فيرنر هايزنبيرغ ومبدأ عدم اليقين

فيرنر هايزنبرغ، (من مواليد 5 ديسمبر 1901، فورتسبورغ، ألمانيا – توفي 1 فبراير 1976، ميونيخ، ألمانيا الغربية)، فيزيائي وفيلسوف ألماني اكتشف عام 1925 طريقة لصياغة ميكانيكا الكم من حيث المصفوفات. ولهذا الاكتشاف حصل على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1932. وفي عام 1927 نشر مبدأ عدم اليقين الذي بنى عليه فلسفته والذي اشتهر به. كما قدم مساهمات مهمة في نظريات الديناميكا المائية للتدفقات المضطربة، والنواة الذرية، والمغناطيسية الحديدية، والأشعة الكونية، والجسيمات دون الذرية، وكان له دور فعال في التخطيط لأول مفاعل نووي في ألمانيا الغربية في كارلسروه، جنبًا إلى جنب مع مفاعل الأبحاث في ميونيخ. ، في عام 1957. يحيط جدل كبير بعمله في الأبحاث الذرية خلال الحرب العالمية الثانية.

النشأة والتعليم

كان والد هايزنبرغ، أوغست هايزنبرغ، باحثًا في فقه اللغة اليونانية القديمة والأدب اليوناني الحديث، وكان مدرسًا في صالة للألعاب الرياضية (مدرسة ثانوية كلاسيكية إنسانية) ومحاضرًا في جامعة فورتسبورغ. كانت والدة فيرنر، آنا ويكلين، ابنة عميد النخبة ماكسيميليانز جيمنازيوم في ميونيخ. في عام 1910، أصبح أوغست هايزنبرغ أستاذًا لفقه اللغة اليونانية في جامعة ميونيخ. التحق فيرنر بمدرسة ماكسيميليانز للألعاب الرياضية في العام التالي وسرعان ما أثار إعجاب أساتذته بدقته في الرياضيات. التحق هايزنبرغ بجامعة ميونيخ في عام 1920، وأصبح طالبًا لدى أرنولد سومرفيلد، وهو خبير في التحليل الطيفي الذري وداعم للنموذج الكمي للفيزياء. (فكرة أن بعض الخصائص في الفيزياء الذرية ليست مستمرة وتأخذ فقط بعض القيم المنفصلة أو الكمية على نطاقات صغيرة تم تطويرها من قبل الفيزيائي الدنماركي نيلز بور في عام 1913.) أنهى هايزنبرغ عمله الرسمي للحصول على الدكتوراه في عام 1923 بحصوله على درجة الدكتوراه. أطروحة حول الديناميكا المائية.

على الرغم من الدفاع المتواضع عن أطروحته، ظهرت مواهب هايزنبرج الحقيقية في عمله حول تأثير زيمان الشاذ، حيث تنقسم الخطوط الطيفية الذرية إلى مكونات متعددة تحت تأثير المجال المغناطيسي. طوَّر هايزنبرج نموذجًا يفسر هذه الظاهرة، على الرغم من أن ذلك كان على حساب تقديم أرقام كمومية نصف صحيحة، وهي فكرة تتعارض مع نظرية بور كما هي مفهومة حتى الآن. وبينما كان هايزنبرغ لا يزال طالبًا رسميًا لدى سومرفيلد، أصبح في عام 1922 مساعدًا وطالبًا لماكس بورن في جامعة غوتنغن، حيث التقى هايزنبرغ أيضًا لأول مرة مع بور. في عام 1924 أكمل هايزنبرج تأهيله للتدريس على المستوى الجامعي في ألمانيا.

مبدأ عدم اليقين

صاغت نظرية الكم السائدة في أوائل عشرينيات القرن العشرين الذرة على أنها تحتوي على إلكترونات في مدارات كمية ثابتة حول النواة. يمكن أن تنتقل الإلكترونات إلى طاقة أعلى أو أقل عن طريق امتصاص أو إصدار فوتون من الطول الموجي الصحيح. لقد نجح النموذج بشكل جيد بالنسبة للهيدروجين، لكنه واجه مشاكل مع الذرات الأكبر حجمًا والجزيئات. أدرك الفيزيائيون ضرورة وجود نظرية جديدة.

اعترض هايزنبرغ على النموذج الحالي لأنه ادعى أنه بما أنه لا يمكن للمرء فعليًا مراقبة مدار الإلكترونات حول النواة، فلا يمكن القول بوجود مثل هذه المدارات حقًا. يمكن للمرء فقط ملاحظة طيف الضوء المنبعث أو الممتص بواسطة الذرات. ابتداءً من عام 1925، بدأ هايزنبرغ في محاولة التوصل إلى ميكانيكا الكم التي تعتمد فقط على الخصائص التي يمكن ملاحظتها، على الأقل من الناحية النظرية.

بمساعدة وإلهام العديد من الزملاء، طور هايزنبرج نهجًا جديدًا لميكانيكا الكم. في الأساس، أخذ كميات مثل الموضع والسرعة، ووجد طريقة جديدة لتمثيلها والتلاعب بها. حدد ماكس بورن الرياضيات الغريبة في طريقة هايزنبرغ على أنها مصفوفات. تمثل الصيغة الجديدة العديد من الخصائص المرصودة للذرات.

بعد وقت قصير من توصل هايزنبرغ إلى ميكانيكا الكم المبنية على المصفوفة، طور إيروين شرودنغر صيغته الموجية. وسرعان ما تم تفسير المربع المطلق للدالة الموجية لشرودنجر على أنه احتمال العثور على جسيم في حالة معينة. أصبحت صيغة شرودنغر الموجية، والتي سرعان ما أثبت أنها تعادل رياضيًا لطرق هايزنبرج المصفوفية، هي النهج الأكثر شيوعًا، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن الفيزيائيين كانوا أكثر ارتياحًا لها مقارنة برياضيات المصفوفات غير المألوفة. أزعجت عدم شعبية طريقته هيزنبرج، خاصة وأن الكثير كان على المحك في ذلك الوقت حيث كان هو وغيره من العلماء الشباب قد بدأوا في البحث عن وظائفهم الأولى كأساتذة مع تقاعد جيل أكبر من العلماء.

على الرغم من أن آخرين ربما وجدوا أن النهج الموجي أسهل في الاستخدام، إلا أن ميكانيكا المصفوفة لهايزنبرج قادته بشكل طبيعي إلى مبدأ عدم اليقين الذي اشتهر به. في رياضيات المصفوفات، ليس الحال دائمًا أن a x b = b x a، وبالنسبة لأزواج المتغيرات التي لا تتغير، مثل الموضع والزخم، أو الطاقة والوقت، تنشأ علاقة عدم يقين.

أجرى هايزنبرغ تجربة فكرية أيضًا. لقد فكر في محاولة قياس موضع الإلكترون باستخدام مجهر أشعة جاما. إن الفوتون عالي الطاقة المستخدم لإضاءة الإلكترون سيعطيه دفعة، مما يغير زخمه بطريقة غير مؤكدة. سيتطلب المجهر ذو الدقة العالية ضوءًا ذو طاقة أعلى، مما يعطي دفعة أكبر للإلكترون. كلما حاول المرء قياس الموقف بشكل أكثر دقة، كلما أصبح الزخم غير مؤكد، والعكس صحيح، كما قال هايزنبرج. يعد عدم اليقين هذا سمة أساسية لميكانيكا الكم، وليس قيدًا على أي جهاز تجريبي معين.

أوجز هايزنبرغ مبدأه الجديد في رسالة مؤلفة من 14 صفحة إلى فولفغانغ باولي، أُرسلت في 23 فبراير 1927. وفي مارس، قدم ورقته البحثية حول مبدأ عدم اليقين للنشر.

أشار نيلز بور إلى بعض الأخطاء في تجربة هايزنبرغ الفكرية، لكنه وافق على أن مبدأ عدم اليقين نفسه كان صحيحا، وتم نشر الورقة.

وكان للمبدأ الجديد آثار عميقة. من قبل، كان يُعتقد أنه إذا كنت تعرف الموقع الدقيق وزخم الجسيم في أي وقت معين، وجميع القوى المؤثرة عليه، فيمكنك، على الأقل من الناحية النظرية، التنبؤ بموقعه وزخمه في أي وقت في المستقبل. . وقد وجد هايزنبرغ أن هذا غير صحيح، لأنه لا يمكنك أبدًا معرفة الموقع الدقيق للجسيم وزخمه في نفس الوقت.

وسرعان ما أصبح مبدأ عدم اليقين جزءًا من الأساس لتفسير كوبنهاجن لميكانيكا الكم المقبول على نطاق واسع، وفي مؤتمر سولفاي في بروكسل في خريف ذلك العام، أعلن هايزنبرج وماكس بورن أن ثورة الكم قد اكتملت.

في خريف عام 1927، تولى هايزنبرغ منصب أستاذ في جامعة لايبزيغ، مما جعله أصغر أستاذ كامل في ألمانيا. وفي عام 1932 حصل على جائزة نوبل لأبحاثه في ميكانيكا الكم. واصل أبحاثه العلمية في ألمانيا. خلال الحرب العالمية الثانية، وعلى الرغم من أنه لم يكن عضوا في الحزب النازي، إلا أنه كان مواطنا ألمانيا وطنيا، وأصبح زعيما في برنامج الانشطار الألماني، الذي فشل في جهوده لبناء قنبلة ذرية. كانت تصرفات هايزنبرغ ودوافعه موضع جدل منذ ذلك الحين. توفي عام 1976.