ハイゼンベルグの不確定性原理を理解する

ハイゼンベルグの不確実性関係を表す方程式。アンドリュー・ジマーマン・ジョーンズ

ハイゼンベルグの不確定性原理は、 量子物理学 、しかし、それを注意深く研究していない人には、深く理解されていないことがよくあります。名前が示すように、自然そのものの最も基本的なレベルで一定レベルの不確実性を定義しますが、その不確実性は非常に制約された方法で現れるため、日常生活には影響しません.この原理が働いていることを明らかにできるのは、慎重に構成された実験だけです。

1927年、ドイツの物理学者ヴェルナー・ハイゼンベルグは、 ハイゼンベルグの不確定性原理 （あるいは単に 不確実性原理 または、時には、 ハイゼンベルクの原理 ）。ハイゼンベルグは、量子物理学の直感的なモデルを構築しようとしているときに、特定の量を知る方法を制限する特定の基本的な関係があることを発見しました.具体的には、原則を最も直接的に適用すると、次のようになります。

粒子の位置を正確に知るほど、同じ粒子の運動量を同時に正確に知ることができなくなります。

ハイゼンベルグの不確実性関係

ハイゼンベルグの不確定性原理は、量子系の性質に関する非常に正確な数学的声明です。物理的および数学的な用語で言えば、これは、システムについて話すことができる精度の程度を制限します。ハイゼンベルグの不確実性関係と呼ばれる次の 2 つの方程式 (この記事の冒頭の図にも、よりきれいな形で示されています) は、不確実性原理に関連する最も一般的な方程式です。

式 1: デルタ バツ * デルタ- p に比例します 時間 -バー
式 2: デルタ と * デルタ- t に比例します 時間 -バー

上式の記号の意味は次のとおりです。

• 時間 -bar: 「縮小プランク定数」と呼ばれ、プランク定数を 2*pi で割った値です。
• デルタ- バツ : これは、オブジェクトの位置の不確実性です (特定の粒子など)。
• デルタ- p : これは、物体の運動量の不確実性です。
• デルタ- と : これは、オブジェクトのエネルギーの不確実性です。
• デルタ- t : これは、オブジェクトの時間測定における不確かさです。

これらの方程式から、システムの測定の不確かさの物理的特性を、測定の対応する精度レベルに基づいて知ることができます。これらの測定値のいずれかの不確実性が非常に小さくなった場合、これは非常に正確な測定値を持つことに対応し、これらの関係は、比例性を維持するために対応する不確実性を増加させる必要があることを示しています。

言い換えれば、各方程式内の両方の特性を無制限の精度で同時に測定することはできません。位置を正確に測定すればするほど、運動量を同時に測定することができなくなります (逆も同様です)。時間を正確に測定すればするほど、エネルギーを同時に測定することができなくなります (逆もまた同様です)。

常識的な例

上記は非常に奇妙に思えるかもしれませんが、現実の (つまり、古典的な) 世界で機能する方法には、実際には適切な対応があります。トラックでレースカーを見ていて、フィニッシュラインを通過したときに記録することになっていたとしましょう。ゴールラインを通過する時間だけでなく、通過する正確な速度も測定することになっています。ストップウォッチのボタンを押してゴールラインを通過した瞬間に速度を測定し、デジタル表示を見て速度を測定します (これは車の監視とは一致しないため、方向転換する必要があります)。フィニッシュ ラインを通過したときの頭)。この古典的なケースでは、これらのアクションには物理的な時間がかかるため、明らかにある程度の不確実性があります。車がフィニッシュ ラインに到達し、ストップウォッチのボタンを押して、デジタル ディスプレイを確認します。システムの物理的性質により、これがどれだけ正確であるかに明確な制限が課せられます。速度を監視しようとしている場合は、フィニッシュ ラインを通過する正確な時間を測定するときに少しずれている可能性があります。逆の場合も同様です。

古典的な例を使用して量子物理的動作を実証しようとするほとんどの試みと同様に、このアナロジーには欠陥がありますが、量子領域で機能している物理的現実に多少関連しています。不確実性の関係は、量子スケールでのオブジェクトの波のような動作と、古典的な場合でも波の物理的位置を正確に測定することが非常に難しいという事実から生じます。

不確定性原理に関する混乱

不確実性原理が、 オブザーバー効果 量子物理学では、 シュレディンガーの猫 思考実験。これらは実際には、量子物理学における 2 つの完全に異なる問題ですが、どちらも私たちの古典的な考え方に負担をかけます。不確定性原理は、観察を行う実際の行為に関係なく、実際には量子システムの動作について正確なステートメントを作成する能力に対する基本的な制約です。一方、オブザーバー効果は、特定のタイプの観察を行うと、システム自体がその観察を行わない場合とは異なる動作をすることを意味します。

量子物理学と不確定性原理に関する書籍:

量子物理学の基礎において中心的な役割を果たしているため、量子領域を探求するほとんどの本は不確実性原理の説明を提供しますが、成功のレベルはさまざまです。この謙虚な著者の意見では、最高の本をいくつか紹介します。 2 冊は量子物理学全体に関する一般的な本ですが、他の 2 冊は科学的であると同時に伝記的であり、ヴェルナー ハイゼンベルクの生涯と業績について真の洞察を与えています。

• 量子力学の驚くべき話 ジェームズ・カカリオス
• 量子宇宙 ブライアン・コックスとジェフ・フォーショー
• 不確実性を超えて: ハイゼンベルグ、量子物理学、および爆弾 by David C. Cassidy
• 不確実性：アインシュタイン、ハイゼンベルグ、ボーア、そして科学の魂をめぐる闘争 by David Lindley