únor 1927: Heisenbergův princip nejistoty

Werner Heisenberg

V únoru 1927 vyvinul mladý Werner Heisenberg klíčovou část kvantové teorie, princip neurčitosti, s hlubokými důsledky.
Werner Heisenberg se narodil v prosinci 1901 v Německu do akademické rodiny vyšší střední třídy. Jako chlapec měl rád matematiku a technické pomůcky a jeho učitelé ho považovali za nadaného. V roce 1920 začal studovat na univerzitě v Mnichově a během dvou let publikoval čtyři fyzikální práce pod vedením mentora Arnolda Sommerfelda. Heisenberg se stal profesionálním přítelem Wolfganga Pauliho, který byl jen o rok starší než Heisenberg a zároveň student v Mnichově.
Doktorát získal v roce 1923, s tezí o problému v hydrodynamice, i když málem selhal kvůli špatnému výkonu požadovaného experimentu otázky k ústní zkoušce. Po získání doktorátu pracoval jako asistent Maxe Borna v Göttingenu, poté strávil rok prací s Nielsem Bohrem v jeho institutu v Kodani.
Převládající kvantová teorie počátkem 20. let modelovala atom tak, že má elektrony v pevně kvantovaných obíhá kolem jádra. Elektrony by se mohly pohybovat na vyšší nebo nižší energii absorbováním nebo emitováním fotonu správné vlnové délky. Model fungoval dobře pro vodík, ale narazil na problémy s většími atomy a molekulami. Fyzici si uvědomili, že je nezbytná nová teorie.
Heisenberg namítal proti současnému modelu, protože tvrdil, že jelikož člověk nemohl ve skutečnosti pozorovat oběžnou dráhu elektronů kolem jádra, nemohlo se o takových drahách skutečně říci, že existují. Bylo možné pozorovat pouze spektrum světla emitovaného nebo absorbovaného atomy. Počínaje rokem 1925 se Heisenberg pustil do práce a snažil se přijít s kvantovou mechanikou, která by se spoléhala pouze na vlastnosti, které by bylo možné alespoň teoreticky pozorovat.
S pomocí a inspirací od několika kolegů vyvinul Heisenberg nový přístup k kvantové mechanice. V zásadě vzal veličiny, jako je poloha a rychlost, a našel nový způsob, jak je reprezentovat a manipulovat s nimi. Max Born identifikoval podivnou matematiku v Heisenbergově metodě jako matice. Nová formulace představovala mnoho pozorovaných vlastností atomů.
Krátce poté, co Heisenberg přišel se svou maticovou kvantovou mechanikou, vyvinul Erwin Schrödinger svou vlnovou formulaci. Absolutní čtverec Schrödingerovy vlnové funkce byl brzy interpretován jako pravděpodobnost nalezení částice v určitém stavu. Schrödingerova formulace vln, kterou brzy dokázal, že je matematicky ekvivalentní s Heisenbergovými maticovými metodami, se stala populárnějším přístupem, částečně proto, že fyzici s ní měli větší pohodlí než s neznámou maticovou matematikou. Nepopularita jeho vlastní metody otravovala Heisenberga, zejména proto, že v té době šlo o hodně, protože on a další mladí vědci začínali hledat své první zaměstnání profesorů, protože starší generace vědců odcházela do důchodu.
Ačkoli ostatním se vlnový přístup snadněji používal, Heisenbergova maticová mechanika ho přirozeně vedla k principu neurčitosti, pro který je dobře známý. V maticové matematice neplatí vždy, že a x b = b x a, a pro dvojice proměnných, které nedocházejí, jako je poloha a hybnost nebo energie a čas, vzniká vztah nejistoty.
Heisenberg také provedl myšlenkový experiment. Zvažoval pokus o měření polohy elektronu pomocí mikroskopu gama záření. Vysokoenergetický foton použitý k osvětlení elektronu by ho nakopl a nejistým způsobem změnil jeho hybnost. Mikroskop s vyšším rozlišením by vyžadoval světlo s vyšší energií, což by elektronu poskytlo ještě větší rozruch. Čím přesněji se jeden pokusí změřit polohu, tím nejistější bude hybnost a naopak, usoudil Heisenberg. Tato nejistota je základním rysem kvantové mechaniky, nikoli omezením žádného konkrétního experimentálního přístroje.
Heisenberg nastínil svůj nový princip ve 14stránkovém dopise Wolfgangovi Paulimu zaslanému 23. února 1927. V březnu předložil ke zveřejnění svůj příspěvek o principu neurčitosti.
Niels Bohr poukázal na některé chyby v Heisenbergově myšlenkovém experimentu , ale souhlasil, že samotný princip nejistoty je správný, a příspěvek byl publikován.
Nový princip měl hluboké důsledky. Dříve se předpokládalo, že pokud znáte přesnou polohu a hybnost částice v daném okamžiku a všechny síly na ni působící, můžete alespoň teoreticky předpovědět její polohu a hybnost kdykoli v budoucnosti. . Heisenberg zjistil, že to není pravda, protože ve skutečnosti byste nikdy nemohli přesně vědět přesnou polohu a hybnost částice.
Princip nejistoty se brzy stal součástí základu široce přijímané kodaňské interpretace kvantové mechaniky a na pádové konferenci Solvay v Bruselu Heisenberg a Max Born prohlásili kvantovou revoluci za úplnou.
Na podzim roku 1927 zaujal Heisenberg místo profesora na univerzitě v Lipsku a stal se tak nejmladším řádným profesorem v Německu. V roce 1932 získal Nobelovu cenu za práci na kvantové mechanice. Ve vědeckém výzkumu pokračoval v Německu. Během druhé světové války nebyl členem nacistické strany, byl vlasteneckým německým občanem a stal se lídrem německého štěpného programu, který selhal ve snaze stavět na atomovou bombu. Heisenbergovy akce a motivace jsou od té doby předmětem kontroverzí. Zemřel v roce 1976.