Περί Ατόμων και Συμπάντων (#5):
«Αρχή της αβεβαιότητας: Η μεγαλύτερη ανακάλυψη της σύγχρονης Φυσικής.»
(επιμέλεια: Φοίβος Δημητρίου)
«Αρχή της αβεβαιότητας: Η μεγαλύτερη ανακάλυψη της σύγχρονης Φυσικής.»
(επιμέλεια: Φοίβος Δημητρίου)
Σ’ αυτό το άρθρο, θα μιλήσουμε για μια θεμελιώδη αρχή της φυσικής, η οποία ανακαλύφθηκε στις αρχές του 20ου αιώνα, κατά την διάρκεια της κβαντικής «επανάστασης». Η κβαντική μηχανική, έφερε σημαντικές αλλαγές τόσο στην κλασική φυσική, όσο και στον τρόπο με τον οποίο πρέπει να σκεφτόμαστε πώς συμπεριφέρονται οι μικροσκοπικές δομές της ύλης (άτομα, μόρια κλπ), αλλά και τα υποατομικά μέρη τους (πρωτόνια, ηλεκτρόνια κλπ).
Πρόκειται για την περίφημη αρχή της αβεβαιότητας ή αρχή της απροσδιοριστίας, η οποία διατυπώθηκε για πρώτη φορά το 1926-27 από τον Γερμανό φυσικό Werner Heisenberg (Βέρνερ Χάιζενμπεργκ), ο οποίος τιμήθηκε με το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 1932. Σύμφωνα με αυτή την αρχή, είναι αδύνατο να μετρηθεί η θέση και η ταχύτητα ενός σωματίου ταυτόχρονα και με ακρίβεια, ούτε πρακτικά, ούτε και θεωρητικά. Δηλαδή, στην απλούστερη μορφή της, η αρχή της αβεβαιότητας λέει ότι αν μετράμε τη θέση ενός σωματίου με κάποια απροσδιοριστία (περιθώριο σφάλματος), και ταυτόχρονα μετράμε το περιθώριο σφάλματος της ταχύτητάς του, τότε το γινόμενο των 2 μεγεθών, παραμένει περίπου σταθερό. Για παράδειγμα, αν η απροσδιοριστία στη θέση μικραίνει, η απροσδιοριστία στην ταχύτητα θα μεγαλώσει ώστε το γινόμενό τους να παραμένει περίπου σταθερό. Αν περιγράφαμε την απλή μορφή της αρχής της αβεβαιότητας μαθηματικά, θα παίρναμε:
Πρόκειται για την περίφημη αρχή της αβεβαιότητας ή αρχή της απροσδιοριστίας, η οποία διατυπώθηκε για πρώτη φορά το 1926-27 από τον Γερμανό φυσικό Werner Heisenberg (Βέρνερ Χάιζενμπεργκ), ο οποίος τιμήθηκε με το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής του 1932. Σύμφωνα με αυτή την αρχή, είναι αδύνατο να μετρηθεί η θέση και η ταχύτητα ενός σωματίου ταυτόχρονα και με ακρίβεια, ούτε πρακτικά, ούτε και θεωρητικά. Δηλαδή, στην απλούστερη μορφή της, η αρχή της αβεβαιότητας λέει ότι αν μετράμε τη θέση ενός σωματίου με κάποια απροσδιοριστία (περιθώριο σφάλματος), και ταυτόχρονα μετράμε το περιθώριο σφάλματος της ταχύτητάς του, τότε το γινόμενο των 2 μεγεθών, παραμένει περίπου σταθερό. Για παράδειγμα, αν η απροσδιοριστία στη θέση μικραίνει, η απροσδιοριστία στην ταχύτητα θα μεγαλώσει ώστε το γινόμενό τους να παραμένει περίπου σταθερό. Αν περιγράφαμε την απλή μορφή της αρχής της αβεβαιότητας μαθηματικά, θα παίρναμε:
Ο Werner Heisenberg (1926).
Αυτή όμως η απροσδιοριστία, δεν υπάρχει λόγω της ανικανότητας του ανθρώπου ή των οργάνων που χρησιμοποιούμε για να μετρήσουμε με ακρίβεια την θέση και την ταχύτητα ενός σωματίου, αλλά οφείλεται στο γεγονός, ότι η αρχή της αβεβαιότητας είναι θεμελιώδης χαρακτηριστική ιδιότητα του κόσμου, η οποία εμφανίζεται και πειραματικά! Όμως, η αρχή της αβεβαιότητας «κρύβεται» πίσω από την ανθρώπινη εμπειρία. Δεν είναι ένας φυσικός νόμος που λειτουργεί στο επίπεδο του δικού μας μακρόκοσμου. Είναι μια αρχή του μικρόκοσμου. Ο λόγος, είναι ότι εμφανίζεται σε πολύ μικρή κλίμακα και γίνεται κυρίως εμφανής στον μικρόκοσμο.
Η διατύπωση της αρχής της απροσδιοριστίας από τον Heisenberg, έχει τρομερές συνέπειες για τον κόσμο μας. Μπορούμε να πούμε, ότι είναι κυριολεκτικά ζωτικής σημασίας! Μία βασική συνέπεια της αρχής της αβεβαιότητας, είναι το γεγονός ότι αλλάζει τελείως την εικόνα που είχαμε για το άτομο πριν από αυτήν. Σύμφωνα με τα πρότυπα των Rutherford και Bohr, η εικόνα μας για το άτομο, θυμίζει ένα πλανητικό σύστημα. Η μάζα του ατόμου είναι συγκεντρωμένη στον πυρήνα, και τα ηλεκτρόνια κινούνται σε καθορισμένες κυκλικές τροχιές γύρω από αυτόν. Η διατύπωση του Bohr το 1913, εισήγαγε την έννοια της ηλεκτρονιακής στιβάδας. Όμως, η αρχή της απροσδιοριστίας, μας δίνει την εικόνα γύρω από τον πυρήνα, σαν ένα νέφος, στο οποίο δεν μπορούμε να γνωρίζουμε που ακριβώς βρίσκονται τα ηλεκτρόνια. Όπως θα μιλήσουμε και στο επόμενο άρθρο «Περί Ατόμων και Συμπάντων», η θεωρία της κβαντομηχανικής, προβλέπει ότι το ηλεκτρόνιο συμπεριφέρεται ως κύμα, συνεπώς δεν μπορούμε με ακρίβεια να γνωρίζουμε την τροχιά που διαγράφει. Η κβαντομηχανική εισάγει επίσης, την έννοια του ατομικού τροχιακού, το χώρο δηλαδή γύρω από τον πυρήνα όπου υπάρχει μεγάλη πιθανότητα να βρεθεί ένα ηλεκτρόνιο.
Η διατύπωση της αρχής της απροσδιοριστίας από τον Heisenberg, έχει τρομερές συνέπειες για τον κόσμο μας. Μπορούμε να πούμε, ότι είναι κυριολεκτικά ζωτικής σημασίας! Μία βασική συνέπεια της αρχής της αβεβαιότητας, είναι το γεγονός ότι αλλάζει τελείως την εικόνα που είχαμε για το άτομο πριν από αυτήν. Σύμφωνα με τα πρότυπα των Rutherford και Bohr, η εικόνα μας για το άτομο, θυμίζει ένα πλανητικό σύστημα. Η μάζα του ατόμου είναι συγκεντρωμένη στον πυρήνα, και τα ηλεκτρόνια κινούνται σε καθορισμένες κυκλικές τροχιές γύρω από αυτόν. Η διατύπωση του Bohr το 1913, εισήγαγε την έννοια της ηλεκτρονιακής στιβάδας. Όμως, η αρχή της απροσδιοριστίας, μας δίνει την εικόνα γύρω από τον πυρήνα, σαν ένα νέφος, στο οποίο δεν μπορούμε να γνωρίζουμε που ακριβώς βρίσκονται τα ηλεκτρόνια. Όπως θα μιλήσουμε και στο επόμενο άρθρο «Περί Ατόμων και Συμπάντων», η θεωρία της κβαντομηχανικής, προβλέπει ότι το ηλεκτρόνιο συμπεριφέρεται ως κύμα, συνεπώς δεν μπορούμε με ακρίβεια να γνωρίζουμε την τροχιά που διαγράφει. Η κβαντομηχανική εισάγει επίσης, την έννοια του ατομικού τροχιακού, το χώρο δηλαδή γύρω από τον πυρήνα όπου υπάρχει μεγάλη πιθανότητα να βρεθεί ένα ηλεκτρόνιο.
Προσομοίωση της δομής του ατόμου, σύμφωνα με την αρχή της αβεβαιότητας. Στο κέντρο βρίσκεται ο πυρήνας, και γύρω από αυτόν, υπάρχει το ηλεκτρονιακό νέφος που υπάρχει μεγαλύτερη πιθανότητα να βρεθεί ένα ηλεκτρόνιο.
Επομένως, συμπεραίνουμε ότι η αρχή της απροσδιοριστίας, και κατ’ επέκταση η κβαντική μηχανική, εισάγουν στην επιστήμη ένα αναπόφευκτο στοιχείο αδυναμίας πρόβλεψης και τυχαίου. Ο παράγοντας των πιθανοτήτων έχει μπει πλέον για τα καλά στο παιχνίδι της Φυσικής. Επιπλέον, η ανακάλυψη της αρχής της αβεβαιότητας, σήμανε το τέλος του ονείρου του Laplace. Ο Laplace, υπέθεσε ότι θα μπορούσε να υπάρξει ένα σύνολο φυσικών νόμων, που θα μας επέτρεπε να προβλέψουμε οτιδήποτε συμβαίνει στο Σύμπαν, αν γνωρίζαμε απόλυτα την κατάσταση του σε κάποια χρονική στιγμή. Αυτό όμως, μας το απαγορεύει η αρχή της αβεβαιότητας! Αν και πέρασαν αρκετές δεκαετίες από την ανακάλυψη του Heisenberg, η επίπτωση αυτής της αρχής στην εικόνα του ανθρώπου για τον κόσμο, αποτελεί αντικείμενο διαμάχης πολλών φιλοσόφων ακόμα και σήμερα! Τις επιπτώσεις αυτές, και τον ρόλο της αρχής της αβεβαιότητας στο σύμπαν, θα τις αναφέρουμε σε μελλοντικό άρθρο.