Complementarity (physics)
भौतिकी में, पूरकता क्वांटम यांत्रिकी का एक वैचारिक पहलू है जिसे नील्स बोहर ने सिद्धांत की एक आवश्यक विशेषता माना है। पूरकता सिद्धांत का मानना है कि वस्तुओं में पूरक गुणों के कुछ जोड़े होते हैं जिन्हें एक साथ देखा या मापा नहीं जा सकता है, उदाहरण के लिए, स्थिति और संवेग या तरंग और कण गुण। आधुनिक शब्दों में, पूरकता में अनिश्चितता सिद्धांत और तरंग-कण द्वैत दोनों शामिल हैं। बोहर ने क्वांटम यांत्रिकी के मूलभूत सत्यों में से एक को यह तथ्य माना कि एक जोड़े की एक मात्रा को मापने के लिए एक प्रयोग की स्थापना, उदाहरण के लिए एक इलेक्ट्रॉन की स्थिति, दूसरे को मापने की संभावना को बाहर करती है, फिर भी अध्ययन के तहत वस्तु को चिह्नित करने के लिए दोनों प्रयोगों को समझना आवश्यक है। बोहर के विचार में, परमाणु और उपपरमाण्विक वस्तुओं के व्यवहार को मापने वाले उपकरणों से अलग नहीं किया जा सकता है जो उस संदर्भ का निर्माण करते हैं जिसमें मापी गई वस्तुएं व्यवहार करती हैं। नतीजतन, ऐसी कोई "एकल तस्वीर" नहीं है जो इन विभिन्न प्रयोगात्मक संदर्भों में प्राप्त परिणामों को एकीकृत करती है, और केवल "घटनाओं की समग्रता" एक साथ पूरी तरह से सूचनात्मक विवरण प्रदान कर सकती है। एक भौतिक मॉडल के रूप में पृष्ठभूमि पूरकता 100 साल पहले एलेसेंड्रो वोल्टा के काम के वैज्ञानिक उत्सव में इटली के कोमो में नील्स बोहर की 1927 की प्रस्तुति से ली गई है। बोहर का विषय पूरकता था, यह विचार कि क्वांटम घटनाओं के माप विरोधाभासी परिणामों के माध्यम से पूरक जानकारी प्रदान करते हैं। जबकि बोहर की प्रस्तुति को अच्छी तरह से प्राप्त नहीं किया गया था, इसने अंततः आधुनिक तरंग-कण द्वैत अवधारणा की ओर ले जाने वाले मुद्दों को स्पष्ट कर दिया। बोहर के विचारों को प्रेरित करने वाले विरोधाभासी परिणाम पिछले 20 वर्षों में बन रहे थे। विरोधाभासी प्रमाण प्रकाश और इलेक्ट्रॉन दोनों से आए। एक सौ से अधिक वर्षों के लिए व्यापक रूप से सफल प्रकाश के तरंग सिद्धांत को प्लैंक के ब्लैकबॉडी विकिरण के 1901 मॉडल और आइंस्टीन की फोटोइलेक्ट्रिक प्रभाव की 1905 की व्याख्या द्वारा चुनौती दी गई थी। ये सैद्धांतिक मॉडल पदार्थ के साथ प्रकाश की अंतःक्रिया का वर्णन करने के लिए असतत ऊर्जा, एक क्वांटम का उपयोग करते हैं। विभिन्न प्रयोगात्मक टिप्पणियों द्वारा पुष्टि के बावजूद, फोटॉन सिद्धांत (जैसा कि इसे बाद में कहा गया) तब तक विवादास्पद बना रहा जब तक कि आर्थर कॉम्पटन ने 1922 से 1924 तक प्रकाश की गति का प्रदर्शन करने वाले प्रयोगों की एक श्रृंखला का प्रदर्शन नहीं किया। कण जैसी गति के प्रयोगात्मक साक्ष्य प्रकाश के तरंग जैसे हस्तक्षेप को प्रदर्शित करने वाले अन्य प्रयोगों के विपरीत प्रतीत होते हैं। इलेक्ट्रॉनों से विरोधाभासी साक्ष्य विपरीत क्रम में आए। जे. जे. थॉम्पसन, रॉबर्ट मिलिकन और चार्ल्स विल्सन सहित अन्य लोगों के कई प्रयोगों से पता चला था कि मुक्त इलेक्ट्रॉनों में कण गुण होते हैं। हालांकि 1924 में लुई डी ब्रोगली ने प्रस्ताव दिया कि इलेक्ट्रॉनों में एक संबद्ध तरंग होती है और श्रोडिंगर ने प्रदर्शित किया कि तरंग समीकरण परमाणुओं में इलेक्ट्रॉन गुणों के लिए सटीक रूप से जिम्मेदार हैं। फिर से कुछ प्रयोगों ने कण गुणों और अन्य तरंग गुणों को दिखाया। बोहर का इन अंतर्विरोधों का समाधान उन्हें स्वीकार करना है। अपने कोमो व्याख्यान में वे कहते हैंः "प्रयोगात्मक सामग्री की हमारी व्याख्या अनिवार्य रूप से शास्त्रीय अवधारणाओं पर आधारित है।" प्रत्यक्ष अवलोकन असंभव होने के कारण, क्वांटम प्रभावों के अवलोकन आवश्यक रूप से शास्त्रीय हैं। क्वांटम घटनाओं की प्रकृति जो भी हो, हमारी एकमात्र जानकारी शास्त्रीय परिणामों के माध्यम से आएगी। यदि प्रयोग कभी-कभी तरंग परिणाम और कभी-कभी कण परिणाम उत्पन्न करते हैं, तो यह प्रकाश और पदार्थ के अंतिम घटकों की प्रकृति है। बोहर के व्याख्यान नील्स बोहर ने स्पष्ट रूप से फरवरी और मार्च 1927 में नॉर्वे में एक स्कीइंग छुट्टी के दौरान पूरकता के सिद्धांत की कल्पना की, जिसके दौरान उन्हें वर्नर हाइजेनबर्ग से एक अप्रकाशित परिणाम के बारे में एक पत्र मिला, जो गामा किरणों का उपयोग करके एक सूक्ष्मदर्शी के बारे में एक विचार प्रयोग था। इस विचार प्रयोग ने अनिश्चितताओं के बीच एक समझौता निहित किया जिसे बाद में अनिश्चितता सिद्धांत के रूप में औपचारिक रूप दिया गया। बोहर के लिए, हाइजेनबर्ग के पेपर ने स्थिति माप के बीच के अंतर को स्पष्ट नहीं किया जो केवल एक कण द्वारा वहन किए जाने वाले संवेग मूल्य को परेशान करता है और अधिक कट्टरपंथी विचार है कि संवेग एक ऐसे संदर्भ में अर्थहीन या अव्याख्यनीय था जहां स्थिति को मापा गया था। अपनी छुट्टी से लौटने पर, जिस समय तक हाइजेनबर्ग ने प्रकाशन के लिए अपना पेपर जमा कर दिया था, बोहर ने हाइजेनबर्ग को आश्वस्त किया कि अनिश्चितता व्यापार पूरकता की गहरी अवधारणा की अभिव्यक्ति थी। हाइजेनबर्ग ने इसके प्रकाशन से पहले अपने पेपर में इस प्रभाव के लिए एक नोट विधिवत जोड़ा, जिसमें कहा गया थाः बोहर ने मेरे ध्यान में लाया है [कि] हमारे अवलोकन में अनिश्चितता विशेष रूप से असंतुलन की घटना से उत्पन्न नहीं होती है, बल्कि सीधे इस मांग से जुड़ी हुई है कि हम एक तरफ [कण] सिद्धांत में और दूसरी तरफ तरंग सिद्धांत में दिखाई देने वाले काफी अलग प्रयोगों को समान वैधता प्रदान करते हैं। बोहर ने 16 सितंबर 1927 को इटली के कोमो में आयोजित अंतर्राष्ट्रीय भौतिकी कांग्रेस में एक व्याख्यान में सार्वजनिक रूप से पूरकता के सिद्धांत को पेश किया, जिसमें आइंस्टीन, श्रोडिंगर और डीराक के उल्लेखनीय अपवादों के साथ उस युग के अधिकांश प्रमुख भौतिकविदों ने भाग लिया। हालाँकि, ये तीनों एक महीने बाद उपस्थित थे जब बोहर ने फिर से बेल्जियम के ब्रुसेल्स में पांचवीं सॉल्वे कांग्रेस में सिद्धांत प्रस्तुत किया। व्याख्यान इन दोनों सम्मेलनों की कार्यवाही में प्रकाशित किया गया था, और अगले वर्ष Naturwissenschaften (जर्मन में) और Nature (अंग्रेजी में) में पुनः प्रकाशित किया गया था। इस विषय पर अपने मूल व्याख्यान में, बोहर ने बताया कि जिस तरह प्रकाश की गति की परिसीमा अंतरिक्ष और समय (सापेक्षता) के बीच एक तेज अलगाव की असंभवता को दर्शाती है, उसी तरह क्रिया की मात्रा की परिसीमा एक प्रणाली के व्यवहार और मापने वाले उपकरणों के साथ इसकी बातचीत के बीच एक तेज अलगाव की असंभवता को दर्शाती है और क्वांटम सिद्धांत में 'स्थिति' की अवधारणा के साथ प्रसिद्ध कठिनाइयों की ओर ले जाती है; पूरकता की धारणा का उद्देश्य क्वांटम सिद्धांत द्वारा बनाई गई ज्ञानमीमांसा में इस नई स्थिति को पकड़ना है। भौतिक विज्ञानी एफ. ए. एम. फ्रेस्कुरा और बेसिल हिली ने भौतिकी में पूरकता के सिद्धांत की शुरुआत के कारणों को संक्षेप में इस प्रकार प्रस्तुत किया हैः व्याख्यानों के बाद बहस पूरकता ई. पी. आर. विरोधाभास के लिए बोहर के जवाब की एक केंद्रीय विशेषता थी, अल्बर्ट आइंस्टीन, बोरिस पोडोल्स्की और नाथन रोसेन द्वारा यह तर्क देने का एक प्रयास कि क्वांटम कणों में माप किए बिना भी स्थिति और गति होनी चाहिए और इसलिए क्वांटम यांत्रिकी एक अपूर्ण सिद्धांत होना चाहिए। आइंस्टीन, पोडोल्स्की और रोसेन द्वारा प्रस्तावित विचार प्रयोग में दो कणों का उत्पादन और उन्हें बहुत दूर भेजना शामिल था। प्रयोगकर्ता एक कण की स्थिति या संवेग को मापने का विकल्प चुन सकता है। उस परिणाम को देखते हुए, वे सिद्धांत रूप में एक सटीक भविष्यवाणी कर सकते हैं कि दूसरे, दूर के कण पर संबंधित माप क्या पाएगा। आइंस्टीन, पोडोल्स्की और रोसेन के लिए, इसका तात्पर्य यह था कि दूर के कण में दोनों मात्राओं के सटीक मान होने चाहिए, चाहे उस कण को किसी भी तरह से मापा जाए या नहीं। बोहर ने जवाब में तर्क दिया कि स्थिति मूल्य की कटौती को उस स्थिति में स्थानांतरित नहीं किया जा सकता है जहां एक संवेग मूल्य मापा जाता है, और इसके विपरीत। बोहर द्वारा पूरकता की बाद की व्याख्याओं में वारसॉ में 1938 का एक व्याख्यान और अल्बर्ट आइंस्टीन के सम्मान में एक उत्सव के लिए लिखा गया 1949 का एक लेख शामिल है। इसे 1953 में बोहर के सहयोगी लियोन रोसेनफेल्ड के एक निबंध में भी शामिल किया गया था। गणितीय औपचारिकता बोहर के लिए, अनिश्चितता सिद्धांत के पीछे पूरकता "अंतिम कारण" था। उन्होंने लिखा कि शास्त्रीय भौतिकी का उपयोग करके परमाणु घटनाओं से निपटने के सभी प्रयास अंततः विफल हो गए, जिससे यह मान्यता मिली कि उन घटनाओं के "पूरक पहलू" हैं। लेकिन शास्त्रीय भौतिकी को इसे संबोधित करने के लिए सामान्यीकृत किया जा सकता है, और गैर-परिवर्तनीय बीजगणित का उपयोग करके भौतिक मात्राओं का वर्णन करके "आश्चर्यजनक सरलता" के साथ। पूरकता की यह गणितीय अभिव्यक्ति हर्मन वेल और जूलियन श्विंगर के काम पर आधारित है, जो हिल्बर्ट रिक्त स्थान और एकात्मक परिवर्तन से शुरू होती है, जो पारस्परिक रूप से निष्पक्ष आधारों के सिद्धांतों की ओर ले जाती है। क्वांटम यांत्रिकी के गणितीय सूत्रीकरण में, भौतिक मात्राएँ जिन्हें शास्त्रीय यांत्रिकी ने वास्तविक-मूल्यवान चर के रूप में माना था, वे हिल्बर्ट स्थान पर स्व-संयुक्त प्रचालक बन जाते हैं। ये प्रचालक, जिन्हें "अवलोकन योग्य" कहा जाता है, आवागमन में विफल हो सकते हैं, इस मामले में उन्हें "असंगत" कहा जाता हैः असंगत अवलोकन योग्य में सामान्य आइगेनस्टेट का पूरा सेट नहीं हो सकता है; और के कुछ एक साथ आइगेनस्टेट हो सकते हैं, लेकिन एक पूर्ण आधार बनाने के लिए संख्या में पर्याप्त नहीं हैं। कैनोनिकल कम्यूटेशन संबंध का तात्पर्य है कि यह स्थिति और संवेग पर लागू होता है। बोहरियन दृष्टिकोण में, यह एक गणितीय कथन है कि स्थिति और संवेग पूरक पहलू हैं। इसी तरह, पाउली मैट्रिक्स द्वारा परिभाषित स्पिन अवलोकन में से किसी भी दो के लिए एक समान संबंध है; लंबवत अक्षों के साथ स्पिन के माप पूरक हैं। पाउली स्पिन अवलोकन को द्वि-आयामी हिल्बर्ट स्पेस द्वारा वर्णित क्वांटम प्रणाली के लिए परिभाषित किया गया है; पारस्परिक रूप से निष्पक्ष आधार इन अवलोकन को मनमाने ढंग से सीमित आयाम के हिल्बर्ट स्पेस में सामान्यीकृत करते हैं। दो आधार और एक-आयामी हिल्बर्ट स्थान के लिए पारस्परिक रूप से निष्पक्ष होते हैं जब यहाँ आधार सदिश, उदाहरण के लिए, प्रत्येक के साथ समान ओवरलैप होता है; एक आधार में एक अवस्था और दूसरे आधार में किसी भी अवस्था के बीच समान संक्रमण संभावना होती है। प्रत्येक आधार एक अवलोकन योग्य से मेल खाता है, और दो पारस्परिक रूप से निष्पक्ष आधारों के लिए अवलोकन एक दूसरे के पूरक हैं। यह क्वांटम गतिविज्ञान के बारे में एक कथन के रूप में पूरकता के विवरण की ओर ले जाता हैः पूरकता की अवधारणा को सकारात्मक-प्रचालक-मूल्यवान उपायों (पी. ओ. वी. एम.) द्वारा वर्णित क्वांटम मापों पर भी लागू किया गया है। निरंतर पूरकता जबकि पूरकता की अवधारणा पर दो प्रयोगात्मक चरम सीमाओं के माध्यम से चर्चा की जा सकती है, निरंतर समझौता भी संभव है। तरंग-कण संबंध, ग्रीनबर्गर और यासीन द्वारा शुरू किया गया, और तब से दूसरों द्वारा परिष्कृत किया गया, कण पथ अंतर को मापने और तरंग हस्तक्षेप फ्रिंज दृश्यता के बीच व्यापार-बंद की मात्रा निर्धारित करता हैः के मान और व्यक्तिगत रूप से 0 और 1 के बीच भिन्न हो सकते हैं, लेकिन कोई भी प्रयोग जो कण और तरंग का पता लगाने को जोड़ता है, वह एक या दूसरे, या दोनों को सीमित कर देगा। दोनों शब्दों की विस्तृत परिभाषा अनुप्रयोगों के बीच भिन्न होती है, लेकिन संबंध इस सत्यापित बाधा को व्यक्त करता है कि कण पथ का पता लगाने के प्रयासों के परिणामस्वरूप कम दृश्य तरंग हस्तक्षेप होगा। आधुनिक भूमिका जबकि पूरकता की कई प्रारंभिक चर्चाओं में काल्पनिक प्रयोगों पर चर्चा की गई, प्रौद्योगिकी में प्रगति ने इस अवधारणा के उन्नत परीक्षणों की अनुमति दी है। क्वांटम इरेजर जैसे प्रयोग पूरकता में प्रमुख विचारों को सत्यापित करते हैं; क्वांटम उलझाव का आधुनिक अन्वेषण सीधे पूरकता पर आधारित हैः अपने नोबेल व्याख्यान में, भौतिक विज्ञानी जूलियन श्विंगर ने पूरकता को क्वांटम क्षेत्र सिद्धांत से जोड़ाः क्वांटम यांत्रिकी की सुसंगत इतिहास व्याख्या एक प्रमुख परिभाषित अभिधारणा के रूप में पूरकता का एक सामान्यीकृत रूप लेती है। कोपनहेगन व्याख्या भी देखें केनोनिकल निर्देशांक संयुग्म चर क्वांटम यांत्रिकी की व्याख्याएँ तरंग-कण द्वैत संदर्भ आगे पढ़ने के लिए बर्थोल्ड-जॉर्ज एंग्लर्ट, मार्लन ओ. स्कली और हर्बर्ट वाल्थेर, क्वांटम ऑप्टिकल टेस्ट ऑफ कॉम्प्लिमेंटेरिटी, नेचर, वॉल्यूम 351, पीपी 111-116 (9 मई 1991) और (वही लेखक) द डुअलिटी इन मैटर एंड लाइट साइंटिफिक अमेरिकन, पीजी 56-61, (दिसंबर 1994)। नील्स बोहर, कारण और पूरकताः जान फे और हेनरी जे. फॉल्स द्वारा संपादित पूरक पत्र। नील्स बोहर के दार्शनिक लेखन, खंड IV। ऑक्स बो प्रेस। 1998 में। बाहरी लिंक परमाणु भौतिकी में ज्ञानशास्त्रीय समस्याओं पर आइंस्टीन के साथ चर्चा आइंस्टीन का आलोचनाओं के लिए जवाब क्वांटम यांत्रिकी नील्स बोहर द्विभाजन वैज्ञानिक नियम