در سال ۱۹۲۷، هایزنبرگ متوجه شد که نظریه کوانتوم چند پیش بینی غیر عادی دارد، او نشان داد آزمایش‌ها هیچ وقت نمی‌توانند کاملاً مستقل انجام شوند زیرا اندازه گیری روی نتیجه تأثیر می گذارد. او این رابطه بین اندازه گیری و نتیجه را با عنوان « اصل عدم قطعیت» بیان کرد. شما نمی توانید بطور همزمان هم مکان و هم تکانه(یا معادل آن انرژی‌اش در یک زمان مشخص) یک ذره را اندازه گیری کنید و اگر یکی از این دو کمیت را بطور دقیق بدانید دیگری کاملاً نامعین است. شما فقط می توانید هر دو کمیت را در یک بازه زمانی اندازه گیری کنید، اما هر چه اندازه این بازه برای یکی کوچکتر شود، دقت اندازه گیری برای دیگری کمتر می‌شود. این عدم قطعیت یک نتیجه اساسی برای مکانیک کوانتوم بود که نمی توانست برای فقدان توانایی یا دقت در اندازه گیری کاری انجام دهد.

عدم قطعیت

در هر اندازه گیری مقدار کمی عدم قطعیت وجود دارد. اگر طول میزی را با متری نواری اندازه گیری کنید، می توانید بگویید یک متر است، اما متر نواری می تواند تا اندازه یک میلی متر را هم نشان دهد. زیرا اندازه کوچکترین علامت بر روی آن، این مقدار است. بنابراین میز می تواند واقعا ۹۹٫۹ سانتی متر یا ۱۰۰٫۱ سانتی متر باشد و شما ندانید. خیلی ساده است اگر فکر کنید عدم قطعیت بخاطر محدودیت وسیله اندازه گیری است؛ اما بیان هایزنبرگ کاملا متفاوت است. این بیان می گوید دقت وسیله‌ی اندازه گیری شما هر چه باشد، باز هم هرگز نمی توانید مقدار دو کمیت تکانه و مکان را در یک زمان بطور دقیق بدانید. درست مانند آن که وقتی مکان یک شناگر را اندازه می‌گیرید، نمی‌توانید در همان لحظه سرعت او را هم بدانید. در واقع می توانید هر دو را بصورت تقریبی بدانید، اما به محض تمرکز بر یکی، دیگری نامعین می شود.

 اندازه گیری

چگونه این مشکل به وجود می آید؟ هایزنبرگ در ذهن خود آزمایشی طراحی کرد که به کمک آن بتواند حرکت یک ذره بنیادی مانند نوترون را بررسی کند. می‌توان از یک رادار با فرستادن امواج الکترومغناطیسی برای ردیابی آن استفاده کرد. برای داشتن بیشترین دقت می‌توان اشعه گاما را که طول موج کوتاهتری دارد، انتخاب کرد. اگرچه بخاطر خاصیت دوگانگی موج-ذره، زمانی که پرتوهای گاما، با نوترون برخورد می‌کنند، مانند مجموعه‌ای از بسته‌های فوتون عمل می‌کنند.
پرتوی گاما فرکانس بالایی دارد و بنابراین هر فوتون انرژی زیادی با خود حمل می‌کند. هنگامی که یک فوتون پر انرژی به نوترون برخورد می‌کند، ضربه‌ی بزرگی به آن وارد می‌آورد که می‌تواند سرعتش را تغییر دهد. بنابراین اگر مکان یک نوترون را در آن لحظه بدانید سرعت آن بصورت پیش بینی نشده‌ای تغییر می‌کند و این بخاطر فرایند مشاهده است.

اگر از فوتون ملایم‌تر با انرژی کمتر استفاده کنید تا تغییر سرعت به حداقل برسد، در آن صورت طول موج آنها بلندتر شده و دقت اندازه گیری مکان ذره پایین می آید. بدون توجه به چیدمان آزمایش هرگز نمی توان از موقعیت و سرعت ذره بطور همزمان اطلاع یافت. این یک محدودیت اساسی است که بصورت اصل عدم قطعیت هایزنبرگ بیان شد. هایزنبرگ تقریباً در همان زمان شرودینگر روی نظریه کوانتوم کار می کرد. شرودینگر ترجیح داد روی مفاهیم موج گونه سیستم های ذرات بنیادی کار کند، در حالی که هایزنبرگ ماهیت پلکانی انرژی‌ها را بررسی می کرد. هر دو فیزیکدان روش های توصیف سیستم های کوانتومی به زبان ریاضی را طبق نظر خود ارائه دادند؛ شرودینگر ریاضیات موج را به کار گرفت و هایزنبرگ ماتریس یا جدول دو بعدی اعداد را به عنوان روشی برای نوشتن مجموعه ی خصوصیات در نظر گرفت.

«هر چه مکان با دقت بیشتری تعیین شود، تکانه در آن لحظه با دقت کمتری معین می شود و برعکس»

بیان ماتریسی و بیان موجی هر دو طرفداران خاص خود را داشتند و هر گروه تصور می کرد روش گروه دیگر اشتباه است. سرانجام از اتحاد هر دو دیدگاه به یک توصیف مشترک از نظریه کوانتوم رسیدند که تحت عنوان مکانیک کوانتومی شناخته می شود. تلاش برای فرمول بندی این معادلات، همزمان بود با کشف اصل عدم قطعیت هایزنبرگ که نمی‌‍شد آن را نادیده گرفت. هایزنبرگ در سال ۱۹۲۷ همه ی توضیحات لازم در این باره را برای یکی از دوستانش، ولفگان پاولی، نوشت.

عدم قطعیت

مفهوم عمیق اصل عدم قطعیت، از دید هایزنبرگ پنهان نماند و او دریافت که این اصل چگونه با فیزیک مرسوم آن زمان در چالش است. پیش از هر چیز، این اصل نشان داد که رفتار گذشته یک ذره بنیادی تا زمانی که اندازه گیری روی آن صورت نگرفته مشخص نمی شود. طبق نظر هایزنبرگ «مسیر، تنها زمانی که ما آن را مورد مشاهده قرار می دهیم، به وجود می آید.» ما تا زمانی که موقعیت چیزی را اندازه نگیریم نمی‌توانیم بفمیم کجاست. همچنین او اذعان داشت که مسیر آینده یک ذره هم نمی تواند قایل پیش بینی باشد. به خاطر این عدم قطعیت های بزرگ و سرعت، در نتیجه آینده هم غیر قابل پیش بینی است.

هر دوی این بیانات شکاف عمیقی در فیزیک نیوتنی آن زمان که فرض «جهان خارج، به طور مستقل وجود دارد و یک ناظر فقط می تواند با اندازه گیری حقیقت آن را کشف کند» ایجاد کرد. مکانیک کوانتومی نشان داد که در سطح اتمی، چنین دیدگاهی قطعی، بی معنی است و فقط می توان راجع به احتمال یک نتیجه صحبت کرد. دیگر نمی توانیم در مورد علت و اثر صحبت کنیم چرا که فقط شانس دخیل است. پذیرش این موضوع برای اینشتین و بسیاری از دانشمندان دیگر سخت بود. اما مجبور بودند آنچه معادلات نشان می دهند را قبول کنند. برای اولین بار، فیزیکدانان از قلمروی آزمایشگاه تجربی پا را فراتر نهاده و به سوی قلمرو ریاضیات انتزاعی پیش رفتند.

هایزنبرگ بدلیل تنظیم اصل عدم قطعیت، در سال ۱۹۳۲ میلادی جایزه نوبل فیزیک را به خود اختصاص داد. وی علاوه بر جایزه نوبل موفق به کسب افتخارات بسیاری شد از جمله آنها او به عنوان “عضو جامعه ی سلطنتی شهر لندن” که درآن زمان افتخار بسیار بزرگی در کشور انگلستان به حساب می آمد دست یافت و همچنین به عنوان عضو آکادمی (هیئت علمی دانشگاه) بسیاری از شهرهای کشورهای اروپایی درآمد. ولی در بین این همه شاید گرانبهاترین پاداش به وی “جایزه کوپرنیک” به حساب آید.

منابع: Werner Heisenberg , Uncertainty principle

Joanne Baker – of 50 Physics Ideas You Really Need to Know