Принцип неопределенности Гейзенберга

Балда · 12.02.2013, 05:29

Наблюдение влияет на предмет наблюдения.
(когда вы смотрите на что то вы изменяете это)

принцип неопределенности Гейзенберга для химии живого вещества
В.А. Перцов
Harvard University Cambridge, U.S.A.

Гейзенберговский принцип неопределенности может быть описан как невозможность «подглядывания в Природу» без того, чтобы не потревожить ее. Когда мы опускаемся до мельчайших частиц, в физике, то даже лишь простой факт наблюдения нарушает условия, в которых находится частица.

Аналогия может помочь визуализировать эту трудность. Предположим, некто хочет измерить расстояние между двумя пушечными ядрами, покоящимися на плоской горизонтальной поверхности. Имеется достаточная сила тяжести, чтобы предотвратить ядра от движения, когда измерительная линейка слегка приложена. В этом случае, измерение возможно. Теперь, предположим, что измерения должны быть сделаны в (космическом) пространстве, где нет гравитационного поля. От простого прикосновения шары начнут движение и в вакууме продолжат свое движение. Здесь измерение становится невозможным. Та же ситуация будет в результате использования предельно малых ядер.

Еще одна иллюстрация, уже использованная многими авторами, может быть взята из совершенно другой сферы. Предположим мы хотим определить цвет субстанции, которая выцветает, когда оказывается на свету. Здесь мы снова встречаемся с той же самой трудностью: использование нашего инструмента для измерения нарушает равновесие предмета нашего эксперимента.

Эти сложности, без сомнения присущие нашим пространственно-временным определениям, ощущаются порой в аналогичной манере исследователями химии живого вещества. Действительно, некоторые субстанции, которые могут попасть в руки биохимиков экстраординарно чувствительны и трудны для измерений. Проблема даже шире, так как биохимия есть только инструмент, который используется, чтобы приобрести понимание живой материи.

Среди подходов к этому вопросу, используемых в настоящее время, находится физиология, которая унаследовала свои методы из медицины. Она процветает на необычной устойчивости жизни и способности организма компенсировать любую потерю и его умение переустановить любое нарушенное равновесие. Она использует нож исключительно редко и с величайшим благоразумием.

Еще один метод в сущности состоит из первого метода, связанного с физикой и химией, но только формально. С физической точки зрения он всецело уникален. Он включает изолирование и изучение того, что уже является изолированным самой Природой. Это утверждение может показаться немного парадоксальным, но как во всех важных достижениях, его простота есть его достоинство.

Кровь, будучи изолированной в венах и артериях является уникальным полем для подобного подхода. Она может быть получена и изучена мощными методами физической химии с уверенностью, что это часть живой материи. В менее решительном направлении, этот метод расширен до изучения индивидуальных мышц и нервов.

Последний метод является давно известным. Это метод разрушения. Я почти готов сказать, что он неизбежен в наших пространственно-временных координатах. Возможно, это так. В любом случае он присущ в нашей любознательности и рано проявляется желанием разбирать часы или велосипед. Метод ребяческий по своей простоте, а потому очень действенный. Он имеет больше приверженцев, чем любой другой метод. С точки зрения классической физики (я имею в виду физику последнего 19 века) это звучит экстремально.

Его природа может быть суммирована в нескольких словах: разложить все элементы, из которых основывается живая материя и после изучения их природы, собрать их вновь вместе. Этот метод на первый взгляд, как будто, не имеет ограничений: все части могут быть разъединены и все могут быть соединены вместе. Первая часть этого подхода обогащена многочисленным и интересным материалом, но вторая половина, «собрать все вместе» прогрессирует, но мало. Нет сомнения, сложность частично лежит в недостаточном знании разных частиц, составляющих живую материю, но мы подозреваем, что значительный источник неопределенности возникает из слишком неумолимых методов, используемых в их дезинтеграции. Имеется слишком много «недостающих связей», о которых мы знаем мало или совсем ничего.

Эффективность оценочных сущностей зависит от нашей восприимчивости. Мы достаточно хорошо наделены в этом отношении. Экстремально малое количество света достаточно, чтобы стимулировать наши оптические центры. Присутствие нескольких молекул достаточно, чтобы стимулировать наш орган обоняния. При надлежащей тренировке мы могли бы, вероятно, выполнять значительную часть органического анализа просто по запаху. В этом отношении достижения самых известных дегустаторов вина оценены по достоинству.

С помощью подходящих механических устройств мы очень расширили наши наблюдательные возможности. Нет сомнения, мы можем видеть и измерять путь отдельного электрона. За последние пятьдесят лет открыты многие явления, существование которых никогда даже не предполагалось.

Принцип неопределенности применяется к нам простым фактом того, что мы принадлежим к материальной системе. Это утверждение оставляет широкую брешь между тем, что известно о биохимических субстанциях и тем, что может быть установлено из атомной физики. Однако было бы полезно визуализировать, что может быть сделано методом «разъединения частей и соединения их затем вместе». Очевидно, в этом случае, что все вещи не могут быть разъединены без их модификации, так как мы имеем дело с элементарными частицами, к которым принцип Гейзенберга полностью применим.

Давайте рассмотрим обратный процесс: синтез. За это биохимики без сомнения ответственны.

В детстве многие из нас практиковали изысканное искусство построения высоких башен из кубиков. Насколько позволяет судить мой персональный опыт, эти попытки заканчивались следующим образом. Желание построить башню выше и выше с последним кубиком приводило к обрушению целой конструкции. И, наоборот, отнятие единственного кубика из вершины высокой башни часто приводило заканчивалось тем же результатом.

Финальные стадии синтеза живой материи могут привести к ситуации очень похожей на только что описанную. Не модифицирует ли последний атом, который мы добавляем, всю цельную конструкцию в неконтролируемую сторону? Или, в более общих терминах, не приведет ли наша попытка воздействовать или модифицировать к изменению в системе, которое не может быть измерено? Факт, что мы построили, не обязательно означает, что мы знаем, как мы это сделали.

Принцип Гейзенберга и явные физические неопределенности, которые противоречат современной физике, могут иметь прямое значение для изучающего живую материю. Отсутствие детерминизма в любом описании феномена жизни может быть в реальности присуще нашему способу наблюдения физического мира.

источник

Список последних тем раздела:

Балда · 12.02.2013, 05:35

Канадские ученые провели эксперимент, который поставил под сомнение справедливость принципа неопределенности Гейзенберга, согласно которому, у одной частицы невозможно одновременно точно измерить два параметра ее движения. Но с помощью метода "слабых" измерений физикам это удалось.

Про знаменитый принцип неопределенности существует одна весьма остроумная шутка. Представьте себе ситуацию: специалиста по квантовой физике останавливает на шоссе полицейский и спрашивает: "Вы знаете, как быстро вы ехали, сэр?" На что физик отвечает: "Нет, но я точно знаю, где я!" Многие утверждают, что этот анекдот и есть самая лучшая формулировка гейзенберговского умозаключения.

Однако если перейти от шуток к текущей реальности, то следует вспомнить, что этот самый принцип, сформулированный немецким физиком Вернером Гейзенбергом в 1927 году, до сих пор является одним из краеугольных камней квантовой механики. Коротко его можно изложить так: любая попытка измерения положения частицы меняет ее импульс, следовательно, оба этих параметра не могут быть измерены одновременно с неограниченной точностью. Впрочем, Гейзенберг считал его справедливым для любой попытки одновременного описания пары свойств квантовых объектов.

При этом следует заметить, что этот принцип был открыт вовсе не от хорошей жизни. Когда ученые погрузились в изучение механики движения элементарных частиц в атомах, они постоянно ловили себя на том, что им не удается сразу определить и угловую скорость (импульс), и местоположение электрона. Более того, эта задача оказалась нерешаемой и даже теоретически, если действовать с позиций классической физики.

И вот молодой теоретик Вернер Гейзенберг, исследуя эту проблему, пришел к парадоксальному умозаключению: подобное не получается потому, что сам акт измерения может влиять на исследуемое свойство частицы. Приведем простой пример. Допустим, ученому нужно зафиксировать пространственное местонахождение электрона. Для этого он выпускает в атом квант света (то есть фотон), который натыкается на электрон, и это событие тут же фиксируется детектором (поскольку при этом будет вспышка света). Местоположение объекта, таким образом, оказывается определенным, а вот об импульсе электрона в рамках данного эксперимента уже сказать ничего нельзя, поскольку фотон, столкнувшись с электроном, изменил его значение.

Рассуждая подобным образом, Гейзенберг даже вывел формулу, которая давала общее описание эффекта воздействия инструментов измерения на измеряемые объекты микромира. И она полностью подтвердила его предположение. В результате исследованиями коллеги заинтересовался сам Нильс Бор, который в том же году сформулировал так называемую Копенгагенскую интерпретацию квантовой механики, говорившую о том, что принцип неопределенности является непреложным законом мироздания на микроуровне.

Из нее следовало, что физическая Вселенная существует не в детерминистичной (то есть полностью определенной) форме, а скорее как набор вероятностей, или возможностей. Сторонники Копенгагенской интерпретации часто приводят такой пример: параметры изменения светового пучка, произведенного миллионами фотонов, дифрагирующими через щель, может быть вычислена при помощи квантовой механики, но точный путь каждого фотона не может быть предсказан никаким известным методом (а Бор настаивал еще и на том, что это вообще принципиально невозможно).

Именно таким образом физики превратили ясную и четкую физическую картину мира (каким его видел, например, Ньютон) в расплывчатый набор вероятностных состояний и одновременно определили предел познания человеком законов мироздания. Не удивительно, что многие ученые сразу же восстали против этого. Например, Альберт Эйнштейн, который сразу же подверг сомнению справедливость такой интерпретации, выразился по поводу нее весьма категорично: "Бог не играет в кости". Великий ученый полагал, что невозможность вычисления двух параметров одной частицы происходит из-за того, что все время или неправильно ставится эксперимент, или не учитываются какие-то неизвестные пока переменные.

Впрочем, Нильс Бор (который дал коллеге достойный ответ: "Дорогой Альберт, не надо указывать Богу, что ему следует делать") убедительно доказал, что дело тут не в постановке эксперимента и не в неполноте расчетов, а в том, что открытый Гейзенбергом принцип действительно является фундаментальным законом Вселенной. И хотя эта дискуссия продолжается последователями великих ученых до сих пор (точку зрения Бора развивает Роджер Пенроуз, а Эйнштейна — Стивен Хокинг), все-таки большинство теоретиков приняли Копенгагенскую интерпретацию как рабочую гипотезу. Они согласились считать ее верной до тех пор, пока не будет доказана возможность нарушения принципа неопределенности.

И вот, похоже, это все-таки случилось. Группа физиков из Торонто, которыми руководит профессор Ли Розема, продемонстрировала способ, с помощью которого можно непосредственно измерить оба состояния частицы с достаточно большой степенью точности. Исследователи применили метод, который был разработан еще в прошлом веке, однако эффективно был применен лишь в прошлом году, — так называемые "слабые измерения".

Суть этой методики состоит в том, что она позволяет собрать информацию о наблюдаемой величине, не оказывая существенного влияния на эволюцию квантовой системы. В реальности это выгляди так: при охлаждении жидким гелием ученым удается получить отдельные кванты света, которые после направляются в оптоволокно с внутренним светоделителем. Выходы из него соединяются с отдельными отрезками оптоволокна. За волоконными световодами устанавливался "экран" — ПЗС-камера.

Ключевым участником этого эксперимента является тонкий двоякопреломляющий кристалл кальцита CaCO3. Фотоны, выходящие из оптоволокон, налетали на этот кристалл под углом, зависящим от их поперечного импульса, а кальцит слегка изменял их поляризацию, причем это изменение также зависело от импульса. Таким образом впервые была продемонстрирована возможность достаточно точно измерить два параметра элементарной частицы одновременно (поскольку амплитуда вращения плоскости поляризации оставалась небольшой).

Так вот, группа Роземы еще более модифицировала данный метод. "Мы разработали аппарат для измерения свойства фотона — в частности, его поляризации. Затем мы определили, насколько сам фотон повлиял на аппарат. Чтобы сделать это, нам надо было измерить фотон до взаимодействия с измерительным прибором, но само это измерение также нарушало состояние фотона", — так пояснил суть модификации сам профессор Розема.

Но как же это выглядело в реальности? На самом деле, достаточно просто. Еще до того, как каждый фотон был направлен в классическое измерительное устройство (дифракционную щель), исследователи измеряли его при помощи вышеописанной техники "слабого измерения", а после измеряли повторно, сравнивая полученные результаты. В итоге оказалось, что возмущение, внесенное самим измерительным прибором, было весьма и весьма мало и им запросто можно было пренебречь.

"Каждый фотонный выстрел давал нам совсем немного информации о возмущении, но многократно повторяя эксперимент, мы смогли получить очень точное представление о том, насколько менялось квантовое состояние фотонов", — прокомментировал результаты опытов Ли Розема. При этом он подчеркнул, что хоть в данной работе и была продемонстрирована возможность точного измерения двух параметров частицы, однако для того чтобы полностью отказаться от принципа неопределенности и Копенгагенской интерпретации, нужно проделать еще много подобных исследований.

источник