2. Omów zasadę nieoznaczoności Heisenberga. Jakie konsekwencje niesie ta zasada w odniesieniu do możliwości obserwacji cząstek elementarnych.

Zasada nieoznaczoności Heisenberga mówi, że nie jest możliwy jednoczesny dokładny pomiar położenia cząstki i jej pędu, co zapisujemy:

$$x \bullet p \geq \frac{h}{4\pi}$$

gdzie: Δx i Δp – oznaczają odpowiednio nieokreśloność pomiaru położenia i pędu, h – stała Plancka

Jeśli iloczyn tych dwóch nieokreśloności jest stały, to znaczy, że im dokładniej jest określony pęd cząstki (prędkość), tym mniej dokładnie wiemy, jakie wtedy było jej położenie i odwrotnie.

Wynika z tego, że mikrocząstka nigdy nie będzie w stanie, w którym miałaby jednocześnie dokładnie określone położenie i pęd.

Podobna nieokreśloność dotyczy energii E i czasu t:

$$E \bullet t \geq \frac{h}{4\pi}$$

gdzie: ΔE i Δt – oznaczają nieokreśloność pomiaru energii i czasu

Im dokładniej zmierzymy energię cząstki, tym mniej dokładnie wiemy, w jakim czasie cząstka tę energię miała. Mikrocząstka nigdy nie będzie w stanie, w którym jej energię można byłoby wyznaczyć w dowolnie krótkim czasie. Zasada Heisenberga wyznacza granicę, po przekroczeniu której nie jest możliwe stosowanie pojęć fizyki klasycznej.

Cząstki elementarne (tzn. kwarki i leptony) rozpadają się za pośrednictwem cząstek przenoszących oddziaływanie. W niektórych przypadkach cząstka może rozpaść się nawet wtedy, gdy cząstka - nośnik siły ma masę większą niż cząstka wyjściowa. Ta cząstka przejściowa natychmiast zamienia się w cząstki niskoenergetyczne. Ta krótko żyjąca cząstka przenosząca oddziaływanie wydaje się łamać zasadę zachowania energii - przecież jej masa nie może powstawać znikąd.

Jednak z zasady nieoznaczoności Heisenberga wynika, że masa cząstki (np. bozonu W) może być przez bardzo krótki okres czasu nieokreślona. Umożliwia to powstawanie stanów pośrednich (tzn. po rozpadzie, ale przed ostatecznym stanem końcowym), które byłyby zabronione przez zasady zachowania dla cząstek z nominalnymi masami. W pewnym sensie cząstki takie unikają postrzegania przez rzeczywistość. Nazywamy je cząstkami wirtualnymi.

Cząstki wirtualne nie łamią zasady zachowania energii. Suma energii kinetycznej i masy rozpadającej się cząstki jest zawsze równa sumie energii i masy powstałych produktów rozpadu.

W większości procesów z udziałem cząstek rolę pośrednika pełnią cząstki przenoszące oddziaływanie. Przykładem może tu być rozpad beta neutronu, produkcja cząstek zawierających kwark powabny i rozpad cząstki eta-c.