نویسنده و گردآورنده : شهرام خبیر

فضا – زمان – حرکت

اصل عدم قطعیت

موفقیت نظریه های علمی، به ویژه نظریه گرانش نیوتن، مارکی دولاپلاس را در اوان قرن نوزدهم متقاعد ساخته بود که جهان بطور در بست از جبر علمی پیروی می کند. او معتقد بود که مجموعه ای از قانون های علمی وجود دارد که ما را قادر می سازد هر آنچه در آینده روی خواهد داد، پیش بینی کنیم، تنها مشروط بر آنکه از وضعیت و حالت جهان در لحظه معینی بطور کامل آگاه باشیم. مثلاً اگر موقعیت و سرعت خورشید و سیارات را در فلان لحظه بدانیم، آنگاه می توانیم با استفاده از قوانین نیوتن، وضعیت منظومه شمسی را در هر لحظه دیگری محاسبه نمائیم. در این مورد، جبریگری نسبتاً بدیهی بنظر میرسد، اما لاپلاس به این بسنده نکرد و گفت قانونهای مشابهی وجود دارد که بر سایر پدیده ها از جمله رفتار بشر حاکمند.

دکترین جبریگری علمی با مخالفت افراد زیادی روبرو شد که احساس میکردند این دیدگاه به آزادی خداوند در مداخله در امور جهان خدشه  و خلل وارد می آورد، اما با اینهمه تا اوائل قرن بیستم، این دکترین، فرض مورد قبول عامه اهل علم باقی ماند. یکی از نخستین نشانه های سست بودن این باور، کارهای دانشمندان انگلیسی لرد ریلی و سرجیمز جینز بود. محاسبات آنها نشان می داد که یک جسم داغ، مثلاً یک ستاره، باید بطور نامتناهی انرژی تابش کند. بر طبق قانونهای معتبر و رایج در آن زمان، یک جسم داغ باید بطور یکسان در کلیه بسامدها از خود اشعه الکترومغناطیس (مثل امواج رادیوئی، نور مرئی یا اشعه ایکس) بتاباند. برای نمونه، یک جسم داغ باید همان مقدار انرژی در قالب امواج با بسامدهای بین یک و دو ملیون ملیون موج در ثانیه تشعشع کند که در قالب امواج با بسامدهای دو و سه ملیون ملیون موج در ثانیه تابش مینماید. و از آنجا که تعداد موجها در ثانیه نامحدود است، انرژی کل تابیده شده نامتناهی است. برای اجتناب ازین نتیجه آشکارا مضحک، دانشمند آلمانی ماکس پلانک در سال ۱۹۰۰ اظهار داشت که نور، اشعه ایکس، و دیگر امواج می توانند بمیزان دلخواهی گسیل شوند اما این عمل تنها در بسته های معینی بنام -کوانتوم -انجام میپذیرد. به علاوه، هر کوانتوم مقدار معینی انرژی داراست که هر چه بسامد موج بیشتر باشد، زیادتر است، بنابراین در فرکانس های بالا، گسیل یک کوانتوم منفرد ،بیش از مقدار موجود، انرژی لازم دارد. ازینرو تابش در بسامدهای بالا کاهش می یابد و بنابراین میزان انرژی ای که جسم از  دست میدهد،مقداری معین و متناهی می شود.

فرضیه کوانتوم میزان تابش از اجسام داغ را بخوبی توضیح می داد، اما  نتایج و پیامدهای آن در رابطه با جبریگری تا سال ۱۹۲۶ از نظرها پنهان ماند. در آن سال دانشمند آلمانی دیگری بنام ورنر هایزنبرگ، اصل معروف خود را بنام اصل عدم قطعیت تدوین نمود. برای آنکه وضعیت و سرعت بعدی ذره ای را پیش بینی کنیم باید بتوانیم وضعیت و سرعت فعلی آنرا بدقت اندازه بگیریم. بدیهی است برای اندازه گیری باید ذره را در پرتو نور مورد مطالعه قرار دهیم. برخی از امواج نور بوسیله ذره پراکنده خواهند شد و در نتیجه وضعیت ذره مشخص می شود. اما دقت اندازه گیری وضعیت یک ذره بناگزیر از فاصله بین تاج های متوالی موج نور کمتر است. در نتیجه برای تعیین دقیق وضعیت یک ذره باید از نوری با طول موج کوتاه استفاده کرد. حال بنابر فرضیه کوانتوم پلانک، نمی توانیم هر قدر دلمان خواست مقدار نور را کم اختیار کنیم؛ دست کم باید یک کوانتوم نور مصرف کنیم. این کوانتوم، ذره را متأثر خواهد ساخت و سرعت آنرا بگونه ای پیش بینی ناپذیر تغییر خواهد داد. ازین گذشته برای آنکه وضعیت ذره را هر چه دقیقتر اندازه بگیریم، باید از نوری با طول موج کوتاهتر استفاده کنیم و بنابراین انرژی هر کوانتوم، بیشتر می شود. در نتیجه سرعت ذره بیشتر دستخوش تغییر می شود. بدیگر سخن، هر چه بکوشیم وضعیت ذره را دقیقتر اندازه گیری کنیم، دقت اندازه گیری سرعت آن کمتر می شود و برعکس. هایزنبرگ نشان داد که عدم قطعیت در تعیین وضعیت ذره ضربدر عدم قطعیت در سرعت آن ضربدر جرم ذره هرگز نمی تواند از کمیت معینی که بنام ثابت پلانک معروف است،کمتر شود.

همچنین این حد، به راه و روش اندازه گیری«وضعیت و سرعت ذره» بستگی ندارد و مستقل از نوع ذره می باشد: اصل عدم قطعیت هایزنبرگ خاصیت بنیادین و گریز ناپذیر جهان است.  اصل عدم قطعیت متضمن تأثیری ژرف در نگرش ما به جهان بود. حتی پس از ده ها سال، تأثیرات آن از سوی فیلسوفان بسیاری کاملاً مورد ارزیابی قرار نگرفته است و هنوز موضوع مناقشه فراوان می باشد. اصل عدم قطعیت مهر پایانی بود بر رؤیای لاپلاس مبنی بر وجود تئوری علمی و مدلی یکسره -جبرگرا- از جهان: اگر حتی نتوانیم وضع کنونی جهان را بدقت اندازه گیری کنیم، بطریق اولی قادر به پیش گوئی دقیق رویدادهای آینده نخواهیم بود؟! هنوز میتوان تصور کرد که مجموعه ای از قانون ها هست، برای موجودات ماوراء طبیعی ای که میتوانند بدون ایجاد اختلال و تغییر در وضع فعلی جهان، آنرا مشاهده کنند، و بنابراین، چند و چون رویدادها را بطور کامل پیش بینی کنند. با اینحال مدلهای اینچنینی از جهان، چندان دردی از ما موجودات فانی و معمولی این دنیا دوا نمیکند. بهتر است به اصل صرفه جوئی که بنام- تیغ أکام- مشهور است پایبند باشیم و همه جنبه های نظریه را که مشاهده پذیر نیست کنار بگذاریم. این رویکرد، در دهه بیست، هایزنبرگ، اروین شرودینگر، و پل دیراک را بر آن داشت تا علم مکانیک را بازسازی کنند و  بر اساس اصل عدم قطعیت نظریه جدیدی بنام مکانیک کوانتوم تدوین نمایند. در این نظریه، ذرات دیگر دارای وضعیت و سرعت مجزا و معین و در عین حال مشاهده ناپذیر نیستند. در عوض آنها دارای حالت کوانتومی اند که ترکیبی از -وضعیت و سرعت – می باشد.

بطور کلی، مکانیک کوانتومی، برای یک مشاهده، نتیجه ای یگانه و معین پیش بینی نمیکند، بلکه چند پیآمد مختلف احتمالی را مطرح میسازد و درجه احتمال هر یک را مشخص میکند. یعنی اگر کسی تعداد بسیار زیادی از سیستم های مشابه را در شرایط یکسانی اندازه گیری کند، در خواهد یافت که حاصل تعداد معینی از اندازه گیری ها A است و نتیجه تعداد معین دیگری از آنها B می باشد و قس علی هذا .میتوانیم تعداد تقریبی دفعاتی که نتیجهA یاB است پیش گویی کنیم اما قادر نیستیم نتیجه مشخص یک اندازه گیری منفرد را پیش بینی نمائیم. مکانیک کوانتوم به این ترتیب عنصر اجتناب ناپذیر- پیش بینی ناپذیری- یا -تصادف – را وارد علم می نماید. انشتین برغم  نقش مهمی که در تکامل این ایده ها بازی نمود، قویاً به آنها اعتراض داشت. او بخاطر شرکت و همفکری در نظریه کوانتوم جایزه نوبل دریافت داشت. با اینهمه هرگز نپذیرفت که جهان بر حسب تصادف اداره می شود؛ این جمله مشهور او، احساساتش را بخوبی بیان میکند: «خداوند در اداره جهان تاس نمی ریزد». اما بیشتر دانشمندان دیگر، مایل بودند که مکانیک کوانتوم را بپذیرند، چرا که کاملاً با آزمایش سازگار بود. در واقع این نظریه بطور درخشانی موفق بوده است و زمینه تقریباً تمامی علم و فن نوین می باشد. بر رفتار ترانزیستورها و مدارهای مجتمع( IC) که جزء اساسی وسائلی نظیر تلویزیون و کامپیوترند، فرمان می راند و نیز بنیاد شیمی و زیست شناسی نوین می باشد.

تنها مباحث فیزیکی که مکانیک کوانتوم هنوز بطور شاید و باید موفق به یکپارچگی و وحدت با آنها نشده است، عبارتند از گرانش و ساختمان  کلان جهان.

اگر چه نور از امواج تشکیل شده است، فرضیه کوانتوم پلانک می گوید که از جهات معینی رفتار نور چنان است که گویی مجموعه ای از ذرات است: نور تنها بصورت بسته های خاص یا کوانتومها، گسیل یا جذب می شود. از سوی دیگر، اصل عدم قطعیت هایزنبرگ متضمن آنست که ذرات از پاره ای جهات چونان امواج رفتار میکنند: آنها وضعیت معینی ندارند بلکه با توزیع احتمال معینی در ناحیه ای از فضا پخش می شوند. نظریه مکانیک کوانتوم بر نوع کاملاً جدیدی از ریاضیات استوار است که دیگر جهان واقعیت را بر حسب ذرات و امواج توصیف نمیکند؛ تنها – مشاهده جهان- را بر حسب این اصطلاحات میتوان توصیف کرد. بنابراین میان ذرات و امواج و مکانیک کوانتومی یک دوگانگی وجود دارد: برای برخی مقاصد، در نظر گرفتن ذرات بعنوان امواج، چاره ساز است و برای مقاصد دیگر، بهتر است امواج را چون  ذره هایی در نظر بگیریم. یک پیامد مهم این کار آنست که می توان تداخل بین دو مجموعه امواج یا ذرات را مشاهده کرد. یعنی تاجهای یک مجموعه  امواج بر حضیض های مجموعه دیگری از امواج منطبق می شود. آنگاه ایندو مجموعه نور بجای آنکه مطابق انتظار ما با یکدیگر جمع شوند و موجی قویتر را تشکیل دهند، یکدیگر را خنثی می کنند( شکل ١-۴). یک نمونه آشنا از  تداخل امواج نور، رنگهایی است که در حبابهای صابون جلوه گر می شود. بازتاب نور از دو سوی لایه نازک آب جدار حباب، این رنگها را بوجود  می آورد. نور سفید مشتمل بر امواج نوری با طول موجهای متفاوت یا رنگهای مختلف است. در بعضی از طول موجها، تاج نور بازتابیده از یکطرف حباب، منطبق می شود بر حضیض موج دیگری که از طرف دیگر حباب، منعکس شده است. رنگهای متناظر با این طول موجها، از مجموعه نورهای منعکس شده، حذف می شوند و در نتیجه بنظر رنگی می رسند.

ادامه دارد…