مبادئ فيزيائية

كيف يعمل مبدأ الشك أو عدم اليقين لهايزنبرج؟

يعتبر مبدأ الشك أو الارتياب او عدم اليقين من أهم مبادئ ميكانيكا الكم، وقد وضع هذا المبدأ العالم الألماني هيازنبرج في العام 1927. لقد تطور مبدأ الشك أيضًا ليعالج مواضيع فلسفية عديدة. ومع ذلك، فإن مبدأ الشك في حد ذاته غامض للغاية بحيث يتعذر على معظمنا التعامل معه وفهمه.

وفي هذا المقال سأحاول تبسيط مفهوم مبدأ الشك وتوضيحه، مع استخدام أقل قدر ممكن من الرياضيات.

مبدأ الشك (عدم اليقين) لهيزنبيرج Heisenberg

حسنًا، دعونا نحاول أولاً فهم الصيغة الرياضية التي وضعها هيزنبيرج لوصف مبدأ الشك. يشير مبدأ الشك (عدم اليقين) لهيزنبيرج إلى أنه لا يمكن معرفة كل من موضع وكمية حركة الجسيم في نفس الوقت. وكلما زاد تأكدك من أحدهما، زاد مقدار الشك في الآخر. عندما تضرب عدم اليقين في الموضع (x) وكمية الحركة (p) (يتم تمثيل مقدار الشك في أي منهما باستخدام الحرف اليوناني دلتا D)، تحصل على رقم أكبر من أو يساوي نصف قيمة ثابت بلانك مقسوما على 2π والذي يكتب على شكل الحرف h وعليه إشارة تميزه “h-bar”. ثابت بلانك في الحقيقة هو ثابت مهم جدا في ميكانيكا الكم، لأنه يمثل طريقة قياس التقسيمات (التكميم) في العالم الذري. قيمة ثابت بلانك هي 6.626×10-34 جول في الثانية. صغر مقدار ثابت بلانك يؤكد لنا ان خواص ميكانيكا الكم لن تظهر على في الأبعاد الذرية ودون الذرية.

اعلانات جوجل

كيف يعمل مبدأ عدم اليقين لهايزنبرج؟

نظرًا لأن معظم الأشياء المرئية لنا أكبر بكثير من هذا الثابت، فإننا لا نلاحظ او نقيس أي مقدار من الشك في العالم المرئي، وتكون ميكانيكا نيوتن كافية جدا، ولكن كلما صغر حجم الجسيم، يصبح من غير الممكن قياس وتحديد موضعه بشكل مؤكد ويصبح للشك أهمية كبيرة، لماذا يحدث ذلك لأن الجسيم أصبح يمتلك خواص موجية بالإضافة لخواصه الجسيمة. وهنا يكون له سلوك مزدوج، فتحديد موضعه بدقة نكون قد حكمنا على الجسيم أنه يمتلك خواص جسيمية فقط. لكن هذا ليس صحيح ويتعارض مع مبدأ ديبرولي ونتائج التجارب العملية التي أثبتت أن الالكترون يتصرف كموجة وجسيم. ميكانيكا نيوتن غير مناسبة ويصبح للجسيم خواص موجية بالإضافة لخواصه الموجية مما يجعل مبدأ الشك زاد سلوكه الموضوعي غير المؤكد. (اقرأ موضوع الركائز الأساسية لنشأة ميكانيكا الكم)

ميكانيكا الكم

في مطلع القرن العشرين، اقتحم تيار علمي جديد العالم الأكاديمي. كانت هذه الثورة الفكرية ثورة ميكانيكا الكم. جادل العلماء بأن الطاقة لم يتم تلقيها في صورة تدفق مستمر، ولكن في حزم منفصلة، تُعرف باسم “كوانتا”. يمكن تصور هذه الكميات على أنها نبضة موجية كتلك التي تظهر في جهاز مراقبة ضربات القلب.

كيف يعمل مبدأ عدم اليقين لهايزنبرج؟

لذلك، يمكن تمثيل الجسيم الصغير مثل الفوتون أو الإلكترون الحر مثل “حزمة الموجة”، حيث يكون لها خصائص تشبه الموجة، مثل الطول الموجي، بالإضافة إلى خصائص تشبه الجسيمات، مثل الموقع والانتشار في الفراغ (الحجم). اسمحوا لي أن أركز أكثر قليلاً على جزء الطول الموجي. كما تعلم، يمكن قياس الموجات بأطوالها الموجية. كلما كان الجسم أخف، كلما كان الطول الموجي أكبر والعكس صحيح. يبلغ الطول الموجي في حدود جزء من المليون من السنتيمتر – وهو أقصر من أن يُقاس. بشكل أساسي، هذا هو السبب في أن الأشياء الأكبر من ثابت بلانك لا تعمل كموجات.

ولهذا فان الجسيمات الذرية لها اطوال موجية مصاحبة تجعل خواصها الموجية بارزة وتسلك هذه الجسيمات سلوكا مزدوجا (موجي وجسيمي).

كمية الحركة والموضع

نعلم أن الجسيمات الذرية مثل الإلكترون له خواص موجية وجسيمية، ولتحديد موضع الإلكترون وكمية حركته علينا يجب نتعامل معه كونه جسيم وموجة. الأمر يختلف تماما بالنسبة لسيارة تتحرك بسرعة ما، لدينا القدرة على أن نحدد موضعها وكمية حركتها بشكل دقيق لأن السيارة تمتلك خواص جسيمية فقط. اما بالنسبة للإلكترون المتحرك لان نستطيع ان نرصد موضوعه وكمية حركته بدقة لان الالكترون الذي يسلك سلوك مزدوج سيكون له تواجد في عدة مواقع في نفس الوقت! ولفعل ذلك علينا أن نحصر الإلكترون في مساحة أصغر. (تخيل حوض ماء كبير وفيه سمكة واحدة تتحرك بسرعة كبيرة. انها تعوم في كل مكان تقريبا وسيكون من الصعب تحديد موضعها والامساك بها. لكن الأمر سيكون أسهل إذا كان حوض الماء صغيرا).

إن تواجد الإلكترون في عدة مواقع في نفس الوقت هو أمر مستغرب لأننا دائما ننظر للإلكترون على أنه جسيم ولكن في الحقيقة هو جسيم وموجة ولان الموجة لها انتشار في الفراغ فهذا يعني أن الإلكترون يكون متواجد في كل مكان في الفراغ الذي انتشرت فيه موجته.

لذلك لا يمكن بأي حال من الأحوال تحديد موضعه بدقة مهما امتلكنا من أجهزة قياس متقدمة. كذلك الأمر بالنسبة لكمية الحركة (كمية الحركة هي حاصل ضرب سرعة الجسيم في كتلته) وسرعة الجسيم ذو الخواص المزدوجة تحدد من خلال الطول الموجي للجسيم. لهذا فان كمية حركة الجسيم تعتمد على طول موجته.

اعلانات جوجل

تحتوي الحزمة الموجية التي تمثل الإلكترون وتحدد سلوكه العديد من الأطوال الموجية المختلفة. إذن كيف لنا ان نقيس كمية حركة الإلكترون بدقة؟ الطريقة المناسبة هي إيجاد متوسط الطول الموجي لجميع الاطوال الموجية المختلفة. لزيادة دقة هذا المتوسط ​​، يصبح من الضروري أخذ المزيد من الموجات في الاعتبار. للقيام بذلك، يجب زيادة مساحة القياس، أي الحزمة الموجية.

بشكل أساسي، لقياس الموضع بدقة، يجب أن تجعل الحزمة الموجية أصغر. إذا كنت تريد قياس كمية الحركة، فيتعين عليك جعل الحزمة الموجية أكبر. من الواضح أنك لا تستطيع أن تفعل كلا الأمرين معا. هذا هو السبب في أنك لا تستطيع أبدًا معرفة موقع وكمية حركة الجسيم بدقة (بدون شك).

هذا هو مبدأ الشك الذي وضعه هيزنبيرج، أنه مبدأ بسيط في الطبيعة ولكنه محير للغاية، اعتبرها بداية جديدة للدخول في غرائب عالم ميكانيكا الكم.

لمزيد من المعلومات حول مبدأ الشك اطلع على هذه المحاضرة فيزياء حديثة مبدأ الشك وهذه فيديو يشرح مبدأ الشك والحزمة الموجية التي تمثل الإلكترون بشيء من التفصيل.

 

اعلانات جوجل

الدكتور حازم فلاح سكيك

د. حازم فلاح سكيك استاذ الفيزياء المشارك في قسم الفيزياء في جامعة الازهر – غزة | مؤسس شبكة الفيزياء التعليمية | واكاديمية الفيزياء للتعليم الالكتروني | ومنتدى الفيزياء التعليمي

مقالات ذات صلة

اترك تعليقاً

لن يتم نشر عنوان بريدك الإلكتروني. الحقول الإلزامية مشار إليها بـ *

هذا الموقع يستخدم Akismet للحدّ من التعليقات المزعجة والغير مرغوبة. تعرّف على كيفية معالجة بيانات تعليقك.

زر الذهاب إلى الأعلى