یکی از پیامدهای خاصیت موج گونه ی نور توانایی آن در جهش میان شکاف هاست. برای مثال نوری که در یک بلوک شیشه ای نفوذ میکند در واقع همان جا توسط مانع هوا به دام می افتد (مرز میان نور و شیشه هوا است ) مگر اینکه بلوک شیشه ای دیگری در آن نزدیکی بدون تماس با بلوک شیشه ای اول قرار گیرد. به دلیل ماهیت گسترشی موج نور از شکاف هوا عبور کرده و وارد بلوک شیشه ای دوم شده و اگر با شیشه های زیادی برخورد کند به این روند ادامه میدهد همانند پریدن در شکاف هوا و فرار از زندان خود. 
اتفاق مشابه نیز در ذرات زیر اتمی می افتد زمانی که ذرات آلفا سعی در فرار از هسته ی ناپایدار در زمان پوسیدگی رادیو اکتیو دارند. این ذرات توسط نیروهای هسته ای در داخل هسته نگه داری میشوند و در اصل نباید بتوانند فرار کنند اما فرار میکنند -با استفاده از پدیده ای به اسم 'تونل زنی کوانتومی ' که باعث بروز خاصیت موجی ذرات میشود اما همچنین باعث بروز پدیده ای به نام 'اصل عدم قطعیت ' 
به ادامه ی مطلب بروید.

به خاطر ویژگی موج گونه ی ذرات نور و توانایی آن ها در توصیف یک شی توسط امواج احتمال ، همان گونه که دیده ایم فیزیک کوانتوم پیش بینی میکند که یک احتمال متناهی وجود دارد که جسمی که در پشت یک مانع به دام افتاده باشد (بدون انرژی لازم برای غلبه بر مانع ) ممکن است گاهی در طرف دیگر مانع هم دیده شود بدون اینکه بر مانع غلبه کند یا آن را از بین ببرد. به عنوان مثال اگر یک الکترون به هسته ی یک اتم برسد این احتمال وجود دارد که  (هرچند کوچک ) خودش را در طرف دیگر میدان الکترومغناطیسی پیدا کند. 
این احتمال دیده شدن در طرف دیگر مانع به عنوان تونل زنی کوانتومی شناخته میشود هرچند هیچ حضور فیزیکی واقعی در طرف دیگر وجود ندارد. بهترین راه تجسم آن شاید در نظر گرفتن یک موج گسترده باشد که به مانع نزدیک شده و با آن تداخل پیدا میکند. هرچند بخش عمده ای از موج شاید نتوان از مانع عبور کند اما بخش کوچکی از آن میتواند و باعث میشود که موج ناگهان در طرف دیگر مانع ظاهر شود.
اصل عدم قطعیت برای اولین بار توسط فیزیکدان آلمانی ورنر هایزنبرگ در سال ۱۹۲۶ به عنوان استنباطی از ماهیت موج -ذره ای نور مطرح شد. او به این مسئله پی برد که غیر ممکن است یک ذره ی زیر اتمی مانند الکترون را با یک میکروسکوپ اپتیکی استاندارد مشاهده کرد. مهم نیست میکروسکوپ چقدر قدرتمند باشد چون الکترون بسیار کوچکتر از طول موج مرئی نور است. 
او در یک آزمایش فکری میکروسکوپ فرضی را در نظر گرفت به جای نور مرئی از تابش گاما استفاده میکرد. (امواج گاما طول موج کوتاهتری از الکترون های نور مرئی دارند ) اما چون امواج گاما بسیار پر انرژی تر از نور مرئی میباشند بر سرعت و جهت الکترون به طرز غیر قابل کنترلی تاثیر خواهند گذاشت. 
بنابراین برای حل یک طرف مشکل طرف دیگر مشکل ایجاد میشود. 
او با آزمایش فکری میکروسکوپ خود پی برد که اتفاق مشابهی هم تا حدی با وجود میکروسکوپ استاندارد اپتیکی خواهد افتاد. برای اندازه گیری موقعیت و سرعت ذره نور میتواند روی آن تابانده شود و بازتابش آن دیده شود.  
در یک مقیاس میکروسکوپی این روش به خوبی کار میکند اما در مقیاس زیر اتمی فوتون های نوری که به ذره ی زیر اتمی برخورد میکنند باعث حرکت آن خواهند شد. بنابراین اگرچه موقعیت ذره شاید بتواند مشخص شود امت سرعت ذره تغییر خواهد کرد و با دانستن موقعیت آن هرگونه اطلاعات قبلی در مورد سرعت آن غیر قطعی خواهد شد. به بیان دیگر عمل مشاهده کننده رفتار ذره ی مشاهده شده را تغییر میدهد. 
هایزنبرگ متوجه شد که مقادیر جفت خاصی از متغیرها هیچوقت نمیتوانند هر دو به طور همزمان دقیقا دانسته شوند. بنابراین هرچه دقیق تر مقدار یک متغیر شناخته میشود (سرعت یا جهت ) متغیر دیگر به همان اندازه نامعلوم میماند. اگر سرعت یا به طور دقیق تر تکانه ی یک ذره به طور دقیق شناخته شود موقعیت آن نامعلوم است و برعکس. اگر حالت انرژی یک ذره با دقت مشخص شود مقدار پایداری آن نامعلوم خواهد بود و برعکس  . 
او به روش ریاضی نشان داد که سرعت و موقعیت ذره را هیچ گاه نمیتوان به طور دقیق مشخص کرد. عدم قطعیت موقعیت  به دنبال عدم قطعیت سرعت است و جرم آن هیچگاه نمیتواند کوچکتر از یک مقدار مشخص باشد که این مقدار به عنوان ثابت پلانک شناخته میشود.
با ظهور عدم قطعیت ذرات دیگر نمیتوانستند به طور جداگانه تعریف درستی از سرعت و موقعیت داشته باشند. تنها یک حالت کوانتومی برای ذرات قابل تعریف است -آمیزه ای از سرعت و موقعیت. اگر ممکن نیست که مقادیر تمامی خصوصیت های یک سیستم را به طور همزمان دریابیم بنابراین آن خصوصیات که به طور دقیق مشخص نیستند باید توسط احتمالات توضیح داده شوند.
این اصل تاثیر های بسیاری در علم فیزیک ذرات از زمان نیوتون و لاپلاس داشت و وظیفه ی فیزیک را به عنوان کشف قوانینی که به ما اجازه ی پیش بینی حوادث را تا حدودی میدهند تعریف کرد. 
به نوعی اصل عدم قطعیت توضیح میدهد که چگونه یک ذره ی آلفا میتواند از هسته ی یک اتم رادیواکتیو فرار کند چرا که ذره در هسته به دام افتاده و بسیار در فضا تثبیت شده و موقعیت آن با دقت زیاد تعیین شده است. در این صورت بر طبق اصل عدم قطعیت سرعت آن کاملا نامشخص است احتمالا بسیار نامشخص تر و سریعتر از انتظار ما طوری که بتواند از هسته فرار کند. 
شرایط یکسان معکوس چگونگی برهم کنش هسته ای در خورشید را توضیح میدهد. زمانی که دما در خورشید هزاران مرتبه سرد تر از دماهای سنگینی است که انرژی و سرعت کافی را برای پروتون های در حال ورود فراهم می آورند تا بر نیروی الکترومغناطیسی دفع کننده ی اتم های هیدروژن غلبه کنند. 
با استفاده از خاصیت تونل زنی کوانتومی و اصل عدم قطعیت پروتون ها میتوانند از مانع عبور کنند حتی اگر دما و انرژی ناکافی داشته باشند.
اصل عدم قطعیت همچنین توضیح میدهد که چرا اتم های معمولی ۱۰۰۰۰۰ برابر بزرگتر از هسته ی مرکزی هستند. چرا که موقعیت و تکانه ی یک الکترون به دور هسته نامعلوم است و الکترون ۲۰۰۰ برابر کم جرم تر از پروتون در هسته است و چون نیروی الکترومغناطیس دافع ۵۰ برابر ضعیفتر از نیروی هسته ای قوی داخل است این دو فاکتور در کنار هم باعث وجود فضایی ۱۰۰۰۰۰ برابر بیشتر برای الکترون میشوند. 
در واقع اصل عدم قطعیت میتواند به شیوه ی دیگری نیز در نظر گرفته شود : غیر ممکن است که به طور دقیق انرژی یک ذره و فاصله ی زمانی موجودیت ذره(پایداری)  را به طور دقیق مشخص کرد. 
در طی فاصله ی زمانی بسیار کوچک مقدار بسیار نامشخصی از انرژی همانند موقعیت وجود دارد. و انرژی یا حتی جفت هایی از ذرات بنیادی مجازی (که بسیار سریع به وجود آمده و از بین میروند ) میتوانند از هیچ در یک فضای خالی سر برآورده و در کسری از ثانیه ناپدید شوند. هرچه انرژی بیشتری در فضل وجود داشته باشد ذرات بیشتری در آن ظاهر میشوند بنابراین چیزی به اسم فضای خالی وجود ندارد. 
چنین پدیده ای ( به وجود آمدن و از بین رفتن ذرات) هرقدر نامحتمل به نظر برسد اما واقعیتی ثبت شده است  و مستقیما توسط مشاهدات تغییر انرژی الکترون های موجود مشاهده شده است. در نتیجه انرژی که نیازمند خلق این ذرات مجازی است میتواند از خلا برای مدتی گرفته شود اما انرژی خالص حاصل این واکنش صفر خواهد بود چرا که در نهایت آنها یکدیگر را خنثی میکنند و نمیتوان گفت که  نه در دنیای کلاسیک حضور دارند و نه  قوانین فیزیک کلاسیک را در هم میشکنند. 
مترجم : آیدا صفری 
منبع : physicsofuniverse
آرش بوالحسنی-هوش فرامینی
آدرس کانال ما در تلگرام : Telegram.me\persiancosmology


تاريخ : ۱۳٩٥/۱/٢۱ | ٦:٤٥ ‎ق.ظ | نویسنده : arash | نظرات ()
  • ویندوز سون | آنکولوژی