Memahami Prinsip Ketidakpastian Heisenberg

Prinsip ketidakpastian Heisenberg adalah salah satu pilar utama fisika kuantum, tetapi sering tidak dipahami secara mendalam oleh mereka yang belum hati-hati mempelajarinya. Sementara itu, seperti namanya, mendefinisikan tingkat ketidakpastian tertentu pada tingkat paling mendasar alam itu sendiri, bahwa ketidakpastian memanifestasikan dengan cara yang sangat terbatas, sehingga tidak memengaruhi kita dalam kehidupan kita sehari-hari hidup. Hanya eksperimen yang dibangun dengan hati-hati yang dapat mengungkapkan prinsip ini di tempat kerja.

Pada tahun 1927, fisikawan Jerman, Werner Heisenberg, mengajukan apa yang kemudian dikenal sebagai Prinsip ketidakpastian Heisenberg (atau hanya prinsip ketidakpastian atau, terkadang, Prinsip Heisenberg). Sementara berusaha membangun model intuitif fisika kuantum, Heisenberg telah mengungkap hal itu di sana adalah hubungan fundamental tertentu yang membatasi seberapa baik kita bisa tahu pasti jumlah. Secara khusus, dalam penerapan prinsip yang paling mudah:

Semakin tepatnya Anda mengetahui posisi suatu partikel, semakin sedikit pula Anda secara bersamaan dapat mengetahui momentum dari partikel yang sama.

Prinsip ketidakpastian Heisenberg adalah pernyataan matematika yang sangat tepat tentang sifat sistem kuantum. Dalam istilah fisik dan matematis, ia membatasi tingkat presisi yang dapat kita bicarakan tentang memiliki suatu sistem. Dua persamaan berikut (juga ditampilkan, dalam bentuk yang lebih cantik, dalam grafik di bagian atas artikel ini), disebut hubungan ketidakpastian Heisenberg, adalah persamaan paling umum yang terkait dengan ketidakpastian prinsip:

Persamaan 1: delta- x * delta- hal sebanding dengan h-batang
Persamaan 2: delta- E * delta- t sebanding dengan h-batang

Simbol dalam persamaan di atas memiliki arti sebagai berikut:

• h-bar: Disebut "konstanta Planck yang dikurangi," ini memiliki nilai konstanta Planck dibagi dengan 2 * pi.
• delta-x: Ini adalah ketidakpastian dalam posisi suatu objek (misalnya partikel yang diberikan).
• delta-hal: Ini adalah ketidakpastian momentum suatu objek.
• delta-E: Ini adalah ketidakpastian energi suatu objek.
• delta-t: Ini adalah ketidakpastian dalam pengukuran waktu suatu objek.

Dari persamaan ini, kita dapat mengetahui beberapa sifat fisik dari ketidakpastian pengukuran sistem berdasarkan tingkat presisi kami yang sesuai dengan pengukuran kami. Jika ketidakpastian dalam salah satu pengukuran ini menjadi sangat kecil, yang sesuai dengan memiliki yang sangat tepat pengukuran, maka hubungan ini memberi tahu kita bahwa ketidakpastian yang sesuai harus meningkat, untuk mempertahankan proporsionalitas.

Dengan kata lain, kita tidak dapat secara bersamaan mengukur kedua properti dalam setiap persamaan hingga tingkat presisi yang tidak terbatas. Semakin tepatnya kita mengukur posisi, semakin sedikit pula kita mampu mengukur momentum secara bersamaan (dan sebaliknya). Semakin tepatnya kita mengukur waktu, semakin sedikit pula kita mampu mengukur energi secara bersamaan (dan sebaliknya).

Meskipun hal di atas mungkin tampak sangat aneh, sebenarnya ada korespondensi yang layak dengan cara kita dapat berfungsi di dunia nyata (yaitu klasik). Katakanlah kita sedang menonton mobil balap di trek dan kita seharusnya merekam ketika melewati garis finish. Kita seharusnya mengukur tidak hanya waktu melintasi garis finis tetapi juga kecepatan tepatnya. Kami mengukur kecepatan dengan menekan tombol pada stopwatch pada saat kami melihatnya melewati garis finish dan kami mengukur kecepatannya dengan melihat pembacaan digital (yang tidak sejalan dengan menonton mobil, jadi Anda harus memalingkan kepala setelah melewati finish baris). Dalam kasus klasik ini, jelas ada beberapa derajat ketidakpastian tentang ini, karena tindakan ini membutuhkan waktu fisik. Kita akan melihat mobil menyentuh garis finish, menekan tombol stopwatch, dan melihat tampilan digital. Sifat fisik sistem memaksakan batasan yang pasti pada seberapa tepat semua ini dapat terjadi. Jika Anda fokus pada upaya untuk menonton kecepatan, maka Anda mungkin akan sedikit mati ketika mengukur waktu yang tepat di garis finish, dan sebaliknya.

Seperti kebanyakan upaya untuk menggunakan contoh klasik untuk menunjukkan perilaku fisik kuantum, ada cacat dengan analogi ini, tetapi agak terkait dengan realitas fisik yang bekerja di kuantum dunia. Hubungan ketidakpastian muncul dari perilaku benda seperti gelombang pada skala kuantum, dan fakta bahwa sangat sulit untuk secara tepat mengukur posisi fisik gelombang, bahkan dalam bentuk klasik kasus.

Sangat umum untuk prinsip ketidakpastian untuk menjadi bingung dengan fenomena efek pengamat dalam fisika kuantum, seperti yang memanifestasikan selama Kucing Schroedinger eksperimen pikiran. Ini sebenarnya adalah dua masalah yang sangat berbeda dalam fisika kuantum, meskipun keduanya membebani pemikiran klasik kita. Prinsip ketidakpastian sebenarnya merupakan kendala mendasar pada kemampuan membuat pernyataan yang tepat tentang perilaku sistem kuantum, terlepas dari tindakan kita yang sebenarnya melakukan pengamatan atau tidak. Efek pengamat, di sisi lain, menyiratkan bahwa jika kita membuat jenis pengamatan tertentu, sistem itu sendiri akan berperilaku berbeda dari itu tanpa pengamatan itu di tempat.

Karena peran sentralnya dalam fondasi fisika kuantum, sebagian besar buku yang mengeksplorasi ranah kuantum akan memberikan penjelasan tentang prinsip ketidakpastian, dengan berbagai tingkat keberhasilan. Berikut adalah beberapa buku yang melakukan yang terbaik, menurut pendapat penulis yang rendah hati ini. Dua adalah buku umum tentang fisika kuantum secara keseluruhan, sedangkan dua lainnya sama biografisnya dengan ilmiah, memberikan wawasan nyata tentang kehidupan dan karya Werner Heisenberg:

• Kisah Menakjubkan Mekanika Kuantum oleh James Kakalios
• The Quantum Universe oleh Brian Cox dan Jeff Forshaw
• Melampaui Ketidakpastian: Heisenberg, Fisika Kuantum, dan Bom oleh David C. Cassidy
• Ketidakpastian: Einstein, Heisenberg, Bohr, dan Perjuangan untuk Jiwa Ilmu Pengetahuan oleh David Lindley