[Zohreh Gholami]

اصل مکملی "The principle of complementarity"


بر اساس رابطه دوبروی به ذرات مادی هم مشخصه‌های موجی و هم مشخصه‌های ذره‌ای نسبت داده می‌شود و این انتساب نوعی دوگانگی بوجود می‌آورد که اصل مکملی برای از بین بردن آن ، قرارداد می‌کند که همواره در هر پدیده خاص فقط یک دیدگاه را می‌توان بکار برد.


نگاه‌ اجمالی
بر اساس رابطه دوبروی به ذرات مادی هم مشخصه‌های موجی و هم مشخصه‌های ذره‌ای نسبت داده می‌شود. در نگاه ‌اول این بیان نوعی نگرانی ایجاد می‌کند، چون این بیان نوعی دوگانگی ایجاد می‌کند. اصل مکملی برای از بین بردن این دوگانگی ، قرارداد می‌کند که همواره در هر پدیده خاص فقط یک دیدگاه را می‌توان بکار برد. بنابراین اعمال هر دو دیدگاه موجی و ذره‌ای به صورت هم‌زمان ممنوع است.


موارد روشن اصل مکملی
در فیزیک مفاهیم موج و ذره دو مفهوم اساسی هستند، زیرا این دو نمایشگر تنها دو مد ممکن انتقال انرژی هستند. وقتی انرژی منتقل می‌شود، همواره می‌توان انتشار آن را به کمک امواج یا ذرات توصیف کرد. در توصیف انتقال انرژی معمولی (بزرگ مقیاس) در فیزیک کلاسیک، همواره می‌توان یکی از این دو توصیف را بکار برد.
به عنوان مثال ، یک آشفتگی که در سطح آب استخر حرکت می‌کند، یک پدیده موجی است و پرتاب توپ بیسبال ، انتقال انرژی توسط یک ذره را توصیف می‌کند. در اینگونه موارد که در آنها آشفتگی در حال حرکت را به دو صورت مستقیم مشاهده می‌کنیم، راجع به ‌اینکه کدام توصیف را باید بکار برد، هرگز تردیدی وجود ندارد.


چند مثال ساده ‌از کاربرد اصل مکملی
انتشار صوت از یک محیط کشسان را می‌توان به صورت یک آشفتگی موجی درک کرد، اما آن طور که ‌امواج آب قابل مشاهده هستند، امواج صوتی را نمی‌بینیم. با این وجود، توصیف موجی را با اطمینان خاطر در مورد انتشار صوت بکار می‌بریم، زیرا تا آنجا که به تعبیر پراش و تداخل مربوط می‌شود، روی هم رفته ، این پدیده با پدیده مربوط به ‌امواج آب مشابه‌ است. بنابراین گفته می‌شود که ‌انتشار صوت جنبه‌های صوتی را نشان می‌دهد. به بیان دیگر ، منظور این است که ‌انتشار صوت را با یک مدل موجی می‌توان تشریح کرد، چون مدل موجی با تمام مشاهدات تجربی درباره صوت توافق دارد.

یک نمونه ‌از رفتار ذره‌ای در نظریه جنبشی گازها ظاهر می‌شود . هرگز به صورت مستقیم نمی‌توانیم مولکول‌های یک گاز را مشاهده کنیم، ولی کاملا مطمئن هستیم که رفتار مولکول‌ها نسبتا همانند رفتار اجسام کروی سخت و کوچک است، زیرا آزمایشهای گوناگونی صحت این مطلب را تایید می‌کند. منظور این است که یک مدل ذره‌ای تنها وسیله مناسب برای بیان رفتار مولکول‌هاست. بنابراین ، وقتی پدیده‌هایی را توضیح می‌دهیم که تا حدی از تجربه عادی ما به دور هستند، باز هم یکی از دو مد توصیف را بکار می‌بریم، زیرا همواره یکی از آنها در توضیح حقایق تجربی موفق است.
ارتباط توصیف موجی و ذره‌ای توصیف‌های موجی و ذره‌ای متقابلا ناسازگار و متناقض هستند. هرگاه بخواهیم فرکانس یا طول موج یک موج را با دقت بینهایت معلوم کنیم، در اینصورت آن موج باید دارای گسترش بینهایت در فضا باشد. برعکس ، چنانچه موج در ناحیه محدودی از فضا محبوس باشد، بطوری که ‌انرژی آن در هر زمان به ناحیه محدودی نسبت داده شود، در آن صورت به‌واسطه ‌این موضعی بودن ، به ذره شباهت دارد، ولی نمی‌توان آن را با یک تک فرکانس یا طول موج مشخص کرد.

در عوض باید تعداد زیادی از امواج سینوسی ایده‌آل را که هر کدام دارای فرکانس و طول موج مشخص هستند، بر هم نهاد، تا آشفتگی موجی حاصل شود. بنابراین ، یک موج ایده‌آل (موجی که طول موج و فرکانس آن کاملا معلوم است) روی هم رفته با یک ذره ‌ایده‌آل (ذره‌ای که هیچ گسترشی در فضا ندارد) ناسازگار است.


احتمال وجود توصیف‌های دیگر در مورد انتقال انرژی
هر پدیده ‌انتقال انرژی ، خواه ‌از مشاهده مستقیم یا تجربه ما دور باشد یا نباشد، باید بر حسب امواج یا ذرات بیان شود. هرگاه بخواهیم که ‌این پدیده را مجسم کنیم و یا هرگاه بخواهیم که نوعی تصویر از آنچه در برهمکنش‌هایی که مشاهده مستقیم و بدون واسطه‌ آنها غیرقابل‌حصول است، داشته باشیم، آن تصور باید برحسب رفتار موجی و یا برحسب رفتار ذره‌ای باشد. هیچ شق دیگری موجود نیست. به دلیل وجود تناقض متقابل بین مشخصه‌های موجی ، نمی‌توان توصیف ذره‌ای و توصیف موجی را بطور همزمان بکار برد. می‌توانیم و باید یکی از این دو توصیف را بکار بریم، ولی هرگز نمی‌توانیم به صورت همزمان از هر دو استفاده کنیم.


اصل کمکی در مورد تابش الکترو مغناطیسی
تابش الکترو مغناطیسی هم جنبه‌های موجی و هم جنبه‌های ذره‌ای را نشان می‌دهد، اما نه در یک آزمایش. موردی که تداخل یا پراش را نشان می‌دهد، مستلزم تعبیر موجی است و هم‌زمان نمی‌توان از تعبیر ذره‌ای استفاده نمود. آزمایشی که برهمکنش فوتون و الکترون (مانند فتوالکتریک) را نشان می‌دهد، مستلزم تعبیر ذره‌ای است و همزمان نمی‌توان از تعبیر موجی استفاده کرد. جنبه‌های موجی و ذره‌ای ، خصوصیات ذاتی تابش الکترومغناطیسی هستند و باید هر دو جنبه را بپذیریم. بر اساس مکملی که توسط بوهر، پیشنهاد شد، جنبه‌های موجی و ذره‌ای مکمل یکدیگرند.
در هر آزمایش ، برای تعبیر رفتار تابش الکترومغناطیسی ، برحسب یک تصویر مرئی و با معنی ، باید یا توصیف ذره‌ای یا توصیف موجی را انتخاب کنیم. جنبه‌های موجی و ذره‌ای مکمل هستند، زیرا تا زمانی که ‌این دو جنبه هر دو معلوم نباشند، دانش ما درباره خصوصیات تابش الکترومغناطیسی ناقص است. اما گزینش یک توصیف ، که طبیعت آزمایش آن را ایجاب می‌کند، از گزینش همزمان توصیف دیگر جلوگیری می‌کند. درست همان طوری که نظریه نسبیت مشخص می‌کند که تصورات عادی ما از فضا - زمان و جرم در پدیده‌هایی با سرعت زیاد کاربرد ندارند. نظریه کوانتومی ‌نیز، از طریق دوگانگی موجی – ذره‌ای ، نشان می‌دهد که برای توصیف پدیده‌های زیرمیکروسکوپیک مفاهیم ساده معمولی کفایت نمی‌کنند.


منبع: وب سایت علوم پایه