نگاه ‌اجمالی

در هر شاخه‌ای از علوم قواعد و قوانین خاصی وجود دارند که صحت و درستی این قوانین بدون اثبات پذیرفته می‌شود. اینگونه قواعد را اصل می‌نامند. بنابراین در هر علمی ‌تعدادی اصل علمی ‌وجود دارد که برای متخصصین آن علم بطور کامل آشنا هستند. به ‌عنوان مثالآلبرت انیشتین در بیان نظریه نسبیت خاص خود ، ثبات سرعت نور در تمام چارچوب‌های لخت را به عنوان یک اصل می‌پذیرد. بیشترین کاربرد اصول در اثبات روابط و خصوصیات دیگری است که بعدا بیان می‌شود. اصل عدم قطعیت یک نمونه ‌از هزاران اصلی است که در علم فیزیک وجود دارد.

پیدایش عدم قطعیت

img/daneshnameh_up/9/97/PH_A_A_GH01.jpg

در اوایل قرن نوزدهم ، موفقیت نظریه‌های علمی ، "مارکی دو لاپلاس" را متقاعد ساخته بود که جهان بطور دربست از جبر علمی پیروی می‌کند. وی معتقد بود اگر وضعیت جهان در لحظه‌ای معین از زمان ، کاملا معلوم باشد، می‌توان وضعیت آن را در زمانهای بعدی نیز براحتی با قوانین علمی پیش بینی نمود. بطور مثال ، اگر وضعیت خورشید و سایر سیارات منظومه شمسی را در زمانی معین داشته باشیم، می‌توانیم وضعیت منظومه شمسی را در هر زمان دلخواه توسط قوانین گرانش نیوتون پیش بینی کنیم.

این مسئله ، در مکانیک کلاسیک کاملا بدیهی به نظر می‌رسد و می‌توان آن را براحتی اثبات نمود. اما لاپلاس از این هم فراتر رفت و گفت این مسئله برای تمامی پدیده‌ها از جمله رفتار بشر صادق است و قوانین مشابهی وجود دارد که تمام پدیده‌های جهان را پیش بینی می‌کند. با اینکه این مطلب با مخالفت بسیاری از افراد که می‌پنداشتند این دیدگاه به آزادی خداوند در دخالت در امور جهان خدشه وارد می‌کند روبرو شد، اما تا اوایل قرن حاضر ، این فرض ، تنها فرض مورد قبول اهل علم باقی ماند.

بعد از اینکه دوبروی نظریه خود مبنی بر انتساب موج به ذرات مادی را بیان کرد، این امواج تا اندازه‌ای نامفهوم بودند. همچنین در این زمان سوال دیگری مطرح بود، مبنی بر اینکه قوانین مکانیک کوانتومی ‌چه تاثیری بر مفاهیم مکانیک کلاسیک دارند. هایزنبرگ اشکال را از سرچشمه آن مورد نظر قرار داد، یعنی دستورها و روشهای معمولی مشاهده را در مورد پدیده‌هایی با مقیاس اتمی‌ بکار برد. در تجربیات روزانه ، می‌توانیم هر پدیده‌ای را مشاهده کنیم و خواص آن را اندازه بگیریم، بدون آنکه پدیده مورد نظر را تحت تاثیر قرار دهیم. در دنیای اتم هرگز نمی‌توانیم اختلال و آشفتگی را که حاصل از دخالت دادن وسایل اندازه گیری است، مورد بررسی قرار دهیم. انرژی‌ها در این مقیاس به اندازه‌ای کوچک هستند که حتی در اندازه گیری که با حداکثر آرامش انجام گرفته ، ممکن است آشفتگیهای اساسی در پدیده مورد آزمایش پدید آورد و نمی‌توان مطمئن بود که نتایج اندازه گیری واقعا آنچه را در نبودن وسایل اندازه گیری روی می‌داد، توصیف می‌کند. ناظر و وسیله ‌اندازه گیری یک قسمت از پدیده را مورد بررسی هستند.

اصولا چیزی به‌ عنوان پدیده فیزیکی به خودی خود وجود ندارد. در همه حالات ، یک عمل متقابل کاملا اجتناب‌ناپذیر میان ناظر و پدیده وجود دارد. هایزنبرگ این موضوع را از طریق ملاحظه مسئله دنبال کردن یک ذره مادی متصور ساخت. در جهان ماکروسکوپیک می‌توانیم حرکت یک توپ پینگ پنگ را ، بدون آنکه مسیر آن را تحت تاثیر قرار دهیم، تعقیب کنیم. اما در مورد مسیر حرکت یک الکترون هرگز وضع به همین منوال نیست و تعقیب الکترون بدون متاثر ساختن مسیر حرکت تقریبا غیر ممکن است و همین امر سبب ایجاد یک عدم قطعیت در مشاهدات ما می‌گردد.

نظریه ریلی - جینز

یکی از نخستین نشانه‌های سست بودن این باور ، کارهای دانشمندان انگلیسی ، "لرد ریلی" و "سر جیمز جینز" بود. آنها با ارائه قانون مشهور خود (قانون ریلی - جینز) ، نشان دادند که یک جسم داغ ، مثل یک ستاره باید بطور نامتناهی انرژی تابش کند. برای نمونه ، یک جسم داغ ، باید همان مقدار انرژی در قالب امواج با بسامدهای یک و دو میلیون میلیون موج در ثانیه تابش کند که در قالب امواج با بسامدهای دو و سه میلیون میلیون موج در ثانیه تشعشع می‌کند. از آنجا که تعداد امواج تابش شده در ثانیه نامحدود است، میزان انرژی تابشی نیز نامتناهی خواهد بود.

فرضیه پلانک

برای اجتناب از این نتیجه مضحک ، دانشمند آلمانی ، "ماکس پلانک" در سال 1900 اظهار داشت که امواج الکترومغناطیسی می‌توانند به میزان دلخواهی گسیل شوند، اما این گسیل در بسته‌های معینی بنام کوانتوم انجام می‌پذیرد. به علاوه هر کوانتوم مقدار معینی انرژی داراست که رابطه مستقیمی با بسامد موج دارد (E = nh). بنابراین در فرکانسهای بالا ، گسیل یک کوانتوم منفرد انرژی بیشتری نیاز دارد. از این رو ، تابش در بسامدهای بالا کاهش می‌یابد و میزان انرژیی که جسم از دست می‌دهد، مقداری معین و متناهی می‌شود.

به میان آمدن اصل عدم قطعیت

در سال 1926، دانشمند آلمانی دیگری به نام "ورنر هایزنبرگ" ، با استفاده از فرضیه پلانک ، اصل معروف خود را بنام اصل عدم قطعیت تدوین نمود. برای پیش بینی وضعیت بعدی یک جسم ، باید وضعیت و سرعت کنونی آن را اندازه گیری نماییم. بدیهی است برای محاسبه ، باید ذره را در پرتو نور مورد مطالعه قرار دهیم. برخی از امواج نور ، توسط ذره ، پراکنده خواهند شد و در نتیجه وضعیت ذره مشخص می‌شود. اما دقت اندازه گیری وضعیت یک ذره به ناگزیر از فاصله بین تاجهای متوالی نور کمتر است. برای تعیین دقیق وضعیت ذره ، باید از نوری با طول موج کوتاه استفاده نمود، اما بنا بر فرض کوانتوم پلانک نمی‌توانیم هرقدر که دلمان خواست مقدار نور را کم کنیم. می‌توانیم حداقل از یک کوانتوم نور استفاده کنیم. این کوانتوم ذره را متأثر خواهد ساخت و بطور پیش بینی ناپذیری ، سرعت آن را تغییر خواهد داد.

از طرف دیگر برای آنکه بتوانیم وضعیت ذره را دقیقتر محاسبه نماییم، باید از نوری با طول موج کوتاهتر استفاده نماییم و در این صورت انرژی هر کوانتوم نور افزایش یافته و سرعت ذره ، بیشتر دستخوش تغییر خواهد شد. این بدان معناست که هرچه بخواهیم مکان ذره را دقیق‌تر اندازه بگیریم، دقت اندازه گیری سرعت آن کمتر می‌شود و بالعکس.

اصل عدم قطعیت هایزنبرگ

هایزنبرگ نشان داد عدم قطعیت در اندازه گیری مکان ذره ، ضرب در عدم قطعیت در سرعت آن ، ضرب در جرم ذره ، نمی‌تواند از عدد معینی که به ثابت پلانک معروف است کمتر شود. همچنین این حد ، به راه و روش اندازه گیری وضعیت و سرعت ذره بستگی نداشته و مستقل از جرم ذره است.

اصل عدم قطعیت هایزنبرگ ، خاصیت بنیادین و گریز ناپذیر جهان است.

عدم قطعیت در مورد حرکت الکترون به دور هسته

رابطه عدم قطعیت با اصل مکملی

اصل مکملی نشان می‌دهد که کاربرد همزمان توصیف‌های موجی و ذره‌ای در مورد یک ذره مادی مانند فوتون غیرممکن است. در صورتی که یکی از این دو توصیف را انتخاب کنیم، توصیف دیگر کنار گذاشته می‌شود. به عنوان مثال ، اگر تابش الکترومغناطیسی را به زبان ذرات بیان کنیم و مکان فوتون را در هر لحظه با دقت کامل تعیین کنیم، در آن صورت عدم قطعیت در مکان و زمان هر دو صفرند. اما از طرف دیگر ، عدم قطعیت در آنچه که به موج فوتون نسبت داده می‌شود (طول موج وفرکانس) بینهایت بزرگ خواهد بود.

در عوض اگر توصیف موجی را بکار ببریم، در این‌صورت عدم قطعیت در تعیین فرکانس و طول موج صفر بوده ولی عدم قطعیت در مکان و زمان بینهایت خواهد بود. بنابراین یک رابطه بین عدم قطعیت در فرکانس و زمان و نیز بین مکان و طول موج وجود خواهد داشت. به بیان دیگر ، حاصلضرب ΔtΔE (عدم قطعیت در فرکانس و زمان) و ΔxΔp (عدم قطعیت در طول موج و مکان) مقداری ثابت خواهد بود، یعنی اگر به عنوان مثال ΔE افزایش یابد، Δt کاهش خواهد یافت و بر عکس.

رابطه عدم قطعیت اندازه حرکت و مکان

یکی از مهمترین مشاهدات کیفی که در بحث بسته موج صورت می‌گیرد، رابطه بین پهنای بسته موج در دو فضای مکان و اندازه حرکت است. این دو کمیت باهم رابطه عکس دارند، یعنی هرگاه پهنای بسته موج در فضای مکان بیشتر باشد، بر عکس در فضای اندازه حرکت کمتر خواهد بود. به گونه‌ای که حاصلضرب همواره بزرگتر یا مساوی ħ خواهد بود. ħ کمیت ثابتی است که به صورت نسبت ثابت پلانک بر عدد 2π تعریف می‌شود. به عبارت دیگر ، رابطه عدم قطعیت هایزنبرگ در مورد اندازه حرکت و مکان به صورت زیر است:

ΔpΔx≥ħ

رابطه عدم قطعیت انرژی و زمان

می‌دانیم که نظریه پلانک و به تبع آن کارهای انیشتین نشان داد که ‌انرژی به صورت کوانتاهای انرژی با مقدار hv می‌باشد، به عبارت دیگر ، انرژی به صورت E = hv بیان می‌شود. اگر این رابطه را در رابطه مربوط به عدم قطعیت در فرکانس و زمان قرار دهیم، در این صورت رابطه معروف عدم قطعیت هایزنبرگ در مورد انرژی و زمان به صورت زیر حاصل می‌گردد:

ΔEΔt ≥ ħ

اصل عدم قطعیت ، ناقض فرضیه لاپلاس

این اصل مهر پایانی بود بر نظریه لاپلاس. تنها در صورتی که مشاهده جهان به صورتی باشد که در آن ، اختلالی ایجاد نکرده و وضع فعلی آن را تغییر ندهد، می‌توانیم امیدوار باشیم که اصل عدم قطعیت راه ما را برای شناختن رویدادهای آینده سد نخواهد کرد که البته ، این امر کاملا غیر ممکن است، زیرا تنها ابزار شناسایی ما امواج می‌باشند. اما هنوز می‌توان تصور کرد که مجموعه ای از قانون‌ها وجود دارد که برای موجودات ماوراء طبیعیی که می‌توانند بدون استفاده از امواج ، جهان را مشاهده کنند، چند و چون رویدادها را بطور کامل تعیین می‌کند.

با این حال مدلهای اینچنینی از جهان ، چندان دردی از ما موجودات فانی و معمولی این دنیا دوا نمی‌کند. بهتر است به اصل صرفه جویی که به تیغ اکام مشهور است پایبند باشیم و همه جنبه‌های نظریه را که مشاهده پذیر نیست کنار بگذاریم.