اصل عدم‌قطعیت؛ پایه‌گذار مکانیک مدرن

به گزارش خبرنگار ایمنا، اصل عدم‌قطعیت در مکانیک کوانتومی توسط «ورنر هایزنبرگ» فیزیکدان آلمانی در سال ۱۹۲۶ فرمول‌بندی شد. اصل عدم‌قطعیت در فیزیک کوانتوم مشخص می‌کند که جفت‌های مشخصی از خواص فیزیکی مانند «مکان» و «تکانه» نمی‌تواند با دقتی دلخواه معلوم شود؛ درواقع افزایش دقت در کمیتِ یکی از خواص، موجب کاهش دقت در کمیتِ خاصیت دیگر می‌شود. براساس دیدگاه هایزنبرگ، غیرممکن است که هم‌زمان سرعت و مکان الکترون یا هر ذره دیگری با دقت و قطعیت دلخواه معین شود؛ اما گروه دیگری از جمله «بالنتین» این عبارت را راجع‌به محدودیت دانشمندها در اندازه‌گیری کمیت‌های خاصی از سیستم نمی‌دانند؛ بلکه آن را به عنوان امری راجع به طبیعت و ذات خود سیستم ارائه می‌کنند. برای بررسی بیشتر این نظریه و شناخت آن با عرفان تمنده، کارشناس‌ارشد فیزیک پلاسما گفت‌وگویی انجام داده‌ایم که در ادامه می‌خوانید:

اصل عدم قطعیت چه سالی کشف شد؟

در سال ۱۹۲۵ زمانی که هایزنبرگ در مؤسسه نیلز بور در کپنهاگ دانمارک در حال پایه‌ریزی مکانیک ماتریسی بود، اساس اصل عدم‌قطعیت به ذهنش خطور کرد که این نظریه، سبب تغییر مکانیک کوانتومی قدیمی و شکل‌گیری و رشد مکانیک کوانتومی جدید شد.

چرا مکانیک کوانتومی قدیمی دستخوش تغییر شد؟

در ذهن هایزنبرگ، مکانیک کوانتومی قدیمی از لحاظ فیزیک کوانتوم دقت و صحت کافی برای اجزا زیر اتمی نداشت؛ درواقع طبق اصل عدم قطعیت که در سال ۱۹۲۶ ارائه شد، هیچ‌گاه نمی‌توانیم یک جفت از خواص فیزیک را هم‌زمان و با دقت دلخواه مشخص کنیم؛ همین مفهوم موجب شد مشکلات و ایراداتی که مکانیک کوانتوم قدیمی داشت، رفع شود.

اصل عدم‌قطعیت چیست؟

طبق مفهوم اصل عدم‌قطعیت، هیچ‌گاه نمی‌توان مکان یک ذره را مشخص کرد و در همان لحظه تکانه آن ذره را نیز به صورت مشخص و دقیق داشت. این اصل از فیزیک می‌گوید افزایش دقت در به‌دست آوردن یکی از دو جفت خاصیتی که در حال بررسی است (مانند تکانه و مکان یا سرعت و مکان) موجب کاهش دقت در بررسی خاصیت دوم می‌شود؛ بنابراین اگر در یک لحظه مکان ذره‌ای را به‌دست آوریم، امکان اینکه در همان لحظه سرعت یا تکانه ذره را نیز داشته‌باشیم وجود ندارد.

آیا اصل عدم‌قطعیت فرمول دارد؟

بله. یکی از فرمول‌هایی که بسیار شناخته شده است و احتمالاً کسانی که با مباحث مکانیک و فیزیک کوانتوم آشنا هستند، این فرمول را حداقل روی جلد کتاب‌های فیزیک مشاهده کرده‌اند. فرمول اصل عدم‌قطعیت مکان و تکانه است که به صورت ΔXΔP≥ h/2 نوشته می‌شود. در این فرمول X نشان‌دهنده مکان، P نشان‌دهنده تکانه و Δ نشان‌دهنده تغییرات بوده که ضرب آن‌ها، همیشه بزرگ‌تر یا برابر با ثابت پلانک است.

بر اساس این فرمول، اگر تغییرات مکان یک ذره را به‌دست آوریم و فرض کنیم که تغییرات تکانه آن را نیز داریم، طبق فرضیه هیچ‌گاه ضرب این تغییرات با یکدیگر از ضریب پلانک کوچک‌تر نمی‌شود؛ به عبارتی اگر مقدار تکانه ذره را داشتیم، باید تغییرات مکان به گونه‌ای باشد که جواب بزرگ‌تر یا برابر با مقدار ثابت پلانک شود؛ بنابراین در صورتی که پاسخ، عددی غیر از این بود، رابطه نادرست است.

تعریف هایزنبرگ از اصل عدم‌قطعیت چگونه است؟

هایزنبرگ در تعریف اصل خود می‌گوید: اندازه‌گیری مکان برای یک ذره ضرورتاً باعث آشفتگی تکانه آن می‌شود و این آشفتگی به صورت برعکس نیز رخ می‌دهد و با اندازه‌گیری تکانه، مکان آن دچار آشفتگی می‌شود؛ این مسئله کاملاً هم‌ارز با اصل عدم‌قطعیت است.

اصل عدم‌قطعیت چه تغییری در مکانیک قدیمی ایجاد کرد؟

مکانیک نیوتونی این باور را به وجود آورده بود که نمی‌توان حدی را برای فیزیک کوانتوم اعمال کرد؛ اما هایزنبرگ با مطرح کردن اصل عدم‌قطعیت نشان‌داد که اندازه‌گیری یکی از خواص ذره، حدی را برای خاصیت دوم اعمال می‌کند و اندازه‌گیری‌ها پس از این عمل، دچار محدودیت می‌شود. در مکانیک نیوتونی باور بر این بود که در یک لحظه می‌توان تمام اطلاعات یک الکترون را به صورت مشخص و با دقت بسیار بالا اندازه‌گیری کرد؛ اما اصل عدم‌قطعیت هایزنبرگ به طور واضح مشخص می‌کند که اگر شخصی به عنوان یک مشاهده‌گر به سیستم الکترونی نگاه کند و الکترون را مورد بررسی قرار دهد، هنگامی که در یک لحظه تکانه ذره را به دست می‌آورد، دیگر نمی‌تواند مکان الکترون را در همان لحظه داشته باشد و این مسئله، محدودیت مهمی را در مکانیک کوانتومی ایجاد کرد و نسخه مدرن این نظریه را تشکیل داد.

اساس اصل عدم قطعیت چیست؟

منظور از اصل عدم‌قطعیت، این است که اگر تکانه یک ذره را به دست آوریم و پس از آن مکان ذره را نیز بیابیم، عملاً تکانه را در زمان T و مکان را در زمان ’T به‌دست آورده‌ایم و این دو زمان باعث شده که میان تکانه و مکان، هیچ ارتباطی نباشد. به بیان دیگر هنگامی که ما تکانه ذره را به‌دست آوردیم، مکان ذره عددی مشخص بوده و هنگامی که مکان را محاسبه کردیم، تکانه آن تغییر کرده است؛ بنابراین در هر نوبت اندازه‌گیری مشخصات سیستم به صورت کاملاً واضح تغییر می‌کند که اصل عدم قطعیت نیز بر همین مسئله دلالت دارد.