Arkadiusz Jadczyk Arkadiusz Jadczyk
849
BLOG

Niepewność w kwantowej dżungli

Arkadiusz Jadczyk Arkadiusz Jadczyk Nauka Obserwuj temat Obserwuj notkę 45

W kwantowej dżungli grasują kwantowe tygrysy. Kwantowy tygrys jest jednocześnie w wielu miejscach – trudno w niego trafić! Oto jak rzecz przedstawiał Gamow s swojej pięknej książeczce „Mister Tompkins w krainie czarów” ( w nowym wydaniu, Prószyński i ska, „Mister” stał się „Panem”)

kwantowe tygrysy

Tygrys oczywiście pręży się do skoku, zamieńmy go oscylatorem i zbadajmy sprawę dokładniej. Oscylator co prawda nie taki straszny jak tygrys, za to formuły matematyczne mogą straszyć. I dobrze – tak ma być, bo tak jest. Ludzie płacą pieniądze by pojechać do dżungli i się tam dobrze przestraszyć.

Kwantowy tygrys-oscylator jest rozmyty. To rozmycie trzeba zmierzyć. Istnieje standardowa miara rozmycia – odchylenie standardowe. Nawet GUS wie co to takiego. Nazwiemy je krótko: niepewnością. Heisenberg też to wiedział, no i wyliczył, że dla dowolnego stanu kwantowego iloczyn niepewności pędu i położenia nigdy ale to nigdy nie może być mniejszy niż połowa stałej Plancka ℏ (tak naprawdę zrobił to Kennard, a nie Heisenberg, ale nazwa przylgnęła do Heisenberga). W Wikipedii nazywa się to „zasadą nieoznaczoności”:

zasada nieoznaczoności

Wyliczmy odchylenia standardowe położenia i pędu dla kwantowego oscylatora harmonicznego w stanach o określonych energiach. Rozkłady prawdopodobieństw w tych stanach znamy. Pokazywałem ich animację w notce Kwantowe samouctwo. Gęstość prawdopodobieństwa to kwadrat modułu funkcji falowej, wzory tam były, rozkład prawdopodobieństwa położeń w stanie o n kwantach energii dana jest wzorem:

hramonic oscillator eiegenstates probability distributions

Hn to wielomiany Hermite'a.

To właśnie funkcje Pn(x) malowałem na animacji dla różnych n:

quantum harmonic oscillator eigenstates animation

Rozkłady są symetryczne względem zera. Stąd średnie położenie jest zerem. By wyliczyć kwadrat odchylenia standardowego trzeba wyliczyć całkę z x2 Pn(x). Można to zrobić czy to korzystając z tablic całek, czy to z programu. Ja korzystam z programu Mathematica. Program nie zawsze daje inteligentne odpowiedzi. W tym konkretnym przypadku, przy niesprecyzowanym n, Mathematica twierdzi, że całka jest rozbieżna. Ale dla każdego konkretnego n całkę wylicza i nawet potrafi zgadnąć ogólną formułę. A ogólna formuła na standardowe odchylenie Δ x w stanie z numerkiem n jest taka:

Δ x = √ (n+1/2)

A co z Δ p?

Przypomnę fragment z notki Prawdopodobieństwa, których nie rozumiem:

Z oscylatorem jednak mamy do czynienia z wyjątkową symetrią pomiędzy położeniem i pędem. W przyjętym przeze mnie układzie jednostek (masa 1, częstość 1, stała sprężystości 1) wyrażenie na energię oscylatora o pędzie p i położeniu x to

E = (p2 + x2)/2

Pełna symetria pomiędzy x i p.

Dla pędów otrzymamy dokładnie ten sam wynik:

Δ p = √ (n+1/2)

Mnożąc dostajemy

Δ x Δ p = (n+1/2)

Iloczyn nieoznaczoności pędu i położenia rośnie wraz n. Dla n=0 jest najmniejszy. Wtedy iloczyn jest równy 1/2. Ponieważ pracuję w układzie jednostek gdzie stała Plancka ℏ = 1, widzimy, że dla n=0 (stan podstawowy, stan o najniższej energii, „próżnia kwantowa”) osiągamy minimum nieoznaczoności, to minimum poza które zasada niepewności zejść nie pozwala, ale pozwala je osiągnąć. W innych stanach, w stanach wzbudzonych oscylatora, tygrysy rozmywają się tak w położeniach jak i w pędach. W tygrysa o dużej energii trafić w ogóle nie sposób! Hmmm... A jednak w tygrysy trafiamy! Liczby mogą wprowadzać w błąd, zwłaszcza gdy się nie zwraca uwagi na miana fizyczne, gdy się wybiera jednostki zacierające różnice pomiędzy tym co „dla nas”, ludzi, małe a co duże. Trzeba będzie się tym zająć, wrócić do metrów i kilogramów  ….

Naukowiec, zainteresowany obrzeżami nauki. Katalog SEO Katalog Stron map counter Życie jest religią. Nasze życiowe doświadczenia odzwierciedlają nasze oddziaływania z Bogiem. Ludzie śpiący są ludźmi małej wiary gdy idzie o ich oddziaływania ze wszystkim co stworzone. Niektórzy ludzie sądzą, że świat istnieje dla nich, po to, by go pokonać, zignorować lub zgasić. Dla tych ludzi świat zgaśnie. Staną się dokładnie tym co dali życiu. Staną się jedynie snem w "przeszłości". Ci co baczą uważnie na obiektywną rzeczywistość wokół siebie, staną się rzeczywistością "Przyszłości" Lista wszystkich wpisów  

Nowości od blogera

Komentarze

Inne tematy w dziale Technologie