La meccanica quantistica obbedisce a leggi molto diverse dalla fisica classica. Molti influenti scienziati hanno lavorato in questo campo, tra cui Albert Einstein, Erwin Schrodinger, Werner Heisenberg, Niels Bohr, Louis De Broglie, David Bohm e Wolfgang Pauli.

L'interpretazione standard di Copenhagen della fisica quantistica afferma che tutto ciò che può essere noto è dato dalla funzione d'onda. In altre parole, non possiamo conoscere determinate proprietà delle particelle quantistiche in termini assoluti. Molti hanno trovato questa nozione inquietante e hanno proposto ogni sorta di esperimenti di pensiero e interpretazioni alternative, ma la matematica coerente con l'interpretazione originale è ancora valida.
Lunghezza d'onda e posizione

Pensa di scuotere ripetutamente una corda su e giù , creando un'onda che la percorre. Ha senso chiedersi quale sia la lunghezza d'onda - questo è abbastanza facile da misurare - ma meno sensato chiedere dove si trova l'onda, perché l'onda è davvero un fenomeno continuo lungo tutta la corda.

Al contrario, se un impulso a onda singola viene inviato lungo la corda, identificando dove si trova diventa semplice, ma determinare la sua lunghezza d'onda non ha più senso perché non è un'onda.

Puoi anche immaginare tutto ciò che sta nel mezzo: inviare un pacchetto di onde lungo la fune, ad esempio, la posizione è in qualche modo definita e anche la lunghezza d'onda, ma non entrambe completamente. Questa differenza è al centro del principio di incertezza di Heisenberg.
Dualità onda-particella

Sentirai le persone usare le parole fotone e radiazione elettromagnetica in modo intercambiabile, anche se sembra che siano cose diverse. Quando parlano di fotoni, in genere parlano delle proprietà delle particelle di questo fenomeno, mentre quando parlano di onde o radiazioni elettromagnetiche, parlano delle proprietà simili alle onde.

I fotoni o le radiazioni elettromagnetiche mostrano ciò che viene chiamato dualità onda-particella. In alcune situazioni e in alcuni esperimenti, i fotoni mostrano un comportamento simile alle particelle. Ne è un esempio l'effetto fotoelettrico, in cui la luce che colpisce una superficie provoca il rilascio di elettroni. I dettagli di questo effetto possono essere compresi solo se la luce viene trattata come pacchetti discreti che gli elettroni devono assorbire per essere emessi.

In altre situazioni ed esperimenti, agiscono più come onde. Un esempio lampante di ciò sono gli schemi di interferenza osservati negli esperimenti a fenditura singola o multipla. In questi esperimenti, la luce viene fatta passare attraverso fessure strette e ravvicinate e, di conseguenza, produce un modello di interferenza coerente con ciò che si vedrebbe in un'onda.

Anche più strani, i fotoni non sono l'unica cosa che esibire questa dualità. In effetti, tutte le particelle fondamentali, anche elettroni e protoni, sembrano comportarsi in questo modo! Più grande è la particella, più corta è la sua lunghezza d'onda, quindi appare questa dualità. Questo è il motivo per cui non notiamo nulla del genere sulla nostra scala macroscopica di tutti i giorni.
Interpretazione della meccanica quantistica

A differenza del comportamento ben definito delle leggi di Newton, le particelle quantistiche mostrano una sorta di sfocatura. Non puoi dire esattamente cosa stanno facendo, ma dare solo probabilità di ciò che i risultati della misurazione potrebbero produrre. E se il tuo istinto è quello di supporre che ciò sia dovuto all'incapacità di misurare le cose in modo accurato, non saresti corretto, almeno in termini di interpretazioni standard della teoria.

La cosiddetta interpretazione di Copenhagen della teoria quantistica afferma che tutto ciò che può essere conosciuto su una particella è contenuto nella funzione d'onda che la descrive. Non ci sono ulteriori variabili nascoste o cose che semplicemente non abbiamo scoperto che darebbero maggiori dettagli. È fondamentalmente sfocato, per così dire. Il principio di incertezza di Heisenberg è solo un altro sviluppo che rafforza questa confusione.
Principio di incertezza di Heisenberg

Il principio di incertezza fu proposto per la prima volta dall'omonimo fisico tedesco Werner Heisenberg, nel 1927, mentre lavorava all'istituto di Neils Bohr a Copenaghen. Ha pubblicato le sue scoperte in un documento intitolato "Sul contenuto percettivo della cinematica e della meccanica teorica quantistica".

Il principio afferma che la posizione di una particella e il momento di una particella (o l'energia e il tempo di un particella) non possono essere conosciuti contemporaneamente con assoluta certezza. Cioè, più precisamente conosci la posizione, meno precisamente conosci il momento (che è direttamente correlato alla lunghezza d'onda) e viceversa.

Le applicazioni del principio di incertezza sono numerose e includono il confinamento delle particelle (determinando l'energia necessaria per contenere una particella all'interno di un dato volume), elaborazione del segnale, microscopi elettronici, comprensione delle fluttuazioni quantistiche ed energia del punto zero.
Relazioni di incertezza

La relazione di incertezza primaria è espressa come la seguente disuguaglianza:
\\ sigma_x \\ sigma_p \\ geq \\ frac {\\ hbar} {2}

dove ℏ è la costante di Planck ridotta e σ _{x
e σ p
sono la deviazione standard di posizione e momento, rispettivamente. Nota che più piccola diventa la deviazione standard, più grande deve diventare l'altra per compensare. Di conseguenza, più precisamente conosci un valore, meno precisamente conosci l'altro.}

Ulteriori relazioni di incertezza includono l'incertezza nelle componenti ortogonali del momento angolare, l'incertezza nel tempo e la frequenza nell'elaborazione del segnale, l'incertezza nell'energia e il tempo, e così via.
La fonte dell'incertezza

Un modo comune per spiegare le origini dell'incertezza è descriverlo in termini di misurazione. Considera che, per misurare la posizione di un elettrone, ad esempio, è necessario interagire con esso in qualche modo - in genere colpendolo con un fotone o un'altra particella.

Tuttavia, l'atto di colpirlo con il fotone provoca il suo slancio al cambiamento. Non solo, c'è una certa imprecisione nella misurazione con il fotone associato alla lunghezza d'onda del fotone. Una misurazione della posizione più accurata può essere ottenuta con un fotone di lunghezza d'onda più breve, ma tali fotoni trasportano più energia e quindi possono causare un maggiore cambiamento nel momento dell'elettrone, rendendo impossibile misurare sia la posizione che il momento con una precisione perfetta.

Mentre il metodo di misurazione rende certamente difficile ottenere i valori di entrambi contemporaneamente come descritto, il problema reale è più fondamentale di così. Non è solo un problema delle nostre capacità di misurazione; è una proprietà fondamentale di queste particelle che non abbiano contemporaneamente una posizione e uno slancio ben definiti. Le ragioni risiedono nell'analogia dell'onda su una stringa fatta in precedenza.
Principio di incertezza applicato alle misurazioni macroscopiche

Una domanda comune che le persone pongono in merito alla stranezza dei fenomeni meccanici quantistici è come mai vedi questa stranezza sulla scala degli oggetti di tutti i giorni?

Si scopre che non è che la meccanica quantistica semplicemente non si applica agli oggetti più grandi, ma che gli strani effetti che sono trascurabili su larga scala. La dualità delle onde di particelle, ad esempio, non viene notata su larga scala perché la lunghezza d'onda delle onde di materia diventa minuscola, quindi il comportamento simile alle particelle che domina.

Per quanto riguarda il principio di incertezza, considera come grande è il numero sul lato destro della disuguaglianza. ℏ /2 \u003d 5.272859 × 10 ^{-35 kgm 2 /s. Quindi l'incertezza nella posizione (in metri) per l'incertezza nella quantità di moto (in kgm /s) deve essere maggiore o uguale a questa. Su scala macroscopica, avvicinarsi a questo limite implica livelli impossibili di accuratezza. Ad esempio, un oggetto da 1 kg può essere misurato con un momento di 1,00000000000000000 ± 10 -17 kgm /s in una posizione di 1,00000000000000000 ± 10 -17 me ancora più che soddisfacente la disuguaglianza.}

Macroscopicamente, il lato destro della disparità di incertezza è relativamente piccolo da essere trascurabile, ma il valore non è trascurabile nei sistemi quantistici. In altre parole: il principio si applica ancora agli oggetti macroscopici - diventa semplicemente irrilevante a causa delle loro dimensioni!