Η αρχή της αβεβαιότητας
Στην καθημερινή ζωή, είναι εύκολο να υπολογιστεί η ταχύτητα και η θέση ενός κινούμενου σώματος ύλης. Ένα αυτοκίνητο που ταξιδεύει με 50 km/h θα έχει διανύσει μια συγκεκριμένη απόσταση σε συγκεκριμένο χρονικό διάστημα και θα είναι εύκολα παρατηρήσιμο. Αλλά σε κβαντικά συστήματα όπου η κίνηση που μετράται είναι υποατομικών σωματιδίων, τέτοιοι υπολογισμοί είναι αδύνατοι ακόμη και στη θεωρία λόγω μιας μαθηματικής σχέσης που ονομάζεται αρχή της αβεβαιότητας.
Η προέλευση της αρχής της αβεβαιότητας έγινε με τη θεωρία που διατύπωσε ο Werner Heisenberg το 1927. Είπε ότι η θέση και η ταχύτητα ενός αντικειμένου δεν μπορούν να μετρηθούν ταυτόχρονα, ακόμη και με θεωρητικό τρόπο. Έτσι, η προέλευση της αρχής της αβεβαιότητας έθεσε την ιδέα ότι στη φύση, οι έννοιες μιας ακριβούς θέσης ή μιας ακριβούς ταχύτητας ταυτόχρονα δεν είναι δυνατές. Όταν εφαρμόζεται σε συνηθισμένα μακροσκοπικά αντικείμενα, μπορεί να μην είναι παρατηρήσιμο. Οι αβεβαιότητες της αρχής είναι πολύ ασήμαντες για να προσφέρουν μετρήσιμες αλλαγές. Ωστόσο, αυτές οι αβεβαιότητες γίνονται αρκετά εμφανείς στο επίπεδο των κβαντικών σωματιδίων.
Η αρχή της αβεβαιότητας
Η αρχή της αβεβαιότητας δηλώνει ότι το γινόμενο των αβεβαιοτήτων στη θέση και την ταχύτητα είναι μεγαλύτερο ή ίσο με ένα ελάχιστο φυσικό μέγεθος, το οποίο είναι h/4❜ και h είναι η σταθερά του Planck. Μόνο στο επίπεδο των μικροσκοπικών μαζών όπως τα ηλεκτρόνια αυτό το γινόμενο της αβεβαιότητας αποκτά αξιοσημείωτη σημασία.
xph/4
Η ιδέα πίσω από την αρχή της αβεβαιότητας
Αυτή η ιδέα μπορεί να εξηγηθεί καλύτερα με τη βοήθεια ενός παραδείγματος. Ας υποθέσουμε ότι υπάρχει μια λίμνη και σχηματίζονται κύματα στη λίμνη. Η ταχύτητα ενός μεμονωμένου κύματος θα έπρεπε να μετρηθεί παρατηρώντας τις κορυφές και το κατώτατο σημείο που σχηματίζεται από τον κυματισμό. Όσο περισσότερος είναι ο αριθμός των κορυφών και των κοιλοτήτων που περνούν υπό παρατήρηση, τόσο ακριβέστερα θα μετρηθεί η ταχύτητα του κύματος. Αλλά αν το αντικείμενο παρατηρούσε τη θέση μιας μόνο κορυφής, τότε μόνο ένα μικροσκοπικό τμήμα του κύματος θα έπρεπε να παρακολουθείται. Θα ήταν απαραίτητο να σταματήσετε να παρατηρείτε το πέρασμα άλλων κορυφών και γούρνων για να γίνει αυτό. Έτσι, δεν θα ήταν δυνατός ο υπολογισμός της ταχύτητας του κύματος.
Τα υποατομικά σωματίδια συμπεριφέρονται σαν κύματα. Γι' αυτό ισχύει για αυτούς η αρχή της αβεβαιότητας. Η αρχή της αβεβαιότητας που ισχύει για την κβαντική φυσική έχει μια αρχή παρόμοια με αυτήν που ισχύει για την κλασική φυσική και τα εφαρμοσμένα μαθηματικά. Σύμφωνα με αυτό, οποιοδήποτε σωματίδιο με αποδεδειγμένες κυματοειδείς ιδιότητες θα παρουσιάζει την αρχή της αβεβαιότητας στην κίνησή του.
Μέτρηση της ταχύτητας και της θέσης ενός ηλεκτρονίου
Ο Heisenberg προσπάθησε να παρατηρήσει τη θέση και την ταχύτητα των ηλεκτρονίων χρησιμοποιώντας ένα μικροσκόπιο ακτίνων γάμμα. Βρήκε ότι όταν γίνεται μια προσπάθεια να μετρηθεί η ταχύτητα οποιουδήποτε υποατομικού σωματιδίου, το σωματίδιο χτυπιέται από την τροχιά του, απρόβλεπτα. Έτσι, η μέτρηση της θέσης του σε μια συγκεκριμένη ταχύτητα δεν έχει καμία απολύτως χρησιμότητα. Αυτό δεν συμβαίνει επειδή υπάρχουν ανεπάρκειες στη μέθοδο ή στα όργανα που χρησιμοποιούνται για το σκοπό αυτό ή στον τρόπο με τον οποίο ο παρατηρητής κάνει αυτές τις παρατηρήσεις. Αυτό είναι αποτέλεσμα του πώς συμπεριφέρονται τα σωματίδια με κυματοειδείς ιδιότητες, επειδή τα σωματίδια μοιράζονται μια μοναδική σχέση με κινήσεις που μοιάζουν με κύμα στη φύση.
Συμπέρασμα
Η προέλευση της σημασίας της αρχής της αβεβαιότητας έγκειται στο γεγονός ότι καταργεί την ύπαρξη μονοπατιών και τροχιών σωματιδίων όπως το ηλεκτρόνιο. Η τροχιά οποιουδήποτε αντικειμένου καθορίζεται από τη θέση του που λαμβάνεται σε συνδυασμό με την ταχύτητά του σε διάφορα σημεία. Η προέλευση της αρχής της αβεβαιότητας αμφισβητεί τη μακρόχρονη παράδοση της υπόθεσης ότι ορισμένα φαινόμενα έχουν ένα μόνο αποτέλεσμα ή αξία. Αντίθετα, τονίζει ότι η παρατήρηση μπορεί να έχει πολλές τιμές ή αποτελέσματα. Παρουσιάζει επίσης ορισμένα θεμελιώδη χαρακτηριστικά για το πώς συμπεριφέρονται τα κυματοειδή σωματίδια στα κβαντικά συστήματα.
