ميكانيكا الكم تخضع لقوانين مختلفة تمامًا عن الفيزياء الكلاسيكية. عمل العديد من العلماء المؤثرين في هذا المجال ، بما في ذلك ألبرت أينشتاين ، وإروين شرودينجر ، وفيرنر هايزنبرغ ، ونيلز بور ، ولويس دي بروجلي ، وديفيد بوم ، وولفغانغ باولي.
ينص تفسير كوبنهاجن القياسي لفيزياء الكم على أن كل ما يمكن معرفته يتم الحصول عليه من خلال الدالة الموجية. بعبارة أخرى ، لا يمكننا معرفة خصائص معينة للجسيمات الكمومية بأية شروط مطلقة. لقد وجد الكثيرون هذه الفكرة مقلقة واقترحوا كل أنواع التجارب الفكرية والتفسيرات البديلة ، لكن الرياضيات المتوافقة مع التفسير الأصلي لا تزال قائمة.
الطول الموجي والموقف
فكر في هز الحبل بشكل متكرر لأعلى ولأسفل ، مما يخلق موجة تسافر لأسفله. من المنطقي أن نسأل ما هو الطول الموجي - وهذا سهل بما يكفي للقياس - ولكن ليس من المنطقي أن نسأل أين الموجة ، لأن الموجة هي في الحقيقة ظاهرة مستمرة على طول الحبل.
في المقابل ، إذا تم إرسال نبضة موجة واحدة إلى أسفل الحبل ، فإن تحديد مكانها يصبح مباشرًا ، لكن تحديد طولها الموجي لم يعد منطقيًا لأنه ليس موجة.
يمكنك أيضًا تخيل كل شيء بينهما: إرسال حزمة موجية أسفل الحبل ، على سبيل المثال ، يتم تحديد الموضع إلى حد ما ، والطول الموجي أيضًا ، ولكن ليس كليهما تمامًا. هذا الاختلاف هو جوهر مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ.
ازدواجية موجة - جسيم
سوف تسمع الناس يستخدمون كلمتي الفوتون والإشعاع الكهرومغناطيسي بالتبادل ، على الرغم من أنه يبدو أنهما شيئان مختلفان. عند الحديث عن الفوتونات ، فهم يتحدثون عادة عن الخصائص الجسيمية لهذه الظاهرة ، بينما عندما يتحدثون عن الموجات الكهرومغناطيسية أو الإشعاع ، فإنهم يتحدثون إلى الموجات الخصائص.
تظهر الفوتونات أو الإشعاع الكهرومغناطيسي ما يسمى ثنائية موجة الجسيمات. في مواقف معينة وفي تجارب معينة ، تُظهر الفوتونات سلوكًا شبيهًا بالجسيمات. أحد الأمثلة على ذلك هو التأثير الكهروضوئي ، حيث يتسبب الضوء الذي يصطدم بسطح ما في إطلاق الإلكترونات. لا يمكن فهم تفاصيل هذا التأثير إلا إذا تم التعامل مع الضوء كحزم منفصلة يجب أن تمتصها الإلكترونات حتى تنبعث.
في مواقف وتجارب أخرى ، يتصرفون مثل الموجات. وخير مثال على ذلك هو أنماط التداخل التي لوحظت في التجارب أحادية أو متعددة الشقوق. في هذه التجارب ، يمر الضوء من خلال شقوق ضيقة ومتقاربة ، ونتيجة لذلك ، ينتج نمط تداخل يتوافق مع ما قد تراه في الموجة.
والأغرب من ذلك ، أن الفوتونات ليست هي الشيء الوحيد الذي يُظهر هذه الازدواجية. في الواقع ، يبدو أن جميع الجسيمات الأساسية ، حتى الإلكترونات والبروتونات ، تتصرف بهذه الطريقة! كلما كان الجسيم أكبر ، كلما كان طوله الموجي أقصر ، لذلك قل ظهور هذه الازدواجية. هذا هو السبب في أننا لا نلاحظ أي شيء من هذا القبيل على الإطلاق على مقياسنا اليومي المجهري.
تفسير ميكانيكا الكم
على عكس السلوك الواضح لقوانين نيوتن ، تُظهر الجسيمات الكمومية نوعًا من الغموض. لا يمكنك تحديد ما يفعلونه بالضبط ، ولكن فقط أعطِ الاحتمالات لما قد تسفر عنه نتائج القياس. وإذا كانت غريزتك تفترض أن هذا بسبب عدم القدرة على قياس الأشياء بدقة ، فستكون غير صحيح ، على الأقل من حيث التفسيرات القياسية للنظرية.
ينص ما يسمى بتفسير كوبنهاجن للنظرية الكمومية على أن كل ما يمكن معرفته عن الجسيم موجود في الدالة الموجية التي تصفه. لا توجد متغيرات أو أشياء مخفية إضافية لم نكتشفها ببساطة والتي من شأنها أن تعطي مزيدًا من التفاصيل. إنه غامض في الأساس ، إذا جاز التعبير. إن مبدأ عدم اليقين في Heisenberg هو مجرد تطور آخر يعزز هذا الغموض.
مبدأ عدم اليقين Heisenberg
تم اقتراح مبدأ عدم اليقين لأول مرة من قبل الفيزيائي الألماني فيرنر هايزنبرغ الذي يحمل الاسم نفسه ، في عام 1927 أثناء عمله في معهد نيلز بور في كوبنهاغن. نشر النتائج التي توصل إليها في ورقة بعنوان "حول المحتوى الإدراكي للحركية النظرية الكمية والميكانيكا".
ينص المبدأ على أن موضع الجسيم وزخم الجسيم (أو طاقة الجسيم وزمنه) لا يمكن معرفتهما في وقت واحد مع اليقين المطلق. أي أنه كلما زادت دقة معرفتك بالموضع ، قلّت دقة معرفتك بالزخم (الذي يرتبط ارتباطًا مباشرًا بطول الموجة) والعكس صحيح.
تطبيقات مبدأ عدم اليقين عديدة وتشمل حبس الجسيمات (تحديد الطاقة المطلوبة للاحتواء جسيم داخل حجم معين) ، معالجة الإشارات ، المجاهر الإلكترونية ، فهم التقلبات الكمومية ونقطة الصفر طاقة.
علاقات عدم اليقين
يتم التعبير عن علاقة عدم اليقين الأولية على أنها عدم المساواة التالية:
\ sigma_x \ sigma_p \ geq \ frac {\ hbar} {2}
أين ℏ هو ثابت بلانك المختزل وσxوσصهي الانحراف المعياري للموضع والزخم ، على التوالي. لاحظ أنه كلما أصبح أحد الانحرافات المعيارية أصغر ، يجب أن يصبح الانحراف الآخر أكبر من أجل التعويض. ونتيجة لذلك ، كلما زادت دقة معرفتك بإحدى القيم ، قلت دقة معرفتك للقيمة الأخرى.
تتضمن علاقات عدم اليقين الإضافية عدم اليقين في المكونات المتعامدة للزاوية الزخم وعدم اليقين في الوقت والتردد في معالجة الإشارات وعدم اليقين في الطاقة والوقت ، وما إلى ذلك وهلم جرا.
مصدر عدم اليقين
تتمثل إحدى الطرق الشائعة لشرح أصول عدم اليقين في وصفه من حيث القياس. ضع في اعتبارك أن قياس موضع الإلكترون ، على سبيل المثال ، يتطلب التفاعل معه بطريقة ما - عادةً ما يتم ضربه بفوتون أو جسيم آخر.
ومع ذلك ، فإن فعل ضربه بالفوتون يتسبب في تغيير زخمه. ليس ذلك فحسب ، فهناك قدر معين من عدم الدقة في القياس مع الفوتون المرتبط بطول موجة الفوتون. يمكن تحقيق قياس أكثر دقة للموقع باستخدام فوتون ذي طول موجي أقصر ، لكن هذه الفوتونات تحمل طاقة أكبر ، وبالتالي يمكن أن يسبب تغيرًا أكبر في زخم الإلكترون ، مما يجعل من المستحيل قياس كل من الموضع والزخم بالكمال صحة.
في حين أن طريقة القياس تجعل من الصعب بالتأكيد الحصول على قيم كليهما في وقت واحد كما هو موصوف ، فإن المشكلة الفعلية أكثر جوهرية من ذلك. إنها ليست مجرد مسألة تتعلق بقدرات القياس لدينا ؛ إنها خاصية أساسية لهذه الجسيمات أنه ليس لها موقع وزخم محدد جيدًا في نفس الوقت. تكمن الأسباب في تشبيه "الموجة على الوتر" الذي تم إجراؤه مسبقًا.
تطبيق مبدأ عدم اليقين على القياسات العيانية
أحد الأسئلة الشائعة التي يطرحها الناس فيما يتعلق بغرابة ظواهر ميكانيكا الكم هو كيف لا يرون هذه الغرابة على مقياس الأشياء اليومية؟
اتضح أن الأمر لا يعني أن ميكانيكا الكم ببساطة لا تنطبق على الأجسام الأكبر ، ولكن التأثيرات الغريبة لها كما هي لا تذكر على المقاييس الكبيرة. ازدواجية الموجة الجسيمية ، على سبيل المثال ، لا تُلاحظ على نطاق واسع لأن الطول الموجي لموجات المادة يصبح صغيرًا بشكل متلاشي ، ومن هنا يأتي السلوك الشبيه بالجسيمات السائد.
بالنسبة لمبدأ عدم اليقين ، ضع في اعتبارك حجم الرقم الموجود على الجانب الأيمن من عدم المساواة. ℏ/2 = 5.272859 × 10-35 كجم2/s. لذلك يجب أن يكون عدم اليقين في الموضع (بالأمتار) مضروبًا في عدم اليقين في الزخم (بالكيلو جرام / ثانية) أكبر من أو يساوي هذا. على المقياس العياني ، الاقتراب من هذا الحد يعني مستويات دقة مستحيلة. على سبيل المثال ، يمكن قياس جسم وزنه 1 كجم على أنه يحتوي على زخم قدره 1.00000000000000000 ± 10-17 كجم م / ث بينما في موضع 1.00000000000000000 ± 10-17 م ولا يزال أكثر من إرضاء عدم المساواة.
من الناحية المجهرية ، فإن الجانب الأيمن من عدم المساواة في عدم اليقين صغير نسبيًا لدرجة أنه لا يكاد يذكر ، لكن القيمة ليست مهملة في الأنظمة الكمومية. بمعنى آخر: لا يزال المبدأ ساريًا على الأشياء العيانية - يصبح غير ذي صلة نظرًا لحجمها!