februar 1927: Heisenbergs usikkerhedsprincip

Werner Heisenberg

I februar 1927 udviklede den unge Werner Heisenberg et centralt stykke kvanteteori, usikkerhedsprincippet, med dybe implikationer.
Werner Heisenberg blev født i december 1901 i Tyskland i en akademisk familie i øvre middelklasse. Han kunne godt lide matematik og tekniske gadgets som dreng, og hans lærere betragtede ham som begavet. I 1920 begyndte han studier ved universitetet i München , og offentliggjorde fire fysikopgaver inden for to år under vejledning af mentor Arnold Sommerfeld. Heisenberg blev professionel ven med Wolfgang Pauli, som var bare et år ældre end Heisenberg og også studerende i München.
Han fik sin doktorgrad i 1923, med en afhandling om et problem inden for hydrodynamik, skønt han næsten mislykkedes på grund af sin dårlige præstation på det krævede eksperimentelle spørgsmål til den mundtlige eksamen. Efter at have modtaget sin doktorgrad arbejdede han som assistent for Max Born i Göttingen, hvorefter han tilbragte et år med Niels Bohr på hans institut i København.
Den fremherskende kvanteteori i begyndelsen af 1920’erne modellerede atomet som at have elektroner i fast kvantiseret kredser omkring en kerne. Elektroner kunne bevæge sig til højere eller lavere energi ved at absorbere eller udsende en foton med den rette bølgelængde. Modellen fungerede godt for brint, men løb ind i problemer med større atomer og med molekyler. Fysikere indså, at en ny teori var nødvendig.
Heisenberg protesterede mod den nuværende model, fordi han hævdede, at da man faktisk ikke kunne observere elektroners kredsløb omkring en kerne, kunne sådanne baner ikke siges at eksistere. Man kunne kun observere spektret af lys, der udsendes eller absorberes af atomer. Startende i 1925 satte Heisenberg i gang med at forsøge at komme med en kvantemekanik, der kun var afhængig af egenskaber, der i det mindste i teorien kunne observeres.
Med hjælp og inspiration fra flere kolleger udviklede Heisenberg en ny tilgang til kvantemekanik. Dybest set tog han mængder som position og hastighed og fandt en ny måde at repræsentere og manipulere dem på. Max Born identificerede den mærkelige matematik i Heisenbergs metode som matricer. Den nye formulering tegnede sig for mange observerede egenskaber ved atomer.
Kort efter at Heisenberg kom op med sin matrixbaserede kvantemekanik, udviklede Erwin Schrödinger sin bølgeformulering. Den absolutte firkant af Schrödingers bølgefunktion blev snart fortolket som sandsynligheden for at finde en partikel i en bestemt tilstand. Schrödingers bølgeformulering, som han snart beviste var matematisk ækvivalent med Heisenbergs matrixmetoder, blev den mere populære tilgang, dels fordi fysikere var mere komfortable med den end med den ukendte matrixmatematik. Den upopulære popularitet af hans egen metode irriterede Heisenberg, især fordi meget stod på spil på det tidspunkt, da han og andre unge forskere begyndte at lede efter deres første job som professorer, da en ældre generation af forskere gik på pension.

Selvom andre måske har fundet bølgetilgangen lettere at bruge, førte Heisenbergs matrixmekanik ham naturligt til det usikkerhedsprincip, som han er kendt for. I matrixmatematik er det ikke altid tilfældet, at a x b = b x a, og for par af variabler, der ikke pendler, såsom position og momentum eller energi og tid, opstår der en usikkerhedsrelation.
Heisenberg gennemførte også et tankeeksperiment. Han overvejede at forsøge at måle en elektrons position med et gammastråelmikroskop. Den højenergifoton, der blev brugt til at belyse elektronen, ville give det et spark og ændre dets momentum på en usikker måde. Et mikroskop med højere opløsning ville kræve lys med højere energi, hvilket giver et endnu større spark til elektronen. Jo mere præcist man forsøgte at måle positionen, jo mere usikker blev momentum, og omvendt, begrundede Heisenberg. Denne usikkerhed er et grundlæggende træk ved kvantemekanik og ikke en begrænsning af et bestemt eksperimentelt apparat.
Heisenberg skitserede sit nye princip på 14 sider et brev til Wolfgang Pauli, sendt 23. februar 1927. I marts sendte han sin artikel om usikkerhedsprincippet til offentliggørelse.
Niels Bohr påpegede nogle fejl i Heisenbergs tankeeksperiment. , men var enig i, at selve usikkerhedsprincippet var korrekt, og papiret blev offentliggjort.
Det nye princip havde dybe implikationer. Før havde man troet, at hvis man kendte den nøjagtige position og momentum for en partikel til enhver tid, og alle de kræfter, der virker på den, kunne man i det mindste i teorien forudsige dens position og momentum når som helst i fremtiden . Heisenberg havde fundet ud af, at det ikke var sandt, for man kunne faktisk aldrig kende en partikels nøjagtige position og momentum på samme tid.
Usikkerhedsprincippet blev hurtigt en del af grundlaget for den bredt accepterede københavnske fortolkning af kvantemekanik, og på Solvay-konferencen i Bruxelles det efterår erklærede Heisenberg og Max Born kvantrevolutionen fuldendt.
I efteråret 1927 overtog Heisenberg en stilling som professor ved Leipzig Universitet og gjorde ham til den yngste fuldprofessor i Tyskland. I 1932 vandt han Nobelprisen for sit arbejde med kvantemekanik. Han fortsatte sin videnskabelige forskning i Tyskland. Selvom han ikke var medlem af nazistpartiet, var han under 2. verdenskrig en patriotisk tysk statsborger, og han blev leder i det tyske fissionsprogram, der mislykkedes i dets bestræbelser på at bygge en atombombe. Heisenbergs handlinger og motivationer har været genstand for kontrovers lige siden. Han døde i 1976.