یک اصل عدم قطعیت جدید در مکانیک کوانتوم

کرونوس – بر اساس آزمون فکری «گربه‌ی شرودینگر»، گربه‌ای که در یک جعبه قرار داده شده باشد، پیش از آن که درب جعبه باز شود، هم زنده و هم مرده است – پدیده‌ای عجیب که از پیشبینی‌های خارق‌العاده‌ی مکانیک کوانتوم می‌باشد. حال فیزیک‌دانان دانشگاه اکستر در انگلستان معتقدند چنین وضعیت لنگ‌درهوایی در مورد دما نیز وجود دارد: در سطح کوانتوم، اجسام می‌توانند در آن واحد دو دما داشته باشند. این پارادوکس نخستین رابطه‌ی عدم قطعیت کوانتوم است که پس از دهه‌ها کشف می‌شود.

اصل دیگر هایزنبرگ

ورنر هایزنبرگ فیزیک‌دان آلمانی در سال ۱۹۲۷ ادعا کرد هرقدر جایگاه یک ذره‌ی کوانتوم را با دقت بیشتری بتوانیم اندازه‌گیری کنیم، به همان نسبت با دقت کمتری می‌توانیم تکانه‌ی آن را پیشبینی کنیم؛ و بالعکس. قانونی که به اصل عدم قطعیت هایزنبرگ شهرت یافت.

بر مبنای عدم قطعیت کوانتومی که به تازگی کشف شده، هرچه بتوان دمای یک ذره‌ی کوانتوم را دقیق‌تر اندازه‌گیری کرد، به همان نسبت میزان انرژی آن جسم را با دقت کمتری می‌توان اندازه گرفت (و بالعکس). این برای نانوتکنولوژی و علوم نانو پیامدهای بسیار مهمی دارد. محققینی که بر روی این موضوع کار کرده‌اند در مقاله‌شان که روی Nature منتشر شده می‌گویند این اصل نحوه‌ی اندازه‌گیری دمای چیزهای بسیار کوچک همچون نقاط کوانتوم، نیمه‌رساناهای کوچک و سلول‌های تک را تغییر می‌دهد.

هایزنبرگ و بور در دهه‌ی ۱۹۳۰ یک رابطه‌ی عدم قطعیت بین دما و انرژی برای ابعاد غیرکوانتوم کشف کردند. بر اساس این رابطه، بهترین و علمی‌ترین راه برای دانستن دمای دقیق یک جسم این است که آن را در یک «مخزن» (مثلاً یک وان آب یا یک یخچال پر از هوای سرد) که دمای مشخصی دارد قرار داده و اجازه دهیم جسم کم‌کم به دمای مخزن برسد. به این مرحله تعادل گرمایی گفته می‌شود.

اما تعادل گرمایی بین مخزن و جسم که دائماً در حال تبادل انرژی هستند ثابت می‌ماند. لذا انرژی جسم ما به مقادیر بسیار بسیار کوچکی کم و زیاد می‌شود به گونه‌ای که نمی‌توان با قطعیت در مورد آن نظر داد. از سوی دیگر اگر بخواهیم مقدار دقیق انرژی یک جسم را بدانیم باید به گونه‌ای آن را از دیگر اشیا دور نگه داریم که هیچ انتقال انرژی بین آن‌ها روی ندهد. اما اگر جسم را دور از اجسام دیگر قرار دهیم نمی‌توانیم با استفاده از یک مخزن دمای آن را به دقت محاسبه کنیم. این محدودیت موجب ایجاد عدم قطعیت دمایی می‌شود.

اما در دنیای کوانتوم اوضاع پیچیده‌تر می‌شود.

یک رابطه‌ی عدم قطعیت جدید

در جهان ابعاد بزرگ، یک دماسنج می تواند دمای بین ۰/۵- و صفر درجه سانتیگراد را نمایش دهد؛ اما در دنیای کوانتوم دماسنج می‌تواند در یک لحظه دو دما را با هم نشان دهد. قانون عدم قطعیت جدید به توضیح این پدیده می‌پردازد.

رابطه‌ی میان اجسام در ابعاد کوانتوم موجب ایجاد برهم‌نهی (Superposition) و همچنین موجب تولید انرژی می‌شود. اصل قبلی عدم قطعیت این تأثیرات را نادیده می‌گرفت چون برای اجسام غیر کوانتومی بسیار کوچک و قابل چشم‌پوشی بود. اما اگر قرار باشد دمای یک نقطه‌ی کوانتومی را به دست آوریم، این تأثیرات مهم خواهند بود. اصل جدید پایه‌ی نظری‌ای برای بررسی این فعل‌وانفعالات به دست می‌دهد.

این مقاله‌ی جدید به کسانی که قصد دارند دمای اجسام در ابعاد بسیار کوچک (کوانتوم) را اندازه‌گیری کنند کمک کرده و به آن‌ها می‌گوید در چه جاهایی مجبورند از اصل جدید عدم قطعیت استفاده کنند.

درباره هیأت تحریریه

هیأت تحریریه
این مقاله توسط هیأت تحریریه نوشته ویا ویرایش شده است. عضویت در هیأت تحریریه با توجه به «شرایط همکاری با کرونوس» برای عموم آزاد است.

آیا می‌دانستید؟

نوشیدن قهوه می‌تواند احتمال ابتلا به آلزایمر و پارکینسون را کاهش دهد

کرونوس – نوشیدن بیش از حد قهوه ممکن است موجب تشنگی و همچنین درد معده شود؛ …

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *