انتشار این مقاله


دستاوردهای عظیم (۸۶): کشف اصل عدم قطعیت هایزنبرگ

اصل عدم قطعیت یکی از معروف‌ترین مفاهیم فیزیک است که بیان می‌کند در طبیعت یک حالت ابهام وجود دارد،یک حد بنیادی که برای تمام رفتارهای ذرات کوانتومی صدق می‌کند.

اصل عدم قطعیت یکی از معروف‌ترین( و احتمالا یکی از سوبرداشت‌شده ترین) مفاهیم فیزیک است. این اصل به ما بیان می‌کند که در طبیعت یک حالت ابهام وجود دارد، یک حد بنیادی برای هرچیزی که درباره رفتار ذرات کوانتومی می‌دانیم که همه این‌ها در کوچک‌ترین مقیاس‌های طبیعت قرار می‌گیرند. امیدوارکننده‌ترین این مقیاس‌ها، آنی است که احتمالاتی را محاسبه می‌کند که نشان می‌دهد اشیا کجا هستند و چه رفتاری را از خود نشان خواهند داد. بر خلاف جهان منظم نیوتونی، که درآن اشیا از قوانین خاصی پیروی می‌کنند و با دانستن مبدا و چگونگی حرکت آن می‌توان مقصد را حدس زد، اصل عدم قطعیت سطوحی از ابهام را برای تئوری کوانتومی در نظر می‌گیرد.

ایده ساده Werner Heisenberg می‌گوید که چرا اتم‌ها نمی‌توانند منفجر شوند، چگونه خورشید می‌درخشد و به طرز عجیبی چطور فضا به معنای مطلق آن تهی نیست.

نخستین ردپای اصل عدم قطعیت در سال ۱۹۲۷ در مقاله‌ای تحت عنوان “ On the Perceptual Content of Quantum Theoretical Kinematics and Mechanics” به قلم Werner Heisenberg، فیزیکدان آلمانی که در آن زمان در انستیتو Niels Bohr مشغول به کار بود، دیده شده‌است. شکل معروف‌تر این معادله چند سال بعد از اینکه مطالعات قبلی خود را بهبود بخشید، عرضه شد.

Heisenberg بر روی برداشت‌های مختلف از تئوری کوانتومی کار می‌کرد، این تئوری راهی جدید و عجیب بود که عده‌ای فیزیکدانان آن را ایجاد کردند تا بتوانند رفتارهای اتم‌ها را  با ان توجیه کنند، از جمله این افراد می‌توان به Neils Bohr، Paul Dirac و اروین شرودینگر اشاره کرد. برخلاف بسیاری از تئوری‌های زمانه، تئوری کوانتوم مطرح کرد که انرژی پیوسته نیست بلکه به شکل بسته(quanta)هایی جدا ازهم است و نور می‌تواند به وسیله آن هم به شکل موج و هم به شکل جریانی از این quanta ها توصیف شود. برای توضیح بیشتر این جهان‌بینی رادیکال، هایزنبرگ مشکل اندازه‌گیری خصوصیات پایه فیزیکی یک ذره را در سیستم کوانتمی حل کرد. در یکی از نامه‌های خود به همکارش، Wolfgang Pauli، تصوراتی از یک ایده را با او مطرح کرد که از آن زمان تبدیل به یکی از بنیادی‌ترین بخش‌های توصیف کوانتومی جهان شده‌است.

اصل عدم قطعیت می‌گوید که ما نمی‌توانیم موقعیت (x) و حرکت (p) یک ذره را به طور مطلق تعیین کنیم. هر چقدر دقت اندازه‌گیری یکی از این پارامترها بالا برود، دقت پارامتر دیگر کاهش می‌یابد. حاصل ضرب خطاهای اندازه‌گیری این مقادیر( خطاها با علامتی به شکل مثلث نشان داده می‌شوند، حرف یونانی دلتا) باید عددی بزرگتر یا مساوی نصف ثابتی به نام h-bar باشد. این معادل ثایت پلانک است که بر ۲π تقسیم شده‌است.

ثابت پلانک عدد مهمی در تئوری کوانتوم به شمار می‌آید، راهی برای اندازه‌گیری ماهیت ذره‌ای جهان با کوچکترین مقیاس‌ها که مقدار ان برابر  ۶.۶۲۶×۱۰-۳۴ژول ثانیه می‌باشد.

راه دیگر برای تفکر در مورد اصل عدم قطعیت این است که آن را به عنوان ضمیمه‌ای افزون بر مشاهدات و اندازه‌گیری‌های روزمره خود ببینیم. این کلمات را می‌توانید بخوانید چون ذرات نور، فوتون‌ها، از صفح نمایش یا کاغذ بازتاب کرده و به چشم شما رسیده‌اند. هر فوتون اطلاعاتی از سطوحی را که باسرعت نور تا به حال از آن بازتاب کرده‌است، با خود دارد. دیدن یک ذره زیراتمی مثل الکترون آسان نیست. شما ممکن است فوتونی را بتابانید و انتظار داشته‌باشید تا به سمت شما بازتاب شود تا بتوانید آن را با ابزاری اندازه‌گیری کنید. ولی احتمال این وجود دارد که فوتون هنگامی که به الکترون برخورد می‌کند، مقداری انرژی جنبشی به آن منتقل کند و مسیر ذره‌ای را که می‌خواهید اندازه بگیرید، تغییر دهد. یا مثلا چون ذرات کوانتومی معمولا خیلی سریع حرکت می‌کنندممکن است تا هنگام رسیدن فوتون به ابزار ، الکترون دیگر در محل اصلی خود نباشد. به هر حال، مشاهدات شما در زمینه‌های مکان یا حرکت دقت کافی را نخواهد داشت و از همه مهم‌تر، عمل مشاهده، خود ذره را تحت تاثیر قرار می‌دهد.

اصل عدم‌ قطعیت عصاره هر چیزی است که نمی‌توانیم آن را با فیزیک کلاسیک توجیه کنیم. برای مثال اتم‌ها را در نظر بگیرید که الکترو‌ن‌هایی با بار منفی، دور هسته‌ای با بار مثبت می‌چرخند. با منطق کلاسیک، ما انتظار داریم که همه چیز در نهایت به صورت توپی از ذرات از هم بپاشد. ولی اصل عدم قطعیت توضیح می‌دهد که چرا این اتفاق نمی‌افتد: اگر یک الکترون هیلی به هسته نزدیک شود، مکان آن در فضا به دقت شناخته می‌شود و بنابراین خطا در اندازه‌گیری مکان آن ناچیز خواهدبود. از طرفی، به این معنی است که خطای اندازه‌گیری حرکت(یا مثلا سرعت ان) بسیار قابل‌توجه خواهدبود. در این مورد، الکترون می‌تواند به قدر کافی سریع باشد که از اتم نیز خارج شود.

ایده هایزنبرگ نوعی از تشعشعات هسته‌ای به نام فروپاشی  آلفا را نیز توضیح می‌دهد. ذرات آلفا ۲ پروتون و ۲ نوترون به هم چسبیده هستند که توسط برخی هسته‌های سنگین مانند اورانیوم ۲۳۸ تولید می‌شود. معمولا با پیوندهای بسیار قوی به هم متصل هستند و انرژزی بسیار زیادی می‌خواهد تا این پیوندها را بتوان در هسته شکست. ولی چون ذره آلفایی که در هسته قرار دارد، سرعت بسیار بالایی دارد، موقعیت آن هنوز به طور مشخص شناسایی نشده‌است. این نشان می‌دهد که احتمالی بسیار ناچیز وجود دارد که ذره بتواند در برخی مواقع خود را از هسته خارج کند.وقتی این اتفاق می‌افتد، فرآیندی استعاری به نام تونل‌کنی کوانتومی اتفاق می‌افتد چون ذره باید بتواند برای خروج از هسته از حایل انرژی اطراف آن راه باز کند، ذره آلفا فرار می‌کند و ما تشعشعات را می‌بینیم.

یک فرآیند تونل‌کنی کوانتومی مشابه، به طور برعکس در مرکز خورشید ما اتفاق می‌افتد، جایی که پروتون‌ها با هم فیوز می‌شوند و انرژی حاصل از ان ستاره را درخشان نگه می‌دارد. دمای مرکز خورشید آنقدر بالا نیست که بر نیروی دافعه میان پروتون‌ها فائق بیاید. ولی به لطف اصل عدم قطعیت آن‌ها می‌توانند راه خود را از حائل‌های انرژی باز کنند.

شاید یکی از عجیب‌ترین نتایج اصل عدم قطعیت، توضیحت آن در مورد خلا می‌باشد. خلا معمولا نبود هیچ چیز تعریف می‌شوند. ولی در تئوری کوانتوم اینگونه نیست. یک عدم قطعیت ذاتی در مورد مقدار انرژی دخیل در فرآیندهای کوانتومی وجود دارد. به جای پارامترهای مکان و حرکت، معادله هایزنبرگ در قالب پارامترهای انرژی و زمان نیز قابل‌تعریف است. دوباره روابط دقت پارامترها برای این دو نیز صادق است. امکان دارد که برای یک بازه زمانی بسیار بسیار بسیار کوتاه، که انرژی یک سیستم کوانتومی به شدت دچار عدم قطعیت می‌باشد، ذراتی از خلا پدید آیند. این ذرات مجازی برای مدتی بسیار کوتاه به صورت جفت‌هایی ظاهر می‌شوند، مثل یک پوزیترون که به صورت یک الکترون-انتی‌الکترون می‌باشد، و بعد یکدیگر را از بین می‌برند. این پدیده تا زمانی که ذرات به وجود آمده پس از ظاهر شدن پس از مدت زمان معینی از بین بروند، در چهارچوب قوانین فیزیک کوانتوم است. بنابراین عدم قطعیت این است که چیزی برای نگرانی در مورد فیزیک کوانتومی وجود ندارد و در واقع بدون وجود عدم قطعیت ما هم وجود نداشتیم.

محمد امین اکبرزاده


نمایش دیدگاه ها (0)
دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *