În fizică, complementaritatea este atât un rezultat teoretic, cât și un rezultat experimental al mecanicii cuantice, denumit și principiul complementarității. Acesta susține că obiectele au anumite perechi de proprietăți complementare care nu pot fi observate sau măsurate simultan.
Principiul complementarității a fost formulat de Niels Bohr, fondatorul principal al mecanicii cuantice. Exemple de proprietăți complementare pe care Bohr le-a considerat:
- Poziție și impuls
- Energie și durată
- Rotiți pe diferite axe
- Proprietăți legate de unde și particule
- Valoarea unui câmp și schimbarea acestuia (la o anumită poziție)
- Inseparabilitatea și coerența
Conceptul
De exemplu, aspectele particulelor și undelor obiectelor fizice sunt fenomene complementare. Ambele concepte sunt împrumutate din mecanica clasică, unde este imposibil să fie o particulă și o undă în același timp. Prin urmare, este imposibil să se măsoare proprietățile complete ale undelor și ale particulelor la un anumit moment. Mai mult, Bohr presupune că nu este posibil ca obiectele guvernate de mecanica cuantică să aibă proprietăți intrinseci independente de determinarea cu un dispozitiv de măsurare, punct de vedere susținut de teorema lui Kochen-Specker. Tipul de măsurare determină ce proprietate este afișată. Cu toate acestea, experimentul cu o singură și dublă fantă și alte experimente arată că unele efecte ale undelor și particulelor pot fi măsurate într-o singură măsurătoare.
Natura
Un aspect al complementarității este că nu se aplică numai măsurabilității sau cunoașterii unei anumite proprietăți a unei entități fizice, ci mai important, se aplică limitărilor acestei manifestări a proprietății fizice a acestei entități fizice în lumea fizică. Toate proprietățile entităților fizice există numai în perechi, pe care Bohr le-a descris ca perechi complementare sau conjugate. Realitatea fizică este determinată și definită de manifestările proprietăților care sunt limitate de compromisurile dintre aceste perechi complementare. De exemplu, un electron poate manifesta o precizie mai mare și o mai mare acuratețe a poziției sale numai în schimbul unei pierderi complementare în acuratețea manifestării impulsului său. Acest lucru înseamnă că există o limitare privind precizia cu care un electron poate poseda poziție (de exemplu, manifest), întrucât o poziție infinit de precisă ar dicta ca impulsul ei manifest să fie infinit de imprecis, sau nedefinit (de exemplu, non-manifest sau posedat ), ceea ce nu este posibil. Limitările finale în precizia manifestărilor de proprietate sunt cuantificate de principiul incertitudinii Heisenberg și de unitățile Planck. Complementaritatea și incertitudinea dictează că, prin urmare, toate proprietățile și acțiunile din lumea fizică se manifestă într-o oarecare măsură nedeterministe.
Fizicienii F.A.M. Frescura și Basil Hiley au rezumat motivele pentru introducerea principiului complementarității în fizică după cum urmează:
„În concepția tradițională, se presupune că există o realitate în spațiu-timp și că această realitate este un lucru dat, ale cărui aspecte pot fi văzute sau articulate la un moment dat. Bohr a fost primul care a subliniat că mecanica cuantică a pus în discuție această concepție tradițională. Pentru el „indivizibilitatea cuantei de acțiune”, care a fost modul său de a descrie principiul incertitudinii, a presupus că nu toate aspectele unui sistem pot fi privite simultan. Utilizând o anumită piesă de aparat, anumite caracteristici ar putea fi manifestate în detrimentul altora, în timp ce pentru o altă piesă de aparat, un alt aspect complementar ar putea fi manifestat într-un asemenea mod încât setul original a devenit non-manifest, adică, atributele originale nu mai erau bine definite. Pentru Bohr, acesta a fost un indiciu că principiul complementarității, un principiu pe care el anterior îl cunoștea în mod extensiv din alte discipline intelectuale, dar care nu apărea în fizica clasică, ar trebui adoptat ca un principiu universal”.
Complementaritatea într-un sistem apare atunci când se iau în considerare circumstanțele în care se încearcă măsurarea proprietăților sale; după cum a remarcat Bohr, principiul complementarității „implică imposibilitatea oricărei separări clare între comportamentul obiectelor atomice și interacțiunea cu instrumentele de măsură care servesc la definirea condițiilor în care apar fenomenele”. Este important să distingem, așa cum a făcut și Bohr în declarațiile sale originale, principiul complementarității de o declarație a principiului incertitudinii.
Considerații suplimentare
În prelegerea sa inițială pe tema aceasta, Bohr a subliniat că, așa cum finitudinea vitezei luminii implică imposibilitatea unei separări clare între spațiu și timp (relativitatea), finitudinea cuantei de acțiune implică imposibilitatea unei separări clare între comportamentul unui sistem și interacțiunea acestuia cu instrumentele de măsurare, și conduce la dificultățile bine cunoscute cu conceptul de „stare” în teoria cuantică; noțiunea de complementaritate urmărește să simbolizeze această nouă situație în epistemologia creată de teoria cuantică. Unii oameni consideră că este un adjuvant filosofic pentru mecanica cuantică, în timp ce alții îl consideră o descoperire la fel de importantă ca și aspectele formale ale teoriei cuantice. Exemple ale celor din urmă includ pe Leon Rosenfeld, care a susținut că „complementaritatea nu este o superstructură filosofică inventată de Bohr ca fiind o decorare părții de sus a formalismului cuantic, ea este piatra de temelie a descrierii cuantice”, și pe Wheeler, care a opinat că „principiul complementarității lui Bohr este cel mai revoluționar concept științific al acestui secol și inima căutării lui de cincizeci de ani pentru semnificația deplină a ideii cuantice”.
Experimente
Exemplul de chintesență al complementarității undă-particulă în laborator este fanta dublă. Principalul comportament complementar este întrebarea: „Ce informații există – încorporate în constituenții universului – care pot dezvălui istoria particulelor singulare în timp ce trec prin fanta dublă?” Dacă ar exista informații (chiar dacă nu sunt măsurate de către un observator conștient) care să dezvăluie prin „care fantă” a trecut fiecare particulă, atunci nicio particulă nu ar prezenta nicio interferență de undă cu cealaltă fantă. Acesta este un comportament de particule. Dar dacă nu există nicio informație despre care fantă – astfel încât niciun observator conștient, indiferent cât de bine echipat ar fi, ar fi vreodată capabil să determine care fantă traversează fiecare particulă – atunci particulele singulare vor interfera cu ele însele ca și cum ar trece prin ambele fante la același timp, ca o undă. Acesta este un comportament de undă. Aceste comportamente sunt complementare, în conformitate cu relația duală Englert-Greenberger, deoarece atunci când se observă un comportament, celălalt este absent. Ambele comportamente pot fi observate în același timp, dar fiecare fiind doar ca manifestări parțiale ale comportamentului lor complet (determinat de relația dualității). Această suprapunere a comportamentelor complementare există ori de câte ori există informații parțiale despre „care fantă”. Deși există o anumită contradicție cu relația dualității și, astfel, cu complementaritatea însăși, poziția contrară nu este acceptată de curentul principal al fizicii. Experimentele cu două fante cu fotoni singulari arată clar că fotonii sunt particule în același timp în care sunt unde. Fotonii lovesc ecranul unde sunt detectați în puncte, iar când au acumulat suficiente puncte, aspectul undei este clar vizibil. De asemenea, aspectul particulelor și undelor este văzut în același timp în fotonii care sunt staționari.
Diferitele experimente de interferometrie cu neutroni demonstrează subtilitatea noțiunilor de dualitate și complementaritate. Trecând prin interferometru, neutronul pare să acționeze ca o undă. Totuși, la trecere, neutronul este supus gravitației. Pe măsură ce interferometrul cu neutroni este rotit prin câmpul gravitațional al Pământului, se poate observa o schimbare de fază între cele două brațe ale interferometrului, însoțită de o schimbare a interferenței constructive și distructive a undelor neutronice la ieșirea din interferometru. Unele interpretări susțin că înțelegerea efectului de interferență necesită să recunoaștem că un singur neutron trece simultan prin ambele căi prin interferometru; un singur neutron ar fi „în două locuri simultan”. Deoarece cele două căi printr-un interferometru cu neutroni pot fi de la 5 cm până la 15 cm distanțate, efectul este cu greu microscopic. Acest lucru este similar cu experimentele tradiționale de interferometru cu fantă dublă și oglindă în care fantele (sau oglinzile) pot fi distanțate arbitrar. Deci, în experimentele de interferență și de difracție, neutronii se comportă la fel ca și fotonii (sau electronii) cu lungimea de undă corespunzătoare.
Lasă un răspuns