Comprensione del principio di incertezza di Heisenberg

Il principio di incertezza di Heisenberg è uno dei cardini della fisica quantistica, ma spesso non è compreso a fondo da coloro che non lo hanno studiato attentamente. Mentre, come suggerisce il nome, definisce un certo livello di incertezza ai livelli fondamentali della natura stessa, quell'incertezza si manifesta in modo molto limitato, quindi non ci influenza nella nostra vita quotidiana. Solo esperimenti attentamente costruiti possono rivelare questo principio al lavoro. 

Nel 1927, il fisico tedesco Werner Heisenberg pubblicò quello che è diventato noto come Principio di incertezza di Heisenberg (o solo principio di incertezza o, a volte, Principio di Heisenberg). Mentre tentava di costruire un modello intuitivo di fisica quantistica, Heisenberg aveva scoperto che c'erano alcune relazioni fondamentali che ponevano limitazioni su quanto potessimo conoscere determinate quantità. In particolare, nell'applicazione più semplice del principio:

Più precisamente conosci la posizione di una particella, meno precisamente puoi simultaneamente conoscere lo slancio di quella stessa particella.

Rapporti di incertezza di Heisenberg

Il principio di incertezza di Heisenberg è un'affermazione matematica molto precisa sulla natura di un sistema quantistico. In termini fisici e matematici, limita il grado di precisione di cui possiamo mai parlare di avere un sistema. Le seguenti due equazioni (mostrate anche, in forma più carina, nella parte superiore di questo articolo), chiamate relazioni di incertezza di Heisenberg, sono le equazioni più comuni legate al principio di incertezza:

Equazione 1: delta- X * delta- p è proporzionale a h-bar
Equazione 2: delta- E * delta- t è proporzionale a h-bar

I simboli nelle equazioni precedenti hanno il seguente significato:

• h-bar: chiamata "costante di Planck ridotta", ha il valore della costante di Planck divisa per 2 * pi.
• delta-X: Questa è l'incertezza nella posizione di un oggetto (diciamo di una data particella).
• delta-p: Questa è l'incertezza nel momento di un oggetto.
• delta-E: Questa è l'incertezza nell'energia di un oggetto.
• delta-t: Questa è l'incertezza nella misurazione del tempo di un oggetto.

Da queste equazioni, possiamo dire alcune proprietà fisiche dell'incertezza di misura del sistema in base al nostro corrispondente livello di precisione con la nostra misura. Se l'incertezza in una di queste misurazioni diventa molto piccola, il che corrisponde ad avere una misurazione estremamente precisa, allora queste relazioni ci dicono che l'incertezza corrispondente dovrebbe aumentare, per mantenere la proporzionalità.

In altre parole, non possiamo misurare simultaneamente entrambe le proprietà all'interno di ciascuna equazione a un livello illimitato di precisione. Più precisamente misuriamo la posizione, meno precisamente siamo in grado di misurare simultaneamente lo slancio (e viceversa). Più precisamente misuriamo il tempo, meno precisamente siamo in grado di misurare contemporaneamente l'energia (e viceversa).

Un esempio di buon senso

Sebbene quanto sopra possa sembrare molto strano, in realtà c'è una discreta corrispondenza con il modo in cui possiamo funzionare nel mondo reale (cioè classico). Diciamo che stavamo guardando una macchina da corsa su una pista e dovevamo registrare quando ha tagliato il traguardo. Dovremmo misurare non solo il tempo in cui attraversa il traguardo, ma anche la velocità esatta con cui lo fa. Misuriamo la velocità premendo un pulsante su un cronometro nel momento in cui lo vediamo tagliare il traguardo e misuriamo la velocità guardando una lettura digitale (che non è in linea con la visione dell'auto, quindi devi girare la tua testa una volta che attraversa il traguardo). In questo caso classico, c'è chiaramente un certo grado di incertezza su questo, perché queste azioni richiedono del tempo fisico. Vedremo la macchina toccare il traguardo, premere il pulsante del cronometro e guardare il display digitale. La natura fisica del sistema impone un limite definito su quanto tutto ciò possa essere preciso. Se ti stai concentrando sul tentativo di guardare la velocità, potresti essere un po 'fuori strada quando misuri il tempo esatto attraverso il traguardo e viceversa.

Come con la maggior parte dei tentativi di utilizzare esempi classici per dimostrare il comportamento fisico quantistico, questa analogia presenta dei difetti, ma è in qualche modo correlata alla realtà fisica in atto nel regno quantico. Le relazioni di incertezza derivano dal comportamento ondoso degli oggetti su scala quantistica e dal fatto che è molto difficile misurare con precisione la posizione fisica di un'onda, anche nei casi classici.

Confusione sul principio di incertezza

È molto comune che il principio di incertezza si confonda con il fenomeno dell'effetto osservatore nella fisica quantistica, come quello che si manifesta durante l'esperimento sul pensiero del gatto di Schroedinger. Si tratta in realtà di due questioni completamente diverse all'interno della fisica quantistica, sebbene entrambe tassino il nostro pensiero classico. Il principio di incertezza è in realtà un vincolo fondamentale per la capacità di fare affermazioni precise sul comportamento di un sistema quantistico, indipendentemente dal nostro atto effettivo di fare l'osservazione o meno. L'effetto osservatore, d'altra parte, implica che se facciamo un certo tipo di osservazione, il sistema stesso si comporterà in modo diverso da come farebbe senza quell'osservazione in atto.

Libri sulla fisica quantistica e il principio di incertezza:

A causa del suo ruolo centrale nelle basi della fisica quantistica, la maggior parte dei libri che esplorano il regno quantico fornirà una spiegazione del principio di incertezza, con vari livelli di successo. Ecco alcuni dei libri che lo fanno meglio, secondo l'umile opinione dell'autore. Due sono libri di carattere generale sulla fisica quantistica nel suo insieme, mentre gli altri due sono tanto biografici quanto scientifici, fornendo spunti reali sulla vita e sul lavoro di Werner Heisenberg:

• La straordinaria storia della meccanica quantistica di James Kakalios
• L'universo quantico di Brian Cox e Jeff Forshaw
• Oltre l'incertezza: Heisenberg, Quantum Physics e la bomba di David C. Cassidy
• Incertezza: Einstein, Heisenberg, Bohr e la lotta per l'anima della scienza di David Lindley