فهم مبدأ عدم اليقين Heisenberg

مبدأ عدم اليقين لهيسنبرغ هو واحد من حجر الزاوية في فيزياء الكم، لكن غالبًا ما لا يفهمه هؤلاء الذين لم يدرسوه بعناية. في حين أنه ، كما يوحي الاسم ، تحديد مستوى معين من عدم اليقين على المستويات الأساسية لل الطبيعة نفسها ، يتضح عدم اليقين هذا بطريقة مقيدة للغاية ، لذلك لا يؤثر علينا في حياتنا اليومية الأرواح. فقط التجارب المبنية بعناية يمكن أن تكشف عن هذا المبدأ في العمل.

في عام 1927 ، وضع الفيزيائي الألماني فيرنر هايزنبرغ ما أصبح يعرف باسم مبدأ عدم اليقين هايزنبرغ (أو فقط مبدأ عدم اليقين أو في بعض الأحيان، مبدأ هايزنبرغ). أثناء محاولته بناء نموذج حدسي للفيزياء الكمومية ، اكتشف Heisenberg ذلك هناك كانت بعض العلاقات الأساسية التي وضعت قيودًا على مدى معرفة بعض المعلومات كميات. على وجه التحديد ، في التطبيق الأكثر مباشرة للمبدأ:

كلما زادت دقة معرفتك لموضع الجسيم ، قل قدرتك على معرفة زخم تلك الجسيمات في نفس الوقت.

إن مبدأ عدم اليقين في Heisenberg هو بيان رياضي دقيق للغاية حول طبيعة النظام الكمي. من الناحية المادية والرياضية ، فإنه يقيد درجة الدقة التي يمكن أن نتحدث عن وجود نظام. المعادلتين التاليتين (كما هو موضح ، بشكل أجمل ، في الرسم بأعلى هذه المقالة) ، تسمى علاقات عدم اليقين هايزنبرغ ، هي المعادلات الأكثر شيوعا المتعلقة بعدم اليقين المبدأ:

المعادلة 1: دلتا- س * دلتا- ص يتناسب ح-شريط
المعادلة 2: دلتا- هـ * دلتا- ر يتناسب ح-شريط

الرموز في المعادلات أعلاه لها المعنى التالي:

• ح-bar: يُطلق عليه "ثابت Planck الثابت" ، وهذا له قيمة ثابت Planck مقسومًا على 2 * pi.
• دلتا-س: هذا هو عدم اليقين في موضع كائن (قل جسيم معين).
• دلتا-ص: هذا هو عدم اليقين في زخم كائن.
• دلتا-هـ: هذا هو عدم اليقين في طاقة الجسم.
• دلتا-ر: هذا هو عدم اليقين في قياس الوقت للكائن.

من هذه المعادلات ، يمكننا أن نقول بعض الخواص الفيزيائية لعدم اليقين في القياس في النظام بناءً على مستوى الدقة المطابق مع القياس الخاص بنا. إذا أصبحت حالة عدم اليقين في أي من هذه القياسات صغيرة للغاية ، مما يتوافق مع وجود دقيقة للغاية القياس ، ثم تخبرنا هذه العلاقات أن عدم اليقين المقابل يجب أن يزداد ، للحفاظ على التناسب.

بمعنى آخر ، لا يمكننا قياس الخواص في نفس الوقت في كل معادلة بمستوى غير محدود من الدقة. فكلما قمنا بقياس الموقف بدقة ، قلَّما قدرتنا على قياس الزخم في وقت واحد (والعكس صحيح). وكلما قمنا بقياس الوقت بدقة أكبر ، قل قدرًا من الدقة في قياس الطاقة في وقت واحد (والعكس صحيح).

على الرغم من أن ما سبق قد يبدو غريباً للغاية ، إلا أن هناك في الواقع مراسلات ملائمة للطريقة التي يمكننا بها العمل في العالم الحقيقي (أي الكلاسيكي). دعنا نقول أننا كنا نشاهد سيارة سباق على حلبة وكان من المفترض أن نسجلها عندما تجاوزت خط النهاية. من المفترض ألا نقيس فقط الوقت الذي يعبر فيه خط النهاية ولكن أيضًا السرعة المحددة التي يفعل بها ذلك. نقيس السرعة عن طريق الضغط على زر في ساعة توقيت في الوقت الحالي ، نراها تعبر خط النهاية ونقيس السرعة النظر إلى قراءة رقمية (لا تتفق مع مشاهدة السيارة ، لذلك عليك أن تدير رأسك بمجرد تجاوز النهاية خط). في هذه الحالة الكلاسيكية ، من الواضح أن هناك درجة ما من عدم اليقين بشأن هذا ، لأن هذه الإجراءات تستغرق بعض الوقت المادي. سنرى السيارة تلمس خط النهاية ، واضغط على زر ساعة التوقيت ، وننظر إلى الشاشة الرقمية. تفرض الطبيعة المادية للنظام حدًا محددًا لمدى دقة هذا الأمر. إذا كنت تركز على محاولة مراقبة السرعة ، فقد تنقطع عند قياس الوقت المحدد عبر خط النهاية والعكس صحيح.

كما هو الحال مع معظم المحاولات لاستخدام أمثلة كلاسيكية لإظهار السلوك الجسدي الكمومي ، هناك العيوب مع هذا التشبيه ، لكنه يرتبط إلى حد ما بالواقع المادي في العمل في الكم مملكة. علاقات عدم اليقين تأتي من سلوك يشبه الموجة للأجسام على مقياس الكم ، و حقيقة أنه من الصعب للغاية قياس الوضع المادي للموجة بدقة ، حتى في النمط الكلاسيكي الحالات.

من الشائع جدا أن يتشابك مبدأ عدم اليقين مع ظاهرة تأثير المراقب في فيزياء الكم ، مثل تلك التي تتجلى خلال قطة شرودنجر تجربة فكرية. هذه في الواقع مسألتان مختلفتان تمامًا في فيزياء الكم ، على الرغم من أن كلاهما يفرض تفكيرنا الكلاسيكي. مبدأ عدم اليقين هو في الواقع قيد أساسي على القدرة على الإدلاء ببيانات دقيقة حول سلوك النظام الكمي ، بغض النظر عن فعلنا الفعلي المتمثل في إجراء الملاحظة أم لا. التأثير المراقب ، من ناحية أخرى ، يعني أنه إذا قمنا بإجراء نوع معين من الملاحظة ، فإن النظام نفسه سوف يتصرف بشكل مختلف عن النظام دون هذه الملاحظة في المكان.

بسبب دورها المركزي في أسس الفيزياء الكمومية ، فإن معظم الكتب التي تستكشف عالم الكم ستقدم شرحًا لمبدأ عدم اليقين ، مع مستويات متفاوتة من النجاح. فيما يلي بعض الكتب التي تحقق أفضل النتائج ، حسب رأي المؤلف المتواضع. هناك كتابان عامان عن فيزياء الكم ككل ، في حين أن الكتابين الأخريين سيرة ذاتية قدرهما علميًا ، وهما يقدمان رؤى حقيقية في حياة وأعمال فيرنر هايزنبرغ:

• قصة مذهلة من ميكانيكا الكم جيمس Kakalios
• الكون الكم بريان كوكس وجيف فورشو
• وراء عدم اليقين: هايزنبرغ ، فيزياء الكم ، والقنبلة بقلم ديفيد سي. كاسيدي
• عدم اليقين: أينشتاين ، هايزنبرغ ، بور ، والنضال من أجل روح العلم ديفيد ليندلي