Принцип неопределённости Гейзенберга

Принцип Гейзенберга играет в квантовой механике ключевую роль потому, что  достаточно наглядно объясняет, как и почему микромир отличается от знакомого нам материального мира.

В обычном мире, измеряя положение и скорость тела в пространстве, мы на него практически не воздействуем. Таким образом, в идеале мы можем одновременно измерить и скорость, и координаты объекта абсолютно точно (иными словами, с нулевой неопределённостью. В мире квантовых явлений, однако, любое измерение воздействует на систему (поскольку само измерение происходит тоже при помощи квантов, взаимодействующих с измеряемой частицей). Сам факт проведения измерения, например, местоположения частицы, приводит к изменению её скорости, причем непредсказуемому (и наоборот).

На самом деле, если удастся с нулевой погрешностью (абсолютно точно) определить одну из измеряемых величин, неопределённость другой величины будет равняться бесконечности и о ней не будет известно ничего. Иными словами, если бы нам удалось абсолютно точно установить координаты квантовой частицы, о её скорости мы не имели бы ни малейшего представления; если бы нам удалось точно зафиксировать скорость частицы, мы бы понятия не имели, где она находится.

Однако некоторые ученые выводят из принципа неопределённости довольно любопытные теории.

Двухщелевой опыт

«	…в теоретической физике нам удается объяснить то, что мы уже не можем себе представить	»
— Лев Давидович Ландау

При первых выводах Юнга, вытекало, что фотон имеет свойства и волны и частицы одновременно! Однако, обнаружилось, что он существует, как частица, а взаимодействует как волна. В классическом двухщелевом опыте свет проходит через две щели и падает на экран, где появляются тёмные и светлые интерференционные полосы. Это можно объяснить тем, что в некоторых местах световые волны взаимно усиливаются, а в других — гасятся. С другой стороны, эксперимент показывает, что свет обладает и свойствами потока частиц, а такие объекты, как электроны могут проявлять и волновые свойства и тоже могут давать интерференционную картину.

Каковы же буду результаты , если выпускать по одному фотону или электрону за раз? Как оказывается единый и неделимый квант как бы пролетает через обе щели и интерферирует на экране сам с собою («…подобные опыты многократно повторялись, в том числе и с летящими „поштучно“ электронами.»).

Но если же установить регистрирующие детекторы, в этом случае квант будет всегда пойман выходящим из одной из щелей, но никогда из обеих (что логично, если учесть, что квант неделим по определению). И да, интерференционная картина на экране при этом исчезает (заменяется на нормальное распределение).

Что будет, если установить только один детектор возле одной из щелей? Происходит то, что даже если квант не был пойман детектором (пролетел через другую щель), интерференция на экране все равно исчезает (то есть квант «узнал», что его меряют у другой щели и отказался интерферировать с запомоенной своей «частью», поведя себя как частица, а не как волна). Этот эксперимент разрывает всякое представление о действительности.

И если же провести наблюдение, когда квант уже прошёл через щели, но ещё не попал на экран, квант опять, как при запуске, становится частицей. Квант ведёт себя так, будто вернулся в прошлое и прошёл не через две щели, а только через одну, как будто никогда и не проявлял свойств волны (подробнее запросу «эксперимент с отложенным выбором»).

ЧСХ, первый натурный опыт с интерференцией частицы с самой собой, был сделан именно на электронах, а не на фотонах. Сначала, в 1927 году обнаружили просто дифракцию электронов на кристалле, после чего в 1947 году товарищъ В. А. Фабрикантъ научился стрелять электроны строго по одному. Было ясно, что интерференция света наблюдается даже на не очень-то монохроматическом свете, где каждый фотон на небольшую величину отличается от других по длине волны и фазе. Следовательно, интерференционные полосы есть результат взаимодействия фотонов с самими собой, а не с соседними.

Однако чем больше система, тем выше её подверженность внешним воздействиям. В крупных комплексных системах, состоящих из большого колличества атомов, декогеренция (процесс переведения суперпозиции в смесь) происходит почти мгновенно, и по этой причине широко известный кот Шрёдингера не может быть одновременно мертвым и живым на каком-либо поддающемся измерению отрезке времени.