:
Ожидаемое значение X равно нулю вследствие симметрии, поэтому вариация находится усреднением X 2 по всем положениям с весом ψ(x ) 2 и учётом нормировки:
С помощью преобразования Фурье можно перейти от ψ(x ) к волновой функции в k пространстве, где k есть волновое число и связано с импульсом соотношением де Бройля :
Последний
интеграл не зависит от p, так как здесь непрерывное изменение переменных 
,
исключающее такую зависимость, а путь интегрирования в комплексной плоскости не
проходит через сингулярность. Поэтому с точностью до нормировки волновая
функция снова гауссовская:
Ширина распределения k находится путём усреднения через интегрирование, как показано выше:
Тогда в данном примере
Симплектическая геометрия
В математических терминах сопряжённые переменные являются частью симплектического базиса, и принцип неопределённости соответствует симплектической форме в симплектическом пространстве.
Соотношение Робертсона - Шрёдингера
Возьмём любые два самосопряжённые эрмитовые операторы A и B , и систему в состоянии ψ. При измерении величин A и B проявится распределение вероятностей со стандартными отклонениями Δ ψ A и Δ ψ B . Тогда будет справедливо неравенство:
где [A ,B ] = AB - BA есть коммутатор A и B , {A ,B } = AB +BA есть антикоммутатор , и есть ожидаемое значение. Это неравенство называется соотношением Робертсона - Шрёдингера, включающее в себя принцип неопределённости как частный случай. Неравенство с одним коммутатором вывел в 1930 г. Говард Перси Робертсон (Howard Percy Robertson ), и несколько позже Эрвин Шрёдингер добавил член с антикоммутатором .
Возможно также существование двух некоммутирующих самосопряжённых операторов A и B , которые имеют один и тот же собственный вектор ψ . В этом случае ψ представляет собой чистое состояние, которое является одновременно измеримым для A и B .
Другие принципы неопределённости
Соотношение Робертсона - Шрёдингера приводит к соотношениям неопределённости для любых двух переменных, которые не коммутируют друг с другом:
- Соотношение неопределённости между координатой и импульсом частицы:
- между энергией и положением частицы в одномерном потенциале V(x):
- между угловой координатой и моментом импульса частицы при малой угловой неопределённости:
- между ортогональными компонентами полного момента импульса частицы:
где i , j , k различны и J i означает момент импульса вдоль оси x i .
- между числом электронов в сверхпроводнике и фазой их упорядочивания в теории Гинзбурга-Ландау:
Существует также отношение неопределённости между напряжённостью поля и числом частиц, которое приводит к явлению виртуальных частиц.
Энергия-время в принципе неопределённости
Энергия и время входят в соотношение неопределённостей, которое не вытекает напрямую из соотношения Робертсона - Шрёдингера.
Произведение энергии на время имеет ту же размерность, что и произведение импульса на координату, момент импульса и функция действия. Поэтому уже Бору было известно следующее соотношение:
здесь Δt есть время существования квантового состояния, а время как и пространственная координата задаёт эволюцию частицы в системе пространственно-временных координат.
Из соотношения следует, что состояние с малым временем жизни не может иметь определенного значения энергии – за это время энергия обязана измениться, тем более существенно, чем меньше время. Если энергия состояния пропорциональна частоте колебаний, то для высокой точности измерения энергии необходимо измерять частоту за такой период времени, который включает в себя достаточно много волновых циклов.
Например, в спектроскопии возбуждённые состояния имеют ограниченное время жизни. Средняя энергия испускаемых фотонов лежит вблизи теоретического значения энергии состояния, но распределение энергий имеет некоторую ширину, называемую естественная ширина линии . Чем быстрее распадается состояние, тем шире соответствующая ему ширина линии, что затрудняет точное измерение энергии. . Аналогично имеются трудности при определении массы покоя быстро распадающихся резонансов в физике элементарных частиц. Чем быстрее распадается частица, тем менее точно известна её масса-энергия.
В одной неточной формулировке принципа неопределённости утверждается, что для измерения энергии квантовой системы с точностью ΔE требуется время Δt > h / ΔE . Её неточность была показана Ахароновым (Yakir Aharonov ) и Д. Бомом в 1961 г. На самом деле время Δt есть время, когда система существует в отсутствие внешних возмущений, а не время измерения или воздействия измерительных приборов.
В 1936 г. Поль Дирак предложил точное определение и вывод энерго -временного соотношения неопределённости в релятивистской квантовой теории "событий". В этой формулировке частицы движутся в пространстве-времени и на каждой траектории имеют своё собственное внутреннее время. Многовременная формулировка квантовой механики математически эквивалентна стандартной формулировке, но более удобна для релятивистского обобщения. На её основе Синъитиро Томонага создал ковариантную теорию возмущений для квантовой электродинамики.
Более известную и используемую формулировку энерго -временного соотношения неопределённости дали в 1945 г. Л. И. Мандельштам и И . E. Тамм. Для квантовой системы в нестационарном состоянии наблюдаемая величина B представляется самосогласованным оператором , и справедлива формула:
где Δ ψ E есть стандартное отклонение оператора энергии в состоянии , Δ ψ B есть стандартное отклонение оператора и есть ожидаемая величина в этом состоянии. Второй множитель в левой части имеет размерность времени, и он отличается от времени, входящем в уравнение Шрёдингера. Этот множитель является временем жизни состояния по отношению к наблюдаемой B , по истечении которого ожидаемое значение изменяется заметно.
Теоремы неопределённости в гармоническом анализе
В гармоническом анализе принцип неопределённости подразумевает, что нельзя точно получить значения функции и её отображения Фурье; при этом выполняется следующее неравенство:
Имеются и другие соотношения между функцией ƒ и её отображением Фурье.
Теорема Бенедика
Эта теорема утверждает, что набор точек, где функция ƒ не равна нулю, и набор точек, где не равна нулю, не могут быть оба слишком малы. В частности, ƒ в L 2 (R ) и её отображение Фурье не могут поддерживаться одновременно (иметь один и тот же носитель функции) на покрытиях с ограниченной мерой Лебега. При обработке сигналов этот результат хорошо известен: функция не может одновременно быть ограниченной и во времени и в диапазоне частот.
Принцип неопределённости Харди
Математик G. H. Hardy в 1933 г. сформулировал следующий принцип: невозможно для функций ƒ и обоим быть "очень быстро возрастающими." Так, если ƒ определена в L 2 (R ), то:
кроме
случая f
= 0
.
Здесь отображение Фурье 
равно ,
и если в интеграле заменить на для каждого a
< 2π
, то соответствующий
интеграл будет ограниченным для ненулевой функции f
0
.
Бесконечная вложенность материи
В теории принцип неопределённости получает особое толкование. Согласно этой теории, всё множество существующих во Вселенной объектов можно расположить по уровням, в пределах которых размеры и массы принадлежащих им объектов различаются не так сильно, как между различными уровнями. При этом возникает . Оно выражается например в том, что массы и размеры тел при переходе от уровня к уровню вырастают в геометрической прогрессии и могут быть найдены с помощью соответствующих коэффициентов подобия. Существуют основные и промежуточные уровни материи. Если брать такие основные уровни материи, как уровень элементарных частиц и уровень звёзд, то в них можно найти подобные друг другу объекты – нуклоны и нейтронные звёзды. Электрон также имеет свой аналог на уровне звёзд – в виде дисков, открытых возле рентгеновских пульсаров, являющихся основными кандидатами в магнитары. . По известным свойствам элементарных частиц (масса, радиус, заряд, спин и т.д.) с помощью коэффициентов подобия можно определить соответствующие свойства подобных им объектов на уровне звёзд.
Кроме этого, в силу физические законы не меняют своей формы на разных уровнях материи. Это означает, что кроме подобия объектов и их свойств, существует подобие соответствующих явлений. Благодаря этому на каждом уровне материи можно рассматривать свой собственный принцип неопределённости. Характерной величиной кванта действия и момента импульса на уровне элементарных частиц является величина , то есть . Она непосредственно входит в принцип неопределённости. Для нейтронных звёзд характерной величиной кванта действия является ħ’ s = ħ ∙ Ф’ ∙ S’ ∙ Р’ = 5,5∙10 41 Дж∙с , где Ф’, S’, Р’ – коэффициенты подобия по массе, скоростям процессов и размерам соответственно. Следовательно, если производить измерения местоположения, импульса или других величин у отдельных нейтронных звёзд с помощью звёздных или ещё более массивных объектов, то при их взаимодействии произойдёт обмен импульсом и моментом импульса, с характерным значением звёздного кванта действия порядка ħ’ s . При этом измерение координаты будет влиять на точность измерения импульса и наоборот, приводя к принципу неопределённости.
Из изложенного следует, что сущность принципа неопределённости вытекает из самой процедуры измерений. Так, элементарные частицы не могут быть исследованы иначе, как с помощью самих элементарных частиц или их композитных состояний (в виде ядер, атомов, молекул и т.д.), которые неизбежно влияют на результаты измерений. Взаимодействие частиц друг с другом или с приборами в таком случае приводит к необходимости введения статистических методов в квантовую механику и лишь вероятностных предсказаний результатов любых опытов. Так как процедура измерений стирает часть информации, имеющейся у частиц до измерений, то прямой детерминации событий от каких-либо скрытых параметров, предполагаемой в теории скрытых параметров, не получается. Например, если направить одну частицу на другую в точно заданном направлении, то должно получиться вполне определённое рассеяние частиц друг на друге. Но здесь возникает проблема в том, что вначале нужно ещё каким-то способом направить частицу именно в данном заданном направлении. Как видно, детерминации событий мешает не только процедура измерений, но и процедура установки точных начальных состояний исследуемых частиц.
Выражение конечного доступного количества информации Фишера
Принцип неопределённости альтернативно выводится как выражение неравенства Крамера - Рао в классической теории измерений. В случае, когда измеряется положение частицы, среднеквадратичный импульс частицы входит в неравенство как информация Фишера . См. также полная физическая информация .
Научный юмор
Необычная природа принципа неопределённости Гейзенберга и его запоминающееся название, сделали его источником нескольких шуток. Говорят, что популярной надписью на стенах физического факультета университетских городков является: «Здесь, возможно, был Гейзенберг».
Однажды Вернера Гейзенберга останавливает на шоссе полицейский и спрашивает: «Вы знаете, как быстро Вы ехали, сэр?». На что физик отвечает: «Нет, но я точно знаю, где я!»
Принцип неопределённости в популярной культуре
Принцип неопределённости часто неправильно понимается или описывается в популярной прессе. Одна частая неправильная формулировка в том, что наблюдение события изменяет само событие. Вообще говоря, это не имеет отношения к принципу неопределённости. Почти любой линейный оператор изменяет вектор, на котором он действует (то есть почти любое наблюдение изменяет состояние), но для коммутативных операторов никаких ограничений на возможный разброс значений нет. Например, проекции импульса на оси c и y можно измерить вместе сколь угодно точно, хотя каждое измерение изменяет состояние системы. Кроме того, в принципе неопределённости речь идёт о параллельном измерении величин для нескольких систем, находящихся в одном состоянии, а не о последовательных взаимодействиях с одной и той же системой.
Другие (также вводящие в заблуждение) аналогии с макроскопическими эффектами были предложены для объяснения принципа неопределённости: одна из них рассматривает придавливание арбузной семечки пальцем. Эффект известен - нельзя предсказать, как быстро или куда семечка исчезнет. Этот случайный результат базируется полностью на хаотичности, которую можно объяснить в простых классических терминах.
