Kwantummechanica houdt zich aan heel andere wetten dan de klassieke fysica. Veel invloedrijke wetenschappers hebben op dit gebied gewerkt, waaronder Albert Einstein, Erwin Schrodinger, Werner Heisenberg, Niels Bohr, Louis De Broglie, David Bohm en Wolfgang Pauli.

De standaard Kopenhagen-interpretatie van de kwantumfysica stelt dat alles dat kan bekend zijn wordt gegeven door de golffunctie. Met andere woorden, we kunnen bepaalde eigenschappen van kwantumdeeltjes niet absoluut kennen. Velen hebben dit idee verontrustend gevonden en stelden allerlei gedachte-experimenten en alternatieve interpretaties voor, maar de wiskunde die consistent is met de oorspronkelijke interpretatie is nog steeds duidelijk.
Golflengte en positie

Denk eraan om een touw herhaaldelijk op en neer te schudden , waardoor er een golf naar beneden reist. Het is logisch om te vragen wat de golflengte is - dit is eenvoudig genoeg om te meten - maar minder zinvol om te vragen waar de golf is, omdat de golf echt een continu fenomeen is langs het touw.

In tegenstelling, als een enkele golfpuls wordt over het touw gezonden om te identificeren waar het eenvoudig wordt, maar het bepalen van de golflengte is niet langer logisch omdat het geen golf is.

Je kunt je ook alles daartussen voorstellen: een golfpakket verzenden langs het touw, bijvoorbeeld, is de positie enigszins gedefinieerd, en de golflengte ook, maar niet beide volledig. Dit verschil vormt de kern van het onzekerheidsprincipe van Heisenberg.
Wave-Particle Duality

Je zult mensen de woorden foton en elektromagnetische straling door elkaar gebruiken, hoewel het lijkt alsof het verschillende dingen zijn. Wanneer we het over fotonen hebben, hebben ze het meestal over de deeltjeseigenschappen van dit fenomeen, terwijl wanneer ze het hebben over elektromagnetische golven of straling, ze het hebben over golfachtige eigenschappen.

Fotonen of elektromagnetische straling vertonen wat wordt genoemd "particle-wave duality.", 3, [[In bepaalde situaties en in bepaalde experimenten vertonen fotonen deeltjesachtig gedrag. Een voorbeeld hiervan is het foto-elektrisch effect, waarbij licht dat een oppervlak raakt de afgifte van elektronen veroorzaakt. De bijzonderheden van dit effect kunnen alleen worden begrepen als licht wordt behandeld als afzonderlijke pakketten die de elektronen moeten absorberen om te worden uitgezonden.

In andere situaties en experimenten gedragen ze zich meer als golven. Een goed voorbeeld hiervan zijn de interferentiepatronen die zijn waargenomen in experimenten met één of meerdere spleten. In deze experimenten wordt licht door nauwe, dicht op elkaar liggende spleten geleid en als gevolg daarvan produceert het een interferentiepatroon dat consistent is met wat u in een golf zou zien.

Zelfs vreemdeling, fotonen zijn niet het enige dat deze dualiteit vertonen. Inderdaad, alle fundamentele deeltjes, zelfs elektronen en protonen, lijken zich zo te gedragen! Hoe groter het deeltje, hoe korter de golflengte, dus hoe minder deze dualiteit verschijnt. Dit is de reden waarom we zoiets helemaal niet op onze dagelijkse macroscopische schaal opmerken.
Quantummechanica interpreteren

In tegenstelling tot het duidelijke gedrag van de wetten van Newton, vertonen kwantumdeeltjes een soort vaagheid. Je kunt niet precies zeggen wat ze doen, maar alleen kansen geven wat meetresultaten kunnen opleveren. En als je instinct moet aannemen dat dit komt door een onvermogen om dingen nauwkeurig te meten, zou je onjuist zijn, althans in termen van de standaardinterpretaties van de theorie.

De zogenaamde Kopenhagen-interpretatie van de kwantumtheorie stelt dat alles wat bekend kan zijn over een deeltje is opgenomen in de golffunctie die het beschrijft. Er zijn geen aanvullende verborgen variabelen of dingen die we gewoon niet hebben ontdekt die meer details zouden geven. Het is fundamenteel vaag, om zo te zeggen. Het Heisenberg-onzekerheidsprincipe is gewoon een andere ontwikkeling die deze vaagheid stolt.
Heisenberg-onzekerheidsprincipe

Het onzekerheidsprincipe werd voor het eerst voorgesteld door zijn naamgenoot, de Duitse natuurkundige Werner Heisenberg, in 1927 terwijl hij werkte bij het instituut van Neils Bohr ", 3, [[Hij publiceerde zijn bevindingen in een artikel getiteld 'Over de perceptuele inhoud van kwantumtheoretische kinematica en mechanica.'

Het principe stelt dat de positie van een deeltje en het momentum van een deeltje (of de energie en de tijd van een deeltje) deeltje) kunnen niet beide tegelijkertijd met absolute zekerheid bekend zijn. Dat wil zeggen, hoe preciezer u de positie kent, hoe minder nauwkeurig u het momentum kent (dat direct verband houdt met de golflengte) en vice versa.

Toepassingen van het onzekerheidsprincipe zijn talrijk en omvatten deeltjesbeperking (bepalen de benodigde energie om een deeltje binnen een bepaald volume te bevatten), signaalverwerking, elektronenmicroscopen, begrip van kwantumfluctuaties en nulpuntsenergie.
Onzekerheidsrelaties

De primaire onzekerheidsrelatie wordt uitgedrukt als de volgende ongelijkheid:
\\ sigma_x \\ sigma_p \\ geq \\ frac {\\ hbar} {2}

waar ℏ de constante van Planck is en σ _{x
en σ p
zijn respectievelijk de standaardafwijking van positie en momentum. Merk op dat hoe kleiner de standaarddeviatie wordt, hoe groter de andere moet worden om te compenseren. Als gevolg hiervan geldt dat hoe nauwkeuriger u de ene waarde kent, hoe minder precies u de andere kent.}

Aanvullende onzekerheidsrelaties omvatten onzekerheid in orthogonale componenten van hoekmomentum, onzekerheid in tijd en frequentie in signaalverwerking, onzekerheid in energie en tijd, enzovoort.
De bron van onzekerheid

Een veel voorkomende manier om de oorsprong van onzekerheid te verklaren is om het te beschrijven in termen van meting. Bedenk dat, om bijvoorbeeld de positie van een elektron te meten, er op een of andere manier interactie mee nodig is - meestal het raken met een foton of een ander deeltje.

Echter, de handeling van het raken met het foton veroorzaakt zijn momentum om te veranderen. Niet alleen dat, er is een zekere mate van onnauwkeurigheid in de meting met het foton dat hoort bij de golflengte van het foton. Een nauwkeurigere positiemeting kan worden bereikt met een foton met een kortere golflengte, maar dergelijke fotonen dragen meer energie en kunnen dus een grotere verandering in het momentum van het elektron veroorzaken, waardoor het onmogelijk is om zowel positie als momentum met perfecte nauwkeurigheid te meten.

Hoewel de meetmethode het zeker moeilijk maakt om de waarden van beide gelijktijdig te verkrijgen, zoals beschreven, is het werkelijke probleem fundamenteler dan dat. Het gaat niet alleen om onze meetmogelijkheden; het is een fundamentele eigenschap van deze deeltjes dat ze niet tegelijkertijd een goed gedefinieerde positie en momentum hebben. De redenen liggen in de eerder gemaakte "wave on a string".
Onzekerheidsprincipe toegepast op macroscopische metingen

Een veelgestelde vraag die mensen stellen met betrekking tot de vreemdheid van kwantummechanische fenomenen is hoe komt het dat ze ' zie je deze vreemdheid op de schaal van alledaagse voorwerpen?

Het blijkt niet dat de kwantummechanica gewoon niet van toepassing is op grotere objecten, maar dat de vreemde effecten ervan op grote schaal te verwaarlozen zijn. Dualiteit van deeltjesgolven wordt bijvoorbeeld niet op grote schaal opgemerkt omdat de golflengte van materiegolven verdwijnend klein wordt, vandaar het deeltjesachtige gedrag dat domineert.

Overweeg wat betreft het onzekerheidsprincipe hoe groot is het getal aan de rechterkant van de ongelijkheid. ℏ /2 \u003d 5.272859 × 10 ^{-35 kgm 2 /s. Dus de onzekerheid in positie (in meters) maal de onzekerheid in momentum (in kgm /s) moet groter zijn dan of gelijk aan deze. Op de macroscopische schaal betekent dit dat we deze grens onmogelijk kunnen bereiken. Een object van 1 kg kan bijvoorbeeld worden gemeten met een momentum van 1,00000000000000000 ± 10 -17 kgm /s terwijl het zich op een positie van 1.00000000000000000 ± 10 -17 m bevindt en nog steeds meer dan voldoet aan de ongelijkheid.}

Macroscopisch gezien is de rechterkant van de onzekerheid ongelijkheid relatief klein om verwaarloosbaar te zijn, maar de waarde is niet verwaarloosbaar in kwantumsystemen. Met andere woorden: het principe is nog steeds van toepassing op macroscopische objecten - het wordt gewoon irrelevant vanwege hun grootte!