Вернер Хайзенберг и неговия принцип на неопределеност

През 1926 г. немският учен Вернер Хайзенберг формулира своя знаменит принцип на неопределеността в квантовата механика. Математически принципът се представя чрез съотношението между координатитите (положението) ∆ x  и импулса на една частица ∆ p :

∆ x . ∆ p ≥ h/4π = ħ/2

където h = 6,63. 10^-34 Js, е константата на Планк, а ħ = h/2π е редуцираната константа на Планк.

Хайзенберг доказал, че е невъзможно да се определи едновременно положението и скоростта на един електрон. Поради намесата на наблюдателя и непрeдвидимото поведение на отделните кванти, винаги остава известна неопределеност за скоростта или за положението, а в някои случаи и за двете.

Илюзията като илюстрация на принципа на неопределеност

За да предскажем бъдещото положение и скоростта на една частица, трябва да можем точно да измерим сегашното й положение и скорост.   Най-простият начин да направим това е да осветим частицата. Някои от светлинните вълни ще се разсеят от частицата и така ще определят нейното положение. Но ние няма да сме в състояние да определим положението на частицата по-точно, отколкото е разстоянието между гребените на светлинните вълни, така че ще трябва да използваме светлина с малка дължина на вълната, за да измерим по-точно положението на частицата. Според квантовата хипотеза на Планк обаче не можем да използваме произволно малко количество светлина; то трябва да е поне един квант. Но този квант ще наруши състоянието на частицата и ще промени скоростта й по непредсказуем начин. Освен това, колкото по-точно измерваме положението, толкова по-къса трябва да е дължината на светлинната вълна, а следователно толкова по-висока трябва да е енергията на единичния квант (E = hν). 

Хайзенберг пред черната дъска

С други думи, колкото по-точно се опитваме да измерим положението на частицата, толкова по-неточно ще можем да измерим нейната скорост и обратно. Хайзенберг показа, че неопределеността в положението на частицата, умножена по неопределеността в нейната скорост и по масата на частицата, никога не може да бъде величина, по-малка от една определена стойност, известна като Планкова константа. Нещо повече, това ограничение не зависи от начина, по който се опитваме да измерим положението или скоростта на частицата, нито от вида частица: принципът на неопределеността на Хайзенберг е фундаментално, неизбежно свойство на света.

Пол Дирак и Вернер Хайзенберг

Принципът на неопределеността има съществени следствия за начина, по който гледаме на света. Хайзенберг, Ервин Шрьодингер и Пол Дирак, през двадесетте години на миналия век, преформулират механиката в една нова теория, наречена квантова механика, основана върху принципа на неопределеността. В тази теория частиците вече нямат отделни, добре дефинирани положения и скорости, които да могат да се наблюдават. Вместо това те имат квантово състояние, което е комбинация от положение и скорост.

За създаването на квантовата механика през 1932 г.  Вернер Хайзенберг получава Нобелова награда за физика.