الأمواج المادية ومبدأ اللايقين

ما هو مبدأ اللايقين؟

مبدأ عدم اليقين، المعروف أيضًا باسم مبدأ عدم اليقين في (Heisenberg) أو مبدأ عدم التحديد، هو عبارة صاغها (1927) الفيزيائي الألماني (Werner Heisenberg)، مفادها أنه لا يمكن قياس موضع الجسم وسرعته تمامًا، في نفس الوقت حتى من الناحية النظرية، حيث إن مفاهيم الموقع الدقيق والسرعة الدقيقة معًا، في الواقع، ليس لها معنى في الطبيعة.

الخبرة العادية لا تقدم أي دليل على هذا المبدأ، إذ أنه من السهل قياس موقع وسرعة السيارة على سبيل المثال؛ لأن أوجه عدم اليقين التي ينطوي عليها هذا المبدأ بالنسبة للأشياء العادية صغيرة جدًا بحيث لا يمكن ملاحظتها.

تنص القاعدة الكاملة على أن ناتج عدم اليقين في الموضع والسرعة يساوي أو أكبر من كمية مادية صغيرة، أو ثابت (h / (4π) )، حيث h هو ثابت بلانك، أو حوالي 6.6 × 10⁻³⁴ جول ثانية، حيث فقط بالنسبة للكتل الصغيرة جدًا من الذرات والجسيمات دون الذرية يصبح ناتج عدم اليقين مهمًا، أي محاولة لقياس سرعة جسيم دون ذري بدقة، مثل الإلكترون ستضربه بطريقة لا يمكن التنبؤ بها، بحيث لا يكون للقياس المتزامن لموقعه أي صلاحية.

هذه النتيجة لا علاقة لها بأوجه القصور في أدوات القياس أو التقنية أو المراقب؛ ينشأ من العلاقة الحميمة في الطبيعة بين الجسيمات والموجات في عالم الأبعاد دون الذرية.

ازدواجية الموجة والجسيم:

ينشأ مبدأ عدم اليقين من ازدواجية الموجة والجسيم، بحيث كل جسيم له موجة مرتبطة به؛ وكل جسيم يعرض في الواقع سلوكًا موجيًا، إذ من المرجح أن يوجد الجسيم في تلك الأماكن التي تكون فيها تموجات الموجة أكبر أو أكثر كثافة ومع ذلك، كلما زادت كثافة تموجات الموجة المرتبطة، كلما أصبح الطول الموجي غير واضح المعالم، والذي بدوره يحدد زخم الجسيم.

لذلك فإن الموجة المحددة بدقة لها طول موجي غير محدد الجسيم المرتبط به، في حين أن له موقعًا محددًا، وليس له سرعة معينة، ومن ناحية أخرى تنتشر موجة جسيمية ذات طول موجي محدد جيدًا؛ وقد يكون الجسيم المرتبط، في حين أن لديه سرعة دقيقة نوعًا ما في أي مكان تقريبًا، كما أن القياس الدقيق للغاية لأحد الأشياء التي يمكن ملاحظتها ينطوي على قدر كبير من عدم اليقين في قياس الآخر.

يتم التعبير عن مبدأ عدم اليقين بشكل بديل من حيث زخم الجسيم وموضعه، حيث أن زخم الجسيم يساوي حاصل ضرب كتلته في سرعته وبالتالي، فإن ناتج أوجه عدم اليقين في الزخم وموضع الجسيم يساوي (h / (4π) ) أو أكثر.

ينطبق المبدأ على أزواج أخرى (مترافقة) من الملاحظات ذات الصلة، مثل الطاقة والوقت: بحيث ناتج عدم اليقين في قياس الطاقة وعدم اليقين في الفترة الزمنية التي يتم خلالها القياس أيضًا تساوي h / (4π)) أو أكثر، وتنطبق نفس العلاقة بالنسبة للذرة أو النواة غير المستقرة بين عدم اليقين في كمية الطاقة المشعة وعدم اليقين في عمر النظام غير المستقر؛ لأنه ينتقل إلى حالة أكثر استقرارًا.

امتلاك كيانات مادية (مثل الضوء والإلكترونات) لخصائص تشبه الموجة والجسيمات، وعلى أساس الأدلة التجريبية، أظهر الفيزيائي الألماني ألبرت أينشتاين لأول مرة (1905) أن الضوء الذي كان يعتبر شكلاً من أشكال الموجات الكهرومغناطيسية، يجب أن يُنظر إليه أيضًا على أنه شبيه بالجسيمات موضعي في حزم من الطاقة المنفصلة.

ملاحظات تأثير كومبتون (1922) من قبل الفيزيائي الأمريكي آرثر هولي كومبتون يمكن تفسيرها فقط إذا كان للضوء ازدواجية موجة وجسيم، واقترح الفيزيائي الفرنسي لويس دي برولي (1924) أن الإلكترونات والقطع المنفصلة الأخرى من المادة، والتي كانت حتى ذلك الحين تُصوَّر فقط كجسيمات مادية، لها أيضًا خصائص موجية مثل الطول الموجي والتردد.

في وقت لاحق (1927) تم إنشاء الطبيعة الموجية للإلكترونات بشكل تجريبي من قبل الفيزيائيين الأمريكيين كلينتون دافيسون وليستر جيرمر، وبشكل مستقل من قبل الفيزيائي الإنجليزي جورج باجيت طومسون، وأعلن الفيزيائي الدنماركي نيلز بور في عام 1928 عن فهم العلاقة التكميلية بين جوانب الموجة وجوانب الجسيمات للظاهرة نفسها.

الطبيعة المزدوجة للإشعاع الكهرومغناطيسي:

يمكن للإشعاع الكهرومغناطيسي أن يتصرف كجسيم في بعض الحالات، بينما يظهر خصائص موجية تنتج التداخل وظاهرة الانعراج في حالات أخرى، إذ عُرف هذا السلوك المتناقض باسم ازدواجية الموجة والجسيم، ورفض بور ​​فكرة الكميات الخفيفة، وبحث عن طرق لشرح تأثير كومبتون والتأثير الكهروضوئي من خلال القول بأن قوانين الحفاظ على الزخم والطاقة تحتاج إلى إشباعها إحصائيًا فقط في المتوسط ​​الزمني، وفي عام 1923 ذكر أن فرضية الكميات الخفيفة تستبعد، من حيث المبدأ إمكانية تعريف منطقي لمفاهيم التردد وطول الموجة التي تعتبر ضرورية لشرح التداخل.

في العام التالي اهتزت الأسس المفاهيمية للفيزياء من قبل الفيزيائي الفرنسي لويس دي برولي، الذي اقترح في أطروحة الدكتوراة أن ثنائية الموجة والجسيم لا تنطبق فقط على الضوء ولكن على الجسيم أيضًا.

اقترح (De Broglie) أن أي كائن له خصائص موجية، وعلى وجه الخصوص أظهر أن مدارات وطاقات ذرة الهيدروجين، كما هو موصوف في نموذج بور الذري، تتوافق مع شرط أن محيط أي مدار يتطابق بدقة مع عدد متكامل من الأطوال الموجية λ لموجات المادة من الإلكترونات.

أي جسيم مثل الإلكترون يتحرك مع زخم p له، وفقًا لـ (de Broglie)، طول موجة (λ = h / p) تطلبت هذه الفكرة ثورة مفاهيمية في الميكانيكا، مما أدى إلى الموجة وميكانيكا الكم لكل من (Erwin Schrödinger) و (Werner Heisenberg) و (Max Born).

سرعان ما تم التحقق تجريبيًا من فكرة (De Broglie) عن السلوك الموجي للجسيمات، ففي عام 1927، لاحظ كل من كلينتون جوزيف دافيسون وليستر جيرمر من الولايات المتحدة الانعراج، ومن ثم تداخل موجات الإلكترون من خلال الترتيب المنتظم للذرات في بلورة من النيكل.

في نفس العام حصل (S. Kikuchi) من اليابان على نمط حيود الإلكترون عن طريق إطلاق إلكترونات بطاقة 68 كيلو فولت عبر لوحة ميكا رقيقة، وتسجيل نمط الانعراج الناتج على لوحة فوتوغرافية، حيث يتوافق النمط المرصود مع موجات الإلكترون ذات الطول الموجي الذي تنبأ به دي برولي.

تم العثور على تأثيرات حيود ذرات الهيليوم في عام 1930، وأصبح حيود النيوترون اليوم أداة لا غنى عنها لتحديد التركيب المغناطيسي والذري للمواد، وغالبًا ما يُستشهد بنمط التداخل الذي ينتج عندما تضرب جبهة الإشعاع شقين في شاشة معتمة لشرح الصعوبة المفاهيمية لازدواجية الموجة والجسيم.

ناخذ في الاعتبار شاشة معتمة ذات فتحتين A و B، تسمى الشق المزدوج، ولوحة فوتوغرافية أو شاشة عرض، بحيث موجة متوازية بطول موجة w تمر عبر الشق المزدوج ستنتج نمط الشدة على لوحة أو شاشة، والشدة هي أعظمها في المركز، وتنخفض إلى الصفر في جميع المواقع x₀، حيث تختلف المسافات إلى الفتحات A و B بمضاعفات الأرقام الفردية لنصف طول الموجة، على سبيل المثال، λ/2، 3λ/2، 5λ/2.

إن حالة هذا التداخل المدمر هي نفسها بالنسبة لمقياس تداخل ميكلسون، إذ بينما تقسم المرآة نصف الشفافة سعة كل قطار موجي إلى النصف، يكون التقسيم من خلال الفتحتين A و B مكانيًا، بحيث هذا الأخير يسمى تقسيم جبهة الموجة، ويتم ملاحظة التداخل البناء أو الحد الأقصى من الشدة على الشاشة في جميع المواضع التي تختلف مسافاتها من A و B بمقدار صفر أو مضاعف عدد صحيح لـ λ، وهذا هو تفسير الموجة لنمط التداخل ذي الشق المزدوج المرصود.

يختلف وصف الفوتونات بالضرورة؛ لأن الجسيم يمكن أن يمر بوضوح فقط من خلال الفتحة A، أو بدلاً من ذلك من خلال الفتحة B ومع ذلك، لا يلاحظ أي نمط تداخل عند إغلاق أي من A أو B، حيث يجب فتح كل من A و B في وقت واحد.

كان يعتقد لبعض الوقت أن فوتونًا واحدًا يمر عبر A قد يتداخل مع فوتون آخر يمر عبر B، وقد تم استبعاد هذا الاحتمال بعد أن أوضح الفيزيائي البريطاني جيفري تايلور في عام 1909 أنه يمكن تسجيل نفس نمط التداخل على لوحة فوتوغرافية حتى عندما كانت شدة الضوء ضعيفة للغاية، بحيث لا يوجد سوى فوتون واحد في الجهاز في أي وقت.

كانت هناك محاولة أخرى لفهم الطبيعة المزدوجة للإشعاع الكهرومغناطيسي وهي تحديد الفوتون بقطار موجي يكون طوله مساويًا لطول تماسكه cτ ، حيث τ هو وقت التماسك، أو عمر الانتقال الذري من أعلى إلى منخفض داخلي، حالة الطاقة الذرية، و c هي سرعة الضوء.

هذا هو نفس تصور الفوتون ليكون حزمة موجة ممدودة، أو “إشعاع إبرة” مرة أخرى، كان لمصطلح “فوتون” معنى مختلف لعلماء مختلفين، وظلت طبيعة الموجة والبنية الكمومية غير متوافقة، لقد حان الوقت لإيجاد نظرية للإشعاع الكهرومغناطيسي من شأنها أن تدمج نظرية الموجة ونظرية الجسيمات، وتم تحقيق هذا الاندماج بواسطة الديناميكا الكهربائية الكمية (QED).

الديناميكا الكهربائية الكمية من بين الظواهر الأكثر إقناعًا التي توضح الطبيعة الكمومية للضوء ما يلي، بحيث عندما يتم تعتيم شدة الضوء أكثر فأكثر، يمكن للمرء أن يرى كمات فردية مسجلة في أجهزة الكشف عن الضوء، وإذا كانت العيون أكثر حساسية بحوالي 10 مرات، يمكن للمرء أن يرى نبضات الضوء الفردية لمصادر الضوء الخافتة والخافتة على أنها ومضات أقل وأقل بنفس الشدة.

علاوة على ذلك، تم إنتاج فيلم عن تراكم نمط التداخل ثنائي الشق بواسطة الفوتونات الفردية، حيث أن الفوتونات هي جسيمات، لكنها تتصرف بشكل مختلف عن الجسيمات العادية مثل كرات البلياردو، كما تشكل قواعد سلوكهم وتفاعلهم مع الإلكترونات والجسيمات المشحونة الأخرى، وكذلك تفاعلات الجسيمات المشحونة مع بعضها البعض، QED.