Микроскоп Гейзенберга

Микроскоп Гейзенберга — это мысленный эксперимент, предложенный Вернером Гейзенбергом , который послужил ядром некоторых общепринятых идей о квантовой механике . В частности, он обеспечивает аргументацию в пользу принципа неопределенности на основе принципов классической оптики .

Концепция подверглась критике ^{[ нужны разъяснения ]} наставником Гейзенберга Нильсом Бором , а теоретические и экспериментальные разработки показали, что интуитивное объяснение Гейзенберга ^{[ нужны разъяснения ]} его математический результат может вводить в заблуждение. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]} Хотя сам акт измерения действительно приводит к неопределенности, потеря точности меньше, чем предсказывает аргумент Гейзенберга при измерении на уровне отдельного состояния . Однако формальный математический результат остается в силе, и первоначальный интуитивный аргумент также был подтвержден математически, когда понятие возмущения ^{[ нужны разъяснения ]} расширяется, чтобы стать независимым от какого-либо конкретного государства. ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}

Аргумент Гейзенберга

Гейзенберг полагает, что электрон подобен классической частице , движущейся в $x$ направлении вдоль линии под микроскопом. Пусть конус световых лучей, выходящих из линзы микроскопа и фокусирующихся на электроне, образует угол $\varepsilon$ с электроном. Позволять $\lambda$ быть длиной волны световых лучей. Тогда, согласно законам классической оптики, микроскоп может определить положение электрона только с точностью до ^{[ 5 ]}^: 21^{[ 6 ]}

\Delta x={\frac {\lambda }{\sin \varepsilon }}.

Наблюдатель воспринимает изображение частицы, потому что лучи света падают на частицу и отражаются через микроскоп обратно в глаз наблюдателя. Из экспериментальных данных мы знаем, что когда фотон сталкивается с электроном, последний испытывает комптоновскую отдачу с импульсом, пропорциональным $h/\lambda$ , где $h$ — постоянная Планка . Однако степень «отдачи не может быть точно известна, поскольку направление рассеянного фотона внутри пучка лучей, попадающих в микроскоп, не определено». ^{[ нужна ссылка ]} В частности, импульс электрона в $x$ направление определяется только до ^{[ 6 ]}

\Delta p_{x}\approx {\frac {h}{\lambda }}\sin \varepsilon .

Объединение отношений для $\Delta x$ и $\Delta p_{x}$ , мы, таким образом, имеем ^{[ 6 ]}

\Delta x\Delta p_{x}\approx \left({\frac {\lambda }{\sin \varepsilon }}\right)\left({\frac {h}{\lambda }}\sin \varepsilon \right)=h

,

Гейзенберга что является приближенным выражением принципа неопределенности . ^{[ нужна ссылка ]}

Анализ аргумента

Гейзенберга Хотя мысленный эксперимент был сформулирован как введение в принцип неопределенности , один из столпов современной физики, он атакует сами предпосылки, на которых он был построен, способствуя тем самым развитию области физики, а именно квантовой механики, которая переопределили термины, в соответствии с которыми был задуман первоначальный мысленный эксперимент.

Некоторые интерпретации квантовой механики задаются вопросом, действительно ли электрон имеет определенное положение до того, как он будет нарушен измерением, используемым для установления указанного определенного положения. Согласно копенгагенской интерпретации, электрон имеет некоторую вероятность появиться в любой точке Вселенной, хотя вероятность того, что он окажется далеко от ожидаемого места, становится очень низкой на больших расстояниях от окрестности, в которой он первоначально был обнаружен. Другими словами, «положение» электрона можно определить только с точки зрения распределения вероятностей , как и предсказание того, куда он может двигаться. ^{[ нужна ссылка ]}

См. также

Ссылки

^ Ли А. Розема; и др. (6 сентября 2012 г.). «Нарушение соотношения Гейзенберга измерение-возмущение слабыми измерениями». Физ. Преподобный Летт . 109 (18): 100404. arXiv : 1208.0034 . Бибкод : 2012PhRvL.109j0404R . doi : 10.1103/PhysRevLett.109.100404 . ПМИД 23005268 . S2CID 37576344 .
^ «Ученые ставят под сомнение принцип неопределенности Гейзенберга» . Наука Дейли . 7 сентября 2012 г.
^ Пол Буш ; Пекка Лахти; Ричард Вернер (октябрь 2013 г.). «Доказательство соотношения ошибки и возмущения Гейзенберга». Письма о физических отзывах . 111 (16): 160405. arXiv : 1306.1565 . Бибкод : 2013PhRvL.111p0405B . doi : 10.1103/PhysRevLett.111.160405 . ПМИД 24182239 . S2CID 24507489 .
^ Летт, Кэрон (17 октября 2013 г.). «Ученые доказывают правильность интуиции Гейзенберга» . Университет Йорка.
^ Вернер Гейзенберг (1949). Физические основы квантовой теории . Публикации Courier Dover. ISBN 978-0-486-60113-7 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Ричмонд, Майкл. «Микроскоп Гейзенберга» . Проверено 1 сентября 2016 г.

Источники

Аксель, Амир (2003). Запутанность: невероятная история о том, как ученые, математики и философы доказали самую жуткую теорию Эйнштейна . Нью-Йорк: Плюм. п. 77-79. ISBN 978-0-452-28457-9 . OCLC 53378914 .
Бор, Н. (1928). «Квантовый постулат и новейшее развитие атомной теории» . Природа . 121 (3050). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 580–590. Бибкод : 1928Natur.121..580B . дои : 10.1038/121580a0 . ISSN 0028-0836 . S2CID 4097746 .
Гейзенберг, Вернер (2007). Физика и философия: революция в современной науке . Нью-Йорк: HarperPerennial. п. 46. ИСБН 978-0-06-120919-2 . OCLC 135128032 .
Мессия, Альберт (2014). Квантовая механика . Том. I. Дуврские публикации. п. 143. ИСБН 978-0-486-78455-7 . OCLC 874097814 .
Ньюман, Джеймс (2003). Набор «Мир математики» . Том. II. Город: Dover Publications. п. 1051-1055. ISBN 978-0-486-43268-7 . OCLC 691512261 .

Внешние ссылки

История микроскопа Гейзенберга. Архивировано 2 декабря 2005 г. в Wayback Machine.
Лекции о микроскопе Гейзенберга

[1] Ли А. Розема; и др. (6 сентября 2012 г.). «Нарушение соотношения Гейзенберга измерение-возмущение слабыми измерениями». Физ. Преподобный Летт . 109 (18): 100404. arXiv : 1208.0034 . Бибкод : 2012PhRvL.109j0404R . doi : 10.1103/PhysRevLett.109.100404 . ПМИД 23005268 . S2CID 37576344 .

[2] «Ученые ставят под сомнение принцип неопределенности Гейзенберга» . Наука Дейли . 7 сентября 2012 г.

[3] Пол Буш ; Пекка Лахти; Ричард Вернер (октябрь 2013 г.). «Доказательство соотношения ошибки и возмущения Гейзенберга». Письма о физических отзывах . 111 (16): 160405. arXiv : 1306.1565 . Бибкод : 2013PhRvL.111p0405B . doi : 10.1103/PhysRevLett.111.160405 . ПМИД 24182239 . S2CID 24507489 .

[4] Летт, Кэрон (17 октября 2013 г.). «Ученые доказывают правильность интуиции Гейзенберга» . Университет Йорка.

[Heisenberg1949-5] Вернер Гейзенберг (1949). Физические основы квантовой теории . Публикации Courier Dover. ISBN 978-0-486-60113-7 .

[Richmond2016-6] Перейти обратно: ^а ^б ^с Ричмонд, Майкл. «Микроскоп Гейзенберга» . Проверено 1 сентября 2016 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]