نظریه کوانتومی امواج و ذرات

در رویکرد استاندارد به مکانیک کوانتومی ، عدم قطعیت اصل عدم اطمینان هایزنبرگ از نوع دوم است. هنگامی که موقعیت یک ذره مشخص نیست ، این بدان معنی است که هیچ موقعیتی در ارتباط با ذرات وجود ندارد. موج آن در بسیاری از موقعیت ها پخش شده است. این طور نیست که این ذره واقعاً موقعیت مشخصی دارد و ما فقط نمی دانیم که چیست. این طور نیست که ما در مورد موقعیت نامشخص هستیم زیرا حقایق بیشتری برای اطلاع از موقعیت وجود دارد. هیچ واقعیت دیگری برای دانستن وجود ندارد.

بنابراین صحبت از "عدم اطمینان" در فرمول هایزنبرگ می تواند گمراه کننده باشد. این نشان می دهد که ما فقط از چیزی که می توان شناخته شد نادان هستیم. به راحتی می توان از راه دوم غافل شدیم که می توانیم نامشخص باشیم: مسئله نامشخص است و چیز دیگری برای دانستن وجود ندارد.

رویکرد استاندارد به مکانیک کوانتومی عدم قطعیت را از نامحدود ناشی می کند. رویکردهای دیگری وجود دارد که در آن چنین نیست. در یکی که توسط لوئیس دی بروگلی و دیوید بوم ساخته شده است ، ذرات همیشه موقعیت مشخصی دارند و عدم قطعیت ها از جهل ما ناشی می شود. این رویکردها نمایانگر یک دیدگاه اقلیت است.

چگونه حالت های کوانتومی با گذشت زمان تغییر می کنند

تکامل شرودینگر.

بخش اساسی مکانیک کوانتومی به چگونگی تغییر امواج ماده با گذشت زمان می پردازد. بیشتر ، امواج ماده دقیقاً مانند امواج معمولی رفتار می کنند. اگر تا به حال تماشا کرده اید که موج های پخش شده روی سطح یک حوضچه صاف ، حداقل از نظر کیفی فقط آنچه را که امواج مهم انجام می دهند ، مشاهده کرده اید.

ذره ای را که ما فقط در یک مکان بومی سازی می کنیم ، بگیرید ، بنابراین موج ماده آن یک پالس بومی سازی شده فضایی است. در سمت چپ خود ، این پالس به عنوان امواج تبلیغاتی از همه جهات پخش می شود. این دقیقاً مانند آنچه اتفاق می افتد وقتی یک سنگریزه به سطح حوضچه برخورد می کند. چلپ چلوپ موضعی بلافاصله در گسترش موج ها گسترش می یابد.

این نوع رفتار "تکامل شرودینگر" نامیده می شود ، زیرا توسط معادله موج شرودینگر اداره می شود. این معادله فقط می گوید که امواج ماده مانند امواج پخش می شوند.

بشرکل داستان نیست

اگر تکامل شرودینگر تنها راهی بود که امواج ماده می توانند تغییر کنند ، ما در اتصال امواج ماده با تجربه عادی خود مشکل خواهیم داشت. امواج ماده به طور معمول در بسیاری از مواضع پخش می شوند و از بسیاری از لحظه ها هستند. با این حال وقتی آنها را اندازه می گیریم ، همیشه فقط یک مقدار برای موقعیت یا حرکت پیدا می کنیم.

به عنوان مثال ، ساده ترین نوع اندازه گیری ، رهگیری موج ماده با یک صفحه عکاسی یا یک صفحه نمایش پوسته پوسته شدن است که در هنگام ضربه توسط یک ذره می درخشد. در هر دو مورد ، می فهمیم که امواج ماده فقط یک موقعیت مشخص دارند. آنها به ما یک نقطه واحد در عکس یا یک فلاش موضعی از نور روی صفحه می دهند.

اندازه گیری: فروپاشی بسته موج

راه حل استاندارد برای این مشکل پیشنهاد این است که نوع دوم تکامل زمان برای امواج ماده وجود دارد. نوع اول ، تکامل شرودینگر ، هنگامی بوجود می آید که امواج ماده به خودشان باقی بمانند یا وقتی فقط با چند ذره دیگر تعامل دارند.

نوع دوم هر زمان که اندازه گیری یک مقدار مانند موقعیت یا حرکت را انجام دهیم ، بوجود می آید. سپس موج ماده به یک مقدار که مقدار مشخصی برای مقدار اندازه گیری شده دارد ، فرو می رود. اگر ما موقعیت موج ماده را اندازه گیری کنیم ، به یک نبض موضعی فرو می رود. اگر ما در حال اندازه گیری حرکت باشیم ، با یک حرکت قطعی به موجی فرو می رود.

این نوع دوم تکامل زمان "اندازه گیری" یا "فروپاشی بسته موج" نامیده می شود.

مشخص نیست که دقیقاً چه زمانی تحول اندازه گیری انجام می شود. ساده ترین شرط این است که در شرایطی بوجود می آید که در آن ما سعی می کنیم ارزش یک مقدار را مشخص کنیم. این شرط در شکل گیری تئوری فایده ای ندارد. زیرا امواج ماده "آنچه را که ما قصد داریم" نمی دانند. آنها مطابق خواسته ها یا علایق ما تصمیم نمی گیرند که به یک روش یا دیگری تکامل پیدا کنند. بهترین چیزی که می توانیم به دست بیاوریم یک قانون ساده است. امواج ماده ای که به خودشان باقی مانده یا فقط با چند ذرات در تعامل قرار می گیرند ، تحت تکامل شرودینگر قرار می گیرند. امواج ماده در تعامل با اجسام ماکروسکوپی (مانند آشکارسازهای ذرات) تحت فروپاشی قرار می گیرند.

نامشخصی: آینده ای مطمئن

تکامل شرودینگر موج ماده کاملاً قطعی است. این بدان معناست که اگر وضعیت فعلی موج ماده را مشخص کنیم ، وضعیت آینده آن کاملاً توسط معادله شرودینگر ثابت می شود.

این جبرگرایی تئوری وقتی اندازه گیری را در نظر می گیریم. زیرا وقتی موقعیت ذره ای را که توسط یک بسته موج نشان داده شده است ، اندازه گیری می کنیم ، مطمئناً نمی دانیم که کدام موقعیت آشکار می شود. بهترین کاری که می توانیم انجام دهیم این است که بگوییم موقعیت های نامزد کدام است و با استفاده از یک قانون استاندارد ، احتمال هر یک را محاسبه می کند.

بنابراین اندازه گیری نامشخصی را به تئوری کوانتومی معرفی می کند. مشخصات کامل وضعیت فعلی موج ماده و هر آنچه که با آن در تعامل خواهد بود ، کافی نیست که وضعیت آینده خود را برطرف کند.

این شکل فقط پنج مورد از آنها را نشان می دهد. به طور کلی بی نهایت تعداد زیادی وجود دارد.

نکته مهم این است که دامنه پالس های مؤلفه با توجه به بخشی که در بسته موج کاملاً مونتاژ شده کمک می کنند متفاوت است.

یک پالس که به بخش مرکزی دامنه بزرگ کمک می کند دامنه بزرگی خواهد داشت. پالس که به لبه های دامنه کوچکتر کمک می کند ، خود دامنه کمتری خواهد داشت.

این واقعیت آخر سرنخی است که به ما می گوید چگونه احتمال یک نتیجه اندازه گیری را محاسبه کنیم.

مکس متولد شده از این واقعیت استفاده کرد وقتی که "قانون متولد شده" را پیشنهاد کرد ، که به ما می گوید دامنه مؤلفه احتمال اینکه این مؤلفه نتیجه اندازه گیری باشد را برطرف می کند.

احتمال اینکه بسته موج در اندازه گیری به مؤلفه سقوط کند

دامنه

اضطراب بر سر و صدایی غیرقابل برگشت

هنگامی که نظریه کوانتومی برای اولین بار به عنوان بهترین تئوری ذرات اساسی ظاهر شد ، نقش اصلی احتمالات در این تئوری باعث نگرانی زیادی شد. احتمالات مرتبط با فروپاشی بسته موج از نوع همیشه قبلاً دیده نمی شد.

قبل از نظریه کوانتومی ، احتمالات موجود در فیزیک همیشه می توان به عنوان مظاهر نادانی ما از وضعیت واقعی در نظر گرفت.

شاید نمی دانیم که آیا یک سکه هنگام پرتاب سر یا دم خواهد آمد ، بنابراین می گوییم احتمال 1/2 روی سر وجود دارد. اما این احتمال صرفاً نادانی ما را نقاب می کند. اگر دقیقاً می دانستیم که سکه چقدر سخت شده است ، دقیقاً چگونه جریان هوا در اتاق گذاشته شده است و تعداد بیشماری از جزئیات دیگر ، ما در اصل می توانیم دقیقاً تعیین کنیم که آیا سکه سر یا دم خواهد بود.

در تئوری کوانتومی ، هنگامی که بسته موج فرو می ریزد ، ما احتمال مختلف برای نتایج مختلف پیدا می کنیم. اما هیچ واقعیت مشخصی در مورد موضوعی که بر آن نادان هستیم وجود ندارد. هیچ یک نتیجه درست و پنهان قبل از اندازه گیری وجود ندارد. هیچ تجمع بیشتر اطلاعات نمی تواند جهل ما را کاهش دهد. چیز دیگری برای دانستن وجود ندارد. بهترین چیزی که می توانیم بگوییم این است که هر یک از اندازه گیری های موقعیت امکان پذیر است و آنها با چنین و چنین احتمال بروز می کنند.

اکنون می توان دید که چرا این تفاوت در احتمالات منجر به اضطراب زیادی در بین فیزیکدانان در دهه 1920 و بعد از آن شد. تمام آنچه اتفاق افتاده است این است که ما جهان را پیدا کرده ایم که کمی متفاوت از آنچه انتظار داشتیم باشد. ما ممکن است یک بار فکر کرده ایم که ابراز جهل است. اکنون می دانیم که آنها بخش های غیرقابل برگشت از نحوه جمع شدن جهان هستند. ظاهر آنها در تئوری هیچ ارتباطی با آنچه ممکن است یا ممکن است بدانیم نیست. جهان فقط در برخی از جنبه های خود اساساً فریبنده است.

دیدگاه قرن نوزدهم از علیت

به اعتقاد من ، دلیل این امر ، این شخصیت غیرقابل برگشت جهان ، چنین اضطرابی را ایجاد کرده است ، میراثی از فلسفه قرن نوزدهم است. در طول قرن نوزدهم ، مفهوم علیت با تجزیه و تحلیل فلسفی بسیار خالص شده بود. نتیجه یک گزارش لاغر از علیت به عنوان جبرگرایی بود. این امر به سادگی بدان معنی است که این امر به طور همیشگی پس از آن دنبال می شود. بنابراین برای اینکه جهان علی باشد ، از این نظر ، به این معنی است که وضعیت فعلی جهان وضعیت آینده خود را برطرف می کند.

". قوانین دنیای خارجی نیز به معنای کامل در نظر گرفته شده است ، به معنای زیر: اگر وضعیت اشیاء در یک زمان خاص کاملاً داده شود ، وضعیت آنها در هر زمان دیگری کاملاً توسط قوانین طبیعت تعیین می شود. این دقیقاً همان چیزی است که ما وقتی از "علیت" صحبت می کنیم منظور ماست. چنین چیزی تقریباً چارچوب تفکر بدنی صد سال پیش بود. "

احتمالات غیرقابل برگشت نظریه کوانتومی نشان داد که وضعیت فعلی جهان وضعیت آینده خود را برطرف نمی کند. بهترین کاری که انجام می دهد این است که برای آینده های مختلف احتمالی احتمال وجود داشته باشد. بنابراین ، طبق تصور قرن نوزدهم ، جهان علّی نیست. بنابراین فیزیکدانان دهه 1920 غالباً از نقض "اصل علیت" ابراز تاسف می کردند.

آنچه باید بدانید

• چگونه امواج ماده به مواد مخدر وارد می شوند و چگونه این امکان را برای بسته های موج فراهم می کند.
• چگونه اصل نامشخص هایزنبرگ محدودیت قطعی مقادیر را نشان می دهد.
• تفاوت بین عدم اطمینان و نامشخص.
• اندازه گیری کوانتومی (فروپاشی بسته موج) چیست.
• چگونه احتمالات اساساً وارد نظریه کوانتومی می شوند و چرا این امر در ابتدا به عنوان عدم موفقیت علیت تلقی می شد.

کپی رایت جان دی نورتون. آوریل 2001 ؛16 مارس ، 22 اوت ، 1 دسامبر 2008 ؛5 مارس ، 14 آوریل 2010 ؛7 آوریل 2015. 14 آوریل 2017. 6 فوریه 2022.