Войти
В физике комплементарность является как теоретическим, так и экспериментальным результатом квантовой механики, также называемого принципом дополнительности . Сформулированный Нильсом Бором, ведущим основателем квантовой механики, принцип дополнительности гласит, что объекты обладают определенными парами дополнительных свойств, которые нельзя наблюдать или измерять одновременно.
Примеры дополнительных свойств, которые рассматривал Бор:
Другие примеры включают:
Как указано, частица и волновые аспекты физических объектов являются дополнительными явлениями. Обе концепции заимствованы из классической механики, где невозможно быть частицей и волной одновременно. Следовательно, невозможно полностью измерить свойства волны и частицы в конкретный момент. Более того, Бор подразумевает, что невозможно рассматривать объекты, регулируемые квантовой механикой, как имеющие внутренние свойства, не зависящие от определения с помощью измерительного устройства, точка зрения, поддерживаемая теоремой Кохена – Спекера. Тип измерения определяет, какое свойство отображается. Однако эксперимент с одной и двумя щелями и другие эксперименты показывают, что некоторые эффекты волны и частицы могут быть измерены за одно измерение.
Аспект дополнительности - это что это не только применимо к измеримости или познаваемости некоторого свойства физического объекта, но, что более важно, оно применяется к ограничениям самого проявления этого свойства этим физическим объектом в физическом мире. Все свойства физических объектов существуют только в парах, которые Бор описал как дополнительные или сопряженные пары. Физическая реальность определяется и определяется проявлениями свойств, которые ограничиваются компромиссами между этими дополнительными парами. Например, электрон может проявлять все большую и большую точность своего положения только в обмен на дополнительную потерю в точности проявления своего импульса. Это означает, что существует ограничение на точность, с которой электрон может обладать (то есть проявлять) положение, поскольку бесконечно точное положение диктует, что его проявленный импульс будет бесконечно неточным или неопределенным (т.е.), что невозможно. Окончательные ограничения точности проявления свойств количественно оцениваются с помощью принципа неопределенности Гейзенберга и единиц Планка. Дополнительность и неопределенность диктуют, что, следовательно, все свойства и действия в физическом мире в некоторой степени проявляются как недетерминированные.
Физики F.A.M. Фрескура и Бэзил Хили суммировали причины введения принципа дополнительности в физике следующим образом:
С традиционной точки зрения предполагается, что существует реальность в пространстве-времени и что это реальность - это данная вещь, все аспекты которой можно рассматривать или артикулировать в любой момент. Бор был первым, кто указал на то, что квантовая механика поставила под сомнение эту традиционную точку зрения. Для него «неделимость кванта действия», которая была его способом описания принципа неопределенности, означала, что не все аспекты системы можно рассматривать одновременно. Используя один конкретный элемент устройства, можно было бы проявить только определенные свойства за счет других, в то время как с помощью другого устройства можно было бы проявить другой дополнительный аспект таким образом, что исходный набор стал непроявленным, то есть исходные атрибуты больше не были четко определены. Для Бора это было указанием на то, что принцип дополнительности - принцип, который, как он ранее знал, широко проявляется в других интеллектуальных дисциплинах, но не проявлялся в классической физике, должен быть принят как универсальный принцип.
комплементарность в системе возникает, когда кто-то рассматривает обстоятельства, при которых он пытается измерить ее свойства; как заметил Бор, принцип дополнительности «подразумевает невозможность какого-либо резкого разделения между поведением атомных объектов и взаимодействием с измерительными приборами, служащими для определения условий, при которых возникают явления». Важно отличать, как это делал Бор в своих первоначальных утверждениях, принцип дополнительности от утверждения принципа неопределенности. Техническое обсуждение современных проблем, связанных с дополнительностью в физике, см., Например, в Bandyopadhyay (2000), из которой были взяты части этого обсуждения.
В своей первоначальной лекции по этой теме Бор указал, что точно так же, как конечность скорости света подразумевает невозможность резкого разделения между пространством и временем (относительность), конечность кванта действия подразумевает невозможность четкого разделения между поведением системы и ее взаимодействием с измерительными приборами и приводит к хорошо известным трудностям с концепцией «состояния» в квантовой теория; понятие дополнительности призвано символизировать эту новую ситуацию в эпистемологии, созданную квантовой теорией. Некоторые люди считают его философским дополнением к квантовой механике, в то время как другие считают его открытием, столь же важным, как и формальные аспекты квантовой теории. Примеры последнего включают Леон Розенфельд, который утверждал, что «[C] комплементарность не является философской надстройкой, изобретенной Бором для того, чтобы быть украшением квантового формализма, это фундамент квантового формализма. description »и Джона Уиллера, который высказал мнение, что« принцип дополнительности Бора является самой революционной научной концепцией этого века и сердцевиной его пятидесятилетних поисков полного значения квантовой идеи ». 45>
Типичным примером взаимодополняемости волны и частицы в лаборатории является эксперимент с двойной щелью. Суть дополнительного поведения - это вопрос: «Какая существует информация - встроенная в составные части Вселенной - которая может раскрыть историю сигнальных частиц, когда они проходят через двойную щель?» Если существует информация (даже если она не измеряется наблюдателем ), которая показывает, «какую щель» прошла каждая частица, то каждая частица не будет проявлять волновой интерференции с другой щелью. Это поведение, подобное частицам. Но если нет информации о том, какая щель отсутствует - так что ни один наблюдатель, независимо от того, насколько хорошо экипирован, никогда не сможет определить, через какую щель проходит каждая частица - тогда сигнальные частицы будут мешать самим себе, как если бы они прошли через обе щели, как волна. Это волнообразное поведение. Эти поведения являются дополнительными, согласно соотношению двойственности Энглерта – Гринбергера, потому что, когда наблюдается одно поведение, другое отсутствует. Оба поведения можно наблюдать одновременно, но каждое только как меньшее проявление их полного поведения (как определено отношением дуальности). Эта суперпозиция дополнительных поведений существует всякий раз, когда есть частичная информация о том, «какая щель». Несмотря на то, что есть некоторые споры относительно отношения двойственности и, следовательно, самой дополнительности, противоположная позиция не принимается основной физикой. Эксперименты с двойной щелью с одиночными фотонами ясно показывают, что фотоны одновременно являются частицами и волнами. Фотоны попадают на экран, где они обнаруживаются в точках, и когда набирается достаточное количество точек, отчетливо виден волновой аспект. В неподвижных фотонах одновременно видны частицы и волны.
Различные эксперименты по нейтронной интерферометрии демонстрируют тонкость представлений о двойственности и дополнительности. Пройдя через интерферометр , нейтрон, кажется, действует как волна. Однако при прохождении нейтрон подвергается гравитации. Когда нейтронный интерферометр вращается через гравитационное поле Земли , можно наблюдать изменение фазы между двумя плечами интерферометра, сопровождающееся изменением конструктивной и деструктивной интерференции нейтронных волн на выходе из интерферометра. В некоторых интерпретациях утверждается, что понимание интерференционного эффекта требует признания того, что одиночный нейтрон проходит через интерферометр обоими путями одновременно; единичный нейтрон был бы как бы «одновременно в двух местах». Поскольку два пути через нейтронный интерферометр могут находиться на расстоянии от 5 до 15 см, этот эффект вряд ли является микроскопическим. Это похоже на традиционные эксперименты с двухщелевым и зеркальным интерферометром, где щели (или зеркала) могут быть расположены произвольно далеко друг от друга. Итак, в экспериментах по интерференции и дифракции нейтроны ведут себя так же, как фотоны (или электроны) соответствующей длины волны.
Нильс Бор, по-видимому, задумал принцип дополнительности во время лыжного отпуска в Норвегия в феврале и марте 1927 г., во время которого он получил письмо от Вернера Гейзенберга относительно недавно открытого (и еще не опубликованного) принципа неопределенности. По возвращении из отпуска, когда Гейзенберг уже представил свою статью о принципе неопределенности для публикации, он убедил Гейзенберга, что принцип неопределенности является проявлением более глубокой концепции дополнительности. Гейзенберг должным образом приложил примечание по этому поводу к своей статье о принципе неопределенности перед ее публикацией, заявив:
Бор обратил мое внимание на то, что неопределенность в нашем наблюдении возникает не только из-за возникновения разрывов, но напрямую связано с требованием, чтобы мы приписывали одинаковую значимость совершенно разным экспериментам, которые проявляются в теории [твердых частиц], с одной стороны, и в теории волн, с другой стороны.
Бор публично ввел принцип дополнительности в лекцию, которую он прочитал 16 сентября 1927 г. на Международном физическом конгрессе, состоявшемся в Комо, Италия, на котором присутствовало большинство ведущих физиков того времени, за заметными исключениями Эйнштейна, Шредингер и Дирак. Тем не менее, эти трое присутствовали месяц спустя, когда Бор снова представил принцип на Пятом Сольвеевском конгрессе в Брюсселе, Бельгия. Лекция была опубликована в трудах обеих этих конференций, а в следующем году была переиздана в журналах Naturwissenschaften (на немецком языке) и в журнале Nature (на английском языке).
Статья Бора, написанная в 1949 году, озаглавлена «Обсуждения с Эйнштейн об эпистемологических проблемах атомной физики "многие считают окончательным описанием понятия дополнительности.
 | Викицитатник содержит цитаты, связанные с: Комплементарность (физика) |
