หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก
ความไม่แน่นอนในการวัดตำแหน่งของคลื่นและความยาวคลื่น
สืบเนื่องจากแนวความคิดของเดอ เบรยที่ว่าอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในรูปห่อคลื่นซึ่งไม่สามารถ
บอกตำแหน่งได้แน่นอนเช่นเดียวกับอนุภาค สิ่งที่พอจะทำได้ก็คือ การใช้ลูกคลื่นจำนวนมากๆ
มารวมกันเพื่อให้ได้ห่อคลื่นที่มีบริเวณแคบมากที่สุด หรือ ทำให้ได้ระยะสั้นที่สุด ( ) เท่าที่จะ
ทำได้ (ดูภาพประกอบ)
จากภาพจะเห็นได้ว่า ถ้า มาก แปลว่า วัดค่า x ได้ถูกต้องน้อย (มีความไม่แน่นอนสูง) แต่
วัดค่า ได้ถูกต้องมาก (มีความแม่นยำมาก) ถ้า น้อย แปลว่า วัดค่า x ได้ถูกต้องมาก
(มีความแม่นยำมาก) แต่ วัดค่า ได้ถูกต้องน้อย (มีความไม่แน่นอนสูง)
จากสมการเดอเบรย ซึ่งแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความยาวคลื่นกับโมเมนตัม จะเห็นได้ว่า ถ้าวัดค่า ได้แม่นยำ
ก็จะทำให้วัดค่าโมเมนตัมได้แม่นยำด้วย ถ้าวัดค่า ผิดพลาด จะทำให้ค่าโมเมนตัมผิดพลาดไปด้วย
หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก
จากความสัมพันธ์ของความไม่แน่นอนในการวัดตำแหน่งและโมเมนตัมดังกล่าว ในปี ค.ศ. 1927 เวอร์เนอร์ ไฮเซนเบิร์ก ลูกศิษย์
ปริญญาเอกคนสำคัญของนีลส์ โบร์ ได้สรุปจากพื้นฐานความเป็นคลื่นสสารของอิเล็กตรอนว่า "ไม่มีทางระบุตำแหน่งและโมเมนตัม
ของอนุภาคได้แม่นยำพร้อมกัน" หลักการนี้เรียกว่า หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก
หมายความว่า หากวัดตำแหน่งอนุภาคได้แม่นยำ จะไม่มีวันบอกได้เลยว่าโมเมนตัมมีค่าเท่าใด ในทางกลับกัน หากระบุค่าโมเมนตัม
ได้อย่างแม่นยำ จะไม่มีวันบอกได้เลยว่าอนุภาคอยู่ ณ ตำแหน่งใด
แต่กรณีที่วัดทั้งตำแหน่งและโมเมนตัมได้ไม่แม่นยำทั้งคู่ เช่น ถ้าวัดตำแหน่งผิดพลาดมาก (ความไม่แน่นอนในการวัดมีค่ามาก) จะวัด
โมเมนตัมผิดพลาดน้อย ถ้าวัดตำแหน่งผิดพลาดน้อย (ความไม่แน่นอนในการวัดมีค่าน้อย)จะวัดโมเมนตัมผิดพลาดมาก ไม่ว่าจะวัด
ปริมาณทั้งสองได้ค่าผิดพลาดอย่างไรก็ตาม ไฮเซนเบิร์กสรุปว่า ค่าความไม่แน่นอนในการวัดปริมาณทั้งสองคูณกันแล้วต้องได้ค่าคงที่
ตัวหนึ่ง และค่าคงที่ตัวนั้นต้องไม่น้อยกว่าค่าคงที่ของพลังค์ ซึ่งเขียนเป็นสมการคณิตศาสตร์อย่างง่ายได้ว่า
ซึ่ง คือ ความไม่แน่นอนในการวัดตำแหน่งของอนุภาค
คือ ความไม่แน่นอนในการวัดโมเมนตัมของอนุภาค
h คือ ค่งคงที่ของพลังค์
การศึกษาความไม่แน่นอนในการวัดตำแหน่งและโมเมนตัมโดยใช้กล้องจุลทรรศน์รังสีแกมมาของไฮเซนเบิร์ก
ตามปกติ กล้องจุลทรรศน์ทั่วไปจะมีแหล่งกำเนิดแสงเป็นคลื่นในช่วงวิสิเบิล เพราะขนาด
ความยาวคลื่นสั้นกว่าหรือพอๆ กับขนาดของวัตถุ การที่สายตามนุษย์จะ "มองเห็น" วัตถุ
ผ่านกล้องได้ชัดเจน คลื่นแสงที่ใช้ต้องมีขนาดความยาวคลื่นสั้นกว่าขนาดของวัตถุอย่าง
แน่ชัด สำหรับกล้องจุลทรรศน์ของไฮเซนเบิร์ก เป็นกล้องจุลทรรศน์ควอนตัมสมมติที่ใช้
คลื่นรังสีแกมมาซึ่งมีความยาวคลื่นสั้นมาก (ความถี่สูง พลังงานสูง) เป็นแหล่งกำเนิดแสง
ทั้งนี้เพื่อต้องการได้ค่าโมเมนตัมของโฟตอนที่แน่นอน (ดูภาพประกอบ) และการที่ต้องใช้
คลื่นรังสีแกมมาแทนที่จะเป็นคลื่นแสงในช่วงวิสิเบิลธรรมดา เพราะไฮเซนเบิร์กต้องการวัด
ตำแหน่งของอิเล็กตรอนซึ่งมีขนาดเล็กมาก หากใช้คลื่นวิสิเบิลจะทำให้มองไม่เห็นไม่ว่าจะ
โฟกัสด้วยเลนส์ที่มีกำลังขยายสักเพียงใดก็ตาม
สิ่งที่ี่เกิดขึ้นขณะมองผ่านกล้อง คือ เนื่องจากรังสีแกมมามีพลังงานสูง เมื่อโฟตอนของรังสี
แกมมากระทบอิเล็กตรอน จะทำให้อิเล็กตรอนกระเด็นออกไปจากหน้าจออย่างรวดเร็วภาย
ในเสี้ยววินาที ผลที่ตามมาคือ จะไม่สามารถระบุตำแหน่งที่แม่นยำของอิเล็กตรอนได้ ความ
ไม่แม่นยำของการวัดนี้ประมาณได้ว่าอย่างน้อยที่สุดพอๆ กับขนาดความยาวคลื่นของรังสี
ถ้าให้ x แทนตำแหน่งอิเล็กตรอน,
แทนความไม่แม่นยำของการวัด
ตำแหน่งอิเล็กตรอน
และ แทนความยาวคลื่นของโฟตอน
จะเขียนได้ว่า
สำหรับความไม่แม่นยำน้อยสุดของการวัดโมเมนตัม ที่เป็นการรบกวนน้อยที่สุดขณะทำการสังเกต จะเท่ากับค่าโมเมนตัมของ
โฟตอนที่ให้กับอิเล็กตรอนเพื่อให้ผู้สังเกตสามารถ"มองเห็น" อิเล็กตรอนได้
โดยอาศัยสมการเดอเบรย ไฮเซนเบิร์กใช้ และ ดังนั้น ตามหลักของไฮเซนเบิร์ก ความไม่แม่นยำน้อยที่สุด
ของการวัดตำแหน่งและโมเมนตัมพร้อมกัน เขียนได้ว่า
หมายความว่า ผลคูณน้อยที่สุดของ และ ต้องไม่น้อยกว่าค่าคงที่ของพลังค์ แม้จะมีค่าน้อย
แบบเดียวกับค่าคงที่ของพลังค์ แต่ผลคูณดังกล่าวจะไม่เป็นค่าศูนย์
โดยทั่วไป จะเขียนเป็นสมการได้ว่า นี่คือ หลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก นั่นเอง!!
อย่างไรก็ตามการหาสมการความไม่แน่นอนข้างต้นที่อาศัยการสังเกตจากกล้องจุลทรรศน์รังสีแกมมา เป็นการพิจารณาอย่างหยาบๆ
ต่อมาไฮเซนเบิร์กได้ศึกษาอย่างละเอียด โดยวัดทั้งตำแหน่งและโมเมนตัมของระบบที่เหมือนกันหลายครั้งและคำนึงถึงการกระจาย
ความน่าจะเป็น (probability distribution) ของค่าที่วัดได้ (ไม่ขอกล่าวรายละเอียดในที่นี้) ในที่สุดสรุปได้ว่า
หรือ ซึ่ง
เปรียบเทียบหลักคิดของไฮเซนเบิร์ก เดอเบรย และโบร์เกี่ยวกับอิเล็กตรอนในอะตอม
จากเงื่อนไขวงโคจรควอนตัมของโบร์ ซึ่งแสดงถึงวงโคจรที่เสถียรของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสที่มีรัศมี
r
โดยมีโมเมนตัมเชิงมุมคงที่ด้วยค่าแน่นอน ชี้ให้เห็นว่าโบร์มองอิเล็กตรอนเป็นอนุภาค
ตามหลักคิดของเดอเบรย อิเล็กตรอนจัดว่าเป็นคลื่นสสารชนิดหนึ่งเคลื่อนที่ในวงโคจรในรูปห่อคลื่น(เพื่อทำให้เป็นคลื่นนิ่ง)
จะได้
กำหนดตำแหน่งคลื่นได้ แต่ไม่สามารถระบุโมเมนตัมที่แน่นอนได้ เพราะห่อคลื่นเกิดจากการรวมกันของคลื่นบริสุทธิ์หลายคลื่น
ที่มีความยาวคลื่นต่างกัน
ความยาวคลื่นเฉลี่ยของห่อคลื่นจะมีค่าเป็นจำนวนทวีคูณของค่าต่ำสุดเพื่อให้ครบเต็มวงโคจรพอดี
( ) ค่าความยาวคลื่นเฉลี่ยของห่อคลื่นจะสัมพันธ์กับค่าโมเมนตัมเชิงมุม ณ วงโคจรหนึ่งตามสมการเดอเบรย
หลักการนี้สนับสนุนทฤษฎีของโบร์ตรงที่ยอมให้อิเล็กตรอนมีวงโคจรที่เสถียรภายใต้เงื่อนไขวงโคจรควอนตัม เพียงแต่ขยายคำ
อธิบายเพิ่มเติมว่า อิเล็กตรอนต้องมีพฤติกรรมเป็นคลื่นสสาร
จากหลักคิดของไฮเซนเบิร์กที่ว่า
ไม่มีทางระบุตำแหน่งและโมเมนตัมของอนุภาคได้แม่นยำพร้อมกัน
หากนำมาอธิบายพฤติกรรม
ของอิเล็กตรอนในอะตอม
ไฮเซนเบิร์กมองว่าอิเล็กตรอนต้องเป็นคลื่นสสารเช่นเดียวกับความคิดของเดอเบรย เพื่อยืนยันว่าหลัก
ความไม่แน่นอนของเขาสนับสนุนโครงสร้างดังกล่าว ลองพิจารณาว่า ถ้าอิเล็กตรอนในอะตอมถูกนิวเคลียสซึ่งมีประจุบวกดึงดูด
เข้าไปหยุดที่นิวเคลียส แปลว่า เราทราบตำแหน่งที่แน่นอนของอิเล็กตรอน ( ) ดังนั้น ตามหลักของไฮเซนเบิร์ก จะได้ว่า
หมายความว่า พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนจะพุ่งเข้าสู่ค่าอนันต์ (E = p2 /2m) ดังนั้น จะไม่เหลือโครงสร้าง ของอะตอมให้เห็นอีกเลย
คราวนี้
หากยอมให้อิเล็กตรอนมีวงโคจรที่แน่นอนตามความคิดของโบร์
และคิดว่าอิเล็กตรอนเป็นคลื่นสสาร ตามหลักของ
ไฮเซนเบิร์ก จะตีความได้ว่า
เรายอมให้มีความไม่แน่นอนของตำแหน่งเกิดขึ้นได้
เท่ากับว่าเราลดค่าความไม่แน่นอนของ
โมเมนตัมเชิงมุมลงจากกรณีข้างต้น ผลที่ตามมา
คือ ทำให้พลังงานจลน์ของอิเล็กตรอนไม่พุ่งเข้าหาค่าอนันต์อีกต่อไป
แต่จะ
มีค่าชัดเจนค่าหนึ่งที่สอดคล้องกับสภาวะนิ่งของอิเล็กตรอนในวงโคจรนั้นๆ
ทำให้รักษาวงโคจรไว้ได้
นี่คือ
ความสอดคล้องของหลักความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์กกับโครงสร้างอิเล็กตรอนของอะตอมตามทฤษฎีของโบร์ !!