Kiến Thức Phổ Thông

Nguyên lý bất định Heisenberg là gì?

Hiểu nguyên lý bất định Heisenberg

Nguyên lý bất định của Heisenberg là một trong những nền tảng của vật lý lượng tử, nhưng nó thường không được hiểu sâu sắc bởi những người không nghiên cứu kỹ về nó. Như tên gọi của nó, xác định một mức độ không chắc chắn ở các mức độ cơ bản nhất của tự nhiên, sự không chắc chắn đó biểu hiện theo một cách rất hạn chế, vì vậy nó không ảnh hưởng đến chúng ta trong cuộc sống hàng ngày. Chỉ những thí nghiệm được xây dựng cẩn thận mới có thể tiết lộ nguyên tắc này trong công việc.

Năm 1927, nhà vật lý người Đức Werner Heisenberg đã đưa ra cái được gọi là nguyên lý bất định Heisenberg (hoặc chỉ là nguyên lý bất định hoặc, đôi khi, nguyên tắc Heisenberg). Trong khi cố gắng xây dựng một mô hình trực quan của vật lý lượng tử, Heisenberg đã phát hiện ra rằng có những mối quan hệ cơ bản nhất định đặt ra những hạn chế về việc chúng ta có thể biết những đại lượng nhất định như thế nào. Cụ thể, trong ứng dụng đơn giản nhất của nguyên tắc:

Bạn càng biết chính xác vị trí của hạt, bạn càng ít biết chính xác động lượng của hạt đó.

Mối quan hệ không chắc chắn của Heisenberg

Nguyên lý bất định của Heisenberg là một tuyên bố toán học rất chính xác về bản chất của một hệ lượng tử. Về mặt vật lý và toán học, nó hạn chế mức độ chính xác mà chúng ta có thể nói về việc có một hệ thống. Hai phương trình sau (cũng được hiển thị, ở dạng đẹp hơn, trong hình ở đầu bài viết này), được gọi là mối quan hệ không chắc chắn Heisenberg, là các phương trình phổ biến nhất liên quan đến nguyên tắc bất định:

Phương trình 1: delta- x * delta- p tỷ lệ với thanh h-bar

Phương trình 2: delta- E * delta- t tỷ lệ với thanh h-bar

Các ký hiệu trong các phương trình trên có ý nghĩa như sau:

h-bar: Được gọi là “hằng số Planck giảm”, giá trị này có giá trị hằng số Planck chia cho 2 * pi.

delta-x: Đây là sự không chắc chắn về vị trí của một vật thể (nói về một hạt nhất định).

delta-p: Đây là sự không chắc chắn về động lượng của một vật thể.

delta-E: Đây là sự không chắc chắn về năng lượng của một vật thể.

delta-t: Đây là độ không đảm bảo trong phép đo thời gian của một đối tượng.

Từ các phương trình này, chúng tôi có thể cho biết một số tính chất vật lý của độ không đảm bảo đo của hệ thống dựa trên mức độ chính xác tương ứng với phép đo của chúng tôi. Nếu độ không đảm bảo trong bất kỳ phép đo nào trở nên rất nhỏ, tương ứng với phép đo cực kỳ chính xác, thì các mối quan hệ này cho chúng ta biết rằng độ không đảm bảo tương ứng sẽ phải tăng, để duy trì tỷ lệ.

Nói cách khác, chúng ta không thể đồng thời đo cả hai thuộc tính trong mỗi phương trình đến một mức độ chính xác không giới hạn. Chúng ta càng đo chính xác vị trí, chúng ta càng có thể đo chính xác động lượng (và ngược lại). Chúng ta càng đo thời gian chính xác, chúng ta càng có thể đo đồng thời năng lượng một cách chính xác (và ngược lại).

Một ví dụ thông thường

Mặc dù những điều trên có vẻ rất kỳ lạ, nhưng thực sự có một sự tương ứng tốt với cách chúng ta có thể hoạt động trong thế giới thực (nghĩa là cổ điển). Hãy nói rằng chúng tôi đã xem một chiếc xe đua trên đường đua và chúng tôi phải ghi lại khi nó vượt qua vạch đích. Chúng tôi phải đo lường không chỉ thời gian mà nó vượt qua vạch đích mà còn cả tốc độ chính xác mà nó làm như vậy. Chúng tôi đo tốc độ bằng cách nhấn nút trên đồng hồ bấm giờ tại thời điểm chúng tôi thấy nó vượt qua vạch đích và chúng tôi đo tốc độ bằng cách nhìn vào số đọc kỹ thuật số (không phù hợp với việc xem xe, vì vậy bạn phải rẽ đầu của bạn một khi nó vượt qua vạch đích). Trong trường hợp cổ điển này, rõ ràng có một số mức độ không chắc chắn về điều này, bởi vì những hành động này mất một thời gian vật lý. Chúng ta sẽ thấy chiếc xe chạm vào vạch đích, nhấn nút đồng hồ bấm giờ và nhìn vào màn hình kỹ thuật số. Bản chất vật lý của hệ thống áp đặt một giới hạn xác định dựa trên mức độ chính xác của tất cả những điều này. Nếu bạn đang tập trung vào việc cố gắng xem tốc độ, thì bạn có thể tắt một chút khi đo thời gian chính xác trên vạch đích và ngược lại.

Như với hầu hết các nỗ lực sử dụng các ví dụ cổ điển để chứng minh hành vi vật lý lượng tử, có những sai sót với sự tương tự này, nhưng nó phần nào liên quan đến thực tế vật lý đang hoạt động trong cõi lượng tử. Các mối quan hệ không chắc chắn xuất phát từ hành vi giống như sóng của các vật thể ở quy mô lượng tử và thực tế là rất khó để đo chính xác vị trí vật lý của sóng, ngay cả trong các trường hợp cổ điển.

Nhầm lẫn về nguyên tắc không chắc chắn

Rất phổ biến đối với nguyên tắc không chắc chắn bị nhầm lẫn với hiện tượng hiệu ứng quan sát viên trong vật lý lượng tử, chẳng hạn như biểu hiện trong thí nghiệm suy nghĩ mèo của Schroedinger. Đây thực sự là hai vấn đề hoàn toàn khác nhau trong vật lý lượng tử, mặc dù cả hai đều đánh thuế tư duy cổ điển của chúng ta. Nguyên lý bất định thực sự là một hạn chế cơ bản đối với khả năng đưa ra những tuyên bố chính xác về hành vi của một hệ lượng tử, bất kể hành động thực tế của chúng ta có thực hiện quan sát hay không. Mặt khác, hiệu ứng quan sát viên ngụ ý rằng nếu chúng ta thực hiện một loại quan sát nhất định, bản thân hệ thống sẽ hành xử khác với nó nếu không có sự quan sát đó.

Sách về Vật lý lượng tử và Nguyên lý bất định:

Do vai trò trung tâm của nó trong các nền tảng của vật lý lượng tử, hầu hết các cuốn sách khám phá cõi lượng tử sẽ đưa ra lời giải thích về nguyên lý bất định, với mức độ thành công khác nhau. Dưới đây là một số cuốn sách làm điều đó tốt nhất, theo ý kiến của tác giả khiêm tốn này. Hai cuốn sách nói chung về vật lý lượng tử nói chung, trong khi hai cuốn kia có nhiều tiểu sử như khoa học, đưa ra những hiểu biết thực sự về cuộc sống và công việc của Werner Heisenberg:

Câu chuyện tuyệt vời về cơ học lượng tử của James Kakalios

Vũ trụ lượng tử của Brian Cox và Jeff Forshaw

Vượt xa sự không chắc chắn: Heisenberg, Vật lý lượng tử và Bom của David C. Cassidy

Sự không chắc chắn: Einstein, Heisenberg, Bohr và Cuộc đấu tranh cho linh hồn của khoa học của David Lindley

Tags
Back to top button