Kvantinė fizika: Neapibrėžtumo principas

Mokslininkas Heizenbergas (Heizenberg) išstudijavęs gautus eksperimentų rezultatus sukūrė daug formulių apibūdinančių dalelių neapibrėžtumą. Kas tai?

Kadangi, kaip jau išsiaiškinome, dalelė yra kartu ir banga ir gali egzistuoti superpozicijoje, tiksliai nusakyti jos parametrų negalime (kuo tiksliau nustatysime dalelės greitį tam tikru laiko momentu tuo jos pozicija erdvėje bus netikslesnė). Taip yra dėl dalelės banginių savybių (juk negalime pasakyti kur yra vandens banga nes ji driekiasi keliasdešimt metrų).

Šioje iliustracijoje matome, kad tikslinant greičio (mėlynas) rodmenis, mažėja pozicijos tikslumo amplitudė (raudona). Iš tikrųjų, čia vaizduojama banginė dalelės funkcija (X,t), tačiau čia jau prasideda sudėtingi matematiniai mechanizmai ir apie tai kalbėsime daug vėliau.

Dar viena interpretacija naudoja izoliuoto atomo modelį. Įsivaizduokime, kad atomas sukištas į stačiakampio gretasienio formos „dėžę“ atsimušinėja nuo vienos sienos į kitą. Kai dėžė didelė mes galime numatyti jo greitį (žinodami per kiek laiko jis pralekia dėžę) tačiau „sunku“ nustatyti atomo padėtį skriejant nuo sienos iki sienos, tačiau jei vieną dėžės sieną stumsime prie kitos vis tiksliau žinodami, kad atomas bus būtent likusiame tūryje negalėsime nurodyti jo tikslaus greičio – jis labai greitai ir neapibrėžtai trankysis į sieneles.

Kvantinis tunelinis efektas

Išgirdę apie ypatingas kvantų savybes (superpoziciją, dualumą ir neapibrėžtumą) galime toliau nagrinėti neįprastus reiškinius. Vienas keisčiausių tokių reiškinių yra taip vadinamas „Kvantinis tunelinis efektas“ (angl. quantum tunneling).

Turime kamuoliuką kurį ridename į kalną. Jei jo energija nepakankama (tai žinoma priklauso nuo jį veikiančios jėgos, bet čia to nenagrinėsime) į kalną jis neužriedės. Dabar pažiūrėkime kaip šis dėsnis veiks atomų lygmenyje. Gal kam nors iškils klausimas kur atomų pasaulyje rasime kalną 🙂 Jis slypi pačiame atome. Kad elektronas peršoktų iš žemesnio energijos lygmens į aukštesnį jis turi gauti energijos (fotono pavidalu). Taigi vaizduokime elektroną esantį energijos duobėje. Jis turi gauti energijos, kad iš jos „išliptų“ (pakiltų lygmeniu į viršų). Net be absorbuoto kvanto elektronai kartais peršoka į aukštesnį lygmenį. Tai įvyksta dėl neapibrėžtumo principo kuris neleidžia tiksliai nurodyti dalelės padėties. Tai reiškia, kad yra nenulinė galimybė elektronui atsidurti už barjero! Tai praktiškai reiškia, kad elektronai GALI PEREITI \“KIAURAI SIENAS\“! Dar vienas stebuklas iš kvantinės fizikos.

Na straipsnio pabaigai pabandysiu paaiškinti šio reiškinio vardo kilmę. Įsivaizduokime, kad prizme kyla spiralė. Pirma ji turės kilti iki pat prizmės viršūnės, tada dar reikės ją stumti iki likusios dalies vidurio (taip, kad spiralės centras būtu ant prizmės briaunos) tačiau vėliau pati spiralė likusią savo dalį nutrauks žemyn. Taip įvyksta todėl, kad nors pati spiralė juda kampine trajektorija aplink prizmę jos masės centras juda \“tuneliu\“ einančiu kiaurai prizmę. Tai tunelinio efekto analogija makropasaulyje.