ما هو مبدأ اللايقين لهايزنبرج؟ - تشاد أورزل

لمشاهدة الدرس الكامل: http://ed.ted.com/lessons/what-is-the-heisenberg-uncertainty-principle-chad-orzel

مبدأ اللايقين لهايزنبرج يقضي باستحالة تحديد موقع الجسم وسرعته بدقة في آنٍ واحد. والسبب يعود إلى أن كل شيء في الكون يعمل كجسيم وموجة في الوقت نفسه. ويغوص تشاد أورزيل في هذا المفهوم المعقد لفيزياء الكم.

الدرس من أعمال : تشاد أورزل ، والرسوم المتحركة من أعمال : هنريك ملمغرين.

مبدأ هايزنبرج لللايقين هو أحد الأفكار القليلة

المأخوذة من فيزياء الكم والتي توسعت في الثقافة الشعبية العامة.

ويقضي باستحالة معرفة المكان الدقيق والسرعة

الدقيقة للجسم في نفس الوقت، ويظهر كاستعارة في كل شيء،

بدءً بالنقد الأدبي وحتى التعليق الرياضي.

عادةً ما يُفسّر اللايقين بأنه نتيجة للقياس،

أي أن قياس موقع الجسم يغير سرعته أو العكس.

إلا أن الأصل الحقيقي أكثر عمقاً وإثارة.

يتواجد مبدأ اللايقين لأن كل شيء في الكون

يعمل كجسيم وكموجة في الوقت نفسه.

في ميكانيكا الكم، الموقع المحدد والسرعة المحددة لجسم ما

لا معنى لهما.

ولاستيعاب ذلك،

علينا أن نفكر في طبيعة سلوك الجسيم أو الموجة.

الجسيمات حسب تعريفها توجد في مكان واحد في أي لحظة زمنية.

يُمككنا تمثيل ذلك برسمٍ يوضح احتمالية إيجاد

الجسم في مكان معين، الذي يبدو كمسمار،

في موقع واحد محدد 100%، وليس في أي موقع آخر.

وعلى الجانب الآخر، الموجات عبارة عن اهتزازات تنتشر في الفضاء

كالتموجات التي تغطي سطح بِركةٍ ما.

يُمكننا بوضوح تحديد سمات نمط الموجة ككل،

والأهم من ذلك طولها الموجي،

وهو المسافة بين قمّتين متجاورتين،

أو تجويفين متجاورين.

لكن لا يُمكننا تخصيص موقع واحد لها،

إذ توجد احتمالية كبيرة لوجودها في أماكن مختلفة عديدة.

والطول الموجي أمر أساسي في فيزياء الكم

لأن الطول الموجي لجسمٍ ما يرتبط بقوته الدافعة،

الكتلة مضروبة بالسرعة.

وللجسم سريع الحركة قوة دافعة كبيرة،

التي تتماشى مع الطول الموجي القصير جدّاً.

والجسم الثقيل له قوة دافعة كبيرة حتى وإن لم يكن يتحرك بسرعة

ما يعني مرة أخرى طول موجي قصير.

ولهذا فنحن لا نلاحظ طبيعة الموجة للأجسام اليومية.

فلو قذفت كرة بيسبول عالياً في الهواء،

فإن طولها الموجي يبلغ جزء من مليار من تريليون من تريليون متر

صغير جدًّا إلى حد يستحيل كشفه.

الأشياء الصغيرة كالذرات أو الإلكترونات

يُمكن أن يكون لها أطوال موجية كبيرة بما يكفي لقياسها في التجارب الفيزيائية

فعندما يكون لدينا موجة نقية، يُصبح من الممكن قياس طولها الموجي.

ومن ثم قوتها الدافعة، ولكنها
تكون بلا موقع.

يُمكننا تحديد موقع الجسيم جيداً،

ولكنه لا يملك طولاً موجياً، فلا نعرف قوته الدافعة.

وللحصول على جسيم بموقع وقوة دافعة،

يلزمنا مزج الصورتين

لعمل رسم بياني يتألف من موجات، ولكن في مناطق صغيرة فقط.

كيف يمكننا فعل ذلك؟

من خلال مزج الموجات بأطوال موجية مختلفة،

ما يعني إعطاء الجسم الكمي احتمالية الحصول على قوى دافعة مختلفة.

عندما نضيف موجتين، نجد أن هناك أماكن

تصطف فيها القمم مكونةً موجةً أكبر،

وأماكن أخرى حيث قمم مكانٍ واحدٍ تملأ تجاويف مكانٍ آخرٍ.

وينتج عن ذلك وجود مناطق فيها موجات

تفصلها مناطق بلا موجات على الإطلاق.

وعندما نضيف موجة ثالثة،

يكبر حجم المناطق التي تخلو من الموجات،

وإضافة موجة رابعة يعطي نفس النتيجة، مع زيادة ضآلة المناطق الأكثر تموُّجاً

وإذا تابعنا إضافة الموجات، يتكون لدينا حزمة موجية

مع طولٍ موجيٍ واضحٍ في منطقةٍ واحدةٍ صغيرة.

هذا جسمٌ كميٌّ له طبيعة الموجة والجسيم.

ولكن لتحقيق ذلك، اضطررنا لفقدان اليقين

حول الموقع والقوة الدافعة.

المواقع ليست محصورة بنقطة واحدة.

وتوجد احتمالية كبيرة لإيجادها داخل بعض نطاقات

مركز الحزمة الموجية،

وقد صنعنا الحزمة الموجية بإضافة الكثير من الموجات،

ما يعني وجود احتمالية إيجادها

مع قوة دافعة تصاحب أياً من تلك الموجات.

الموقع والقوة الدافعة كلاهما غير محددٍ الآن،

والشكوك متصلة ببعضها.

وإن أردت تقليل لايقينية الموقع

من خلال صنع حزمة موجية أصغر، فيلزمك إضافة مزيدٍ من الموجات،

ما يعني لايقينيةً أكبر للقوة الدافعة.

ولو أردت تحديد القوة الدافعة بشكل أفضل، فيلزمك حزمةٌ موجيةٌ أكبر،

ما يعني لا يقينية أكبر للموقع.

وهذا هو مبدأ اللايقين لهايزنبرج،

الذي وضعه الفيزيائي الألماني فيرنر هايزنبرج عام 1927.

وهذا اللايقين لا يتعلق بسوء أو جودة القياس،

ولكنه نتيجة حتمية تصاحب مزج طبيعتي الجسيم و الموجة.

ومبدأ اللايقين ليس حدّاً عمليّاً على القياس فحسب،

بل هو حد على الخصائص التي قد يمتلكها الجسم،

والموجود في البنية الأساسية للكون نفسه.