helmikuu 1927: Heisenbergin epävarmuusperiaate

Werner Heisenberg

Nuori Werner Heisenberg kehitti helmikuussa 1927 keskeisen kvanttiteorian, epävarmuusperiaatteen, jolla on syvällisiä vaikutuksia.
Werner Heisenberg syntyi joulukuussa 1901 Saksassa ylemmän keskiluokan akateemisessa perheessä. Hän piti matematiikasta ja teknisistä laitteista poikana ja opettajat pitivät häntä lahjakkaana. Vuonna 1920 hän aloitti opinnot Münchenin yliopistossa. , ja julkaisi neljä fysiikan paperia kahden vuoden kuluessa mentori Arnold Sommerfeldin johdolla.Heisenbergistä tuli ammattitaitoisia ystäviä Wolfgang Paulin kanssa, joka oli vain vuosi vanhempi kuin Heisenberg ja myös opiskelija Münchenissä.
Hän sai tohtorin tutkinnon vuonna 1923, väitöskirjan kanssa hydrodynamiikan ongelmasta, vaikka hän melkein epäonnistui vaaditun kokeen huonon suorituskyvyn vuoksi suullisen kokeen kysymykset. Saatuaan tohtorin tutkinnon hän työskenteli Max Bornin assistenttina Göttingenissä, sitten työskenteli vuoden Niels Bohrin kanssa hänen instituutissaan Kööpenhaminassa.
1920-luvun alussa vallitseva kvanttiteoria mallinnut atomin kiinteiden kvantisoitujen elektronien kanssa. kiertää ytimen ympärillä. Elektronit voisivat siirtyä suuremmalle tai pienemmälle energialle absorboimalla tai emittoimalla oikean aallonpituuden fotonin. Malli toimi hyvin vedyn suhteen, mutta joutui ongelmiin suurempien atomien ja molekyylien kanssa. Fyysikot tajusivat, että uusi teoria oli välttämätön.
Heisenberg vastusti nykyistä mallia, koska hän väitti, että koska ei voida todellakin havaita elektronien kiertoradaa ytimen ympärillä, tällaisten kiertoradojen ei voida todellakaan sanoa olevan olemassa. Voi vain tarkkailla atomien lähettämän tai absorboiman valon spektriä. Vuodesta 1925 lähtien Heisenberg ryhtyi työskentelemään yrittääkseen keksiä kvanttimekaniikka, joka tukeutui vain ominaisuuksiin, jotka ainakin teoriassa voidaan havaita.
Heisenberg kehitti uuden lähestymistavan kvanttimekaniikkaan useiden kollegoiden avustuksella ja innoittamana. Pohjimmiltaan hän otti määrät, kuten sijainti ja nopeus, ja löysi uuden tavan edustaa ja manipuloida niitä. Max Born tunnisti Heisenbergin menetelmän oudon matematiikan matriiseiksi. Uusi formulaatio vastasi monia havaittuja atomien ominaisuuksia.
Pian sen jälkeen, kun Heisenberg keksi matriisipohjaisen kvanttimekaniikkansa, Erwin Schrödinger kehitti aaltomuotoilunsa. Schrödingerin aaltofunktion absoluuttinen neliö tulkittiin pian todennäköisyydeksi löytää hiukkanen tietyssä tilassa. Schrödingerin aaltoformulaatiosta, jonka hän pian osoittautui matemaattisesti vastaavaksi Heisenbergin matriisimenetelmiin, tuli suositumpi lähestymistapa, osittain siksi, että fyysikot olivat sitä mukavampia kuin tuntematon matriisimatematiikka. Oman menetelmän epäsuositus ärsytti Heisenbergia, varsinkin kun paljon oli vaakalaudalla silloin, kun hän ja muut nuoret tutkijat alkoivat etsiä ensimmäisiä työpaikkoja professoreina, kun vanhempi tutkijoiden sukupolvi jäi eläkkeelle.
Vaikka toiset ovat saattaneet pitää aaltomenetelmää helpommana käyttää, Heisenbergin matriisimekaniikka johti hänet luonnollisesti epävarmuusperiaatteeseen, josta hän on hyvin tunnettu. Matriisimatematiikassa a x b = b x a ei aina ole, ja muuttujapareille, jotka eivät liity työmatkalle, kuten sijainti ja liikemäärä tai energia ja aika, syntyy epävarmuussuhde.
Heisenberg suoritti myös ajatuskokeen. Hän harkitsi yrittää mitata elektronin sijaintia gammasädemikroskoopilla. Elektronin valaisemiseen käytetty korkean energian fotoni antaisi sille potkun, joka muuttaisi vauhtia epävarmalla tavalla. Suuremman resoluution mikroskooppi vaatisi suurempaa energiavaloa, mikä antaisi vieläkin suuremman potkun elektronille. Mitä tarkemmin yritetään mitata asemaa, sitä epävarmempi liike tulee, ja päinvastoin, Heisenberg perusteli. Tämä epävarmuus on kvanttimekaniikan perusominaisuus, ei minkään erityisen kokeellisen laitteen rajoitus.
Heisenberg esitteli uuden periaatteensa 14-sivuisessa kirjeessä Wolfgang Paulille, joka lähetettiin 23. helmikuuta 1927. Maaliskuussa hän toimitti epävarmuusperiaatetta koskevan julkaisun.
Niels Bohr toi esiin joitain virheitä Heisenbergin ajatuskokeessa. , mutta totesi epävarmuusperiaatteen olevan oikea, ja paperi julkaistiin.
Uudella periaatteella oli syvällisiä vaikutuksia. Aikaisemmin oli ajateltu, että jos tietäisit hiukkasen tarkan sijainnin ja liikemäärän kulloinkin ja kaikki siihen vaikuttavat voimat, voisit ainakin teoriassa ennustaa sen sijainnin ja liikemäärän milloin tahansa tulevaisuudessa . Heisenberg oli havainnut, ettei se pidä paikkaansa, koska et koskaan voinut tietää hiukkasen tarkkaa sijaintia ja liikemäärää samanaikaisesti.
Epävarmuusperiaatteesta tuli pian osa laajasti hyväksytyn Kööpenhaminan kvanttimekaniikan tulkinnan perustaa, ja syksyllä Brysselissä Solvay-konferenssissa Heisenberg ja Max Born julistivat kvanttivallankumouksen päättyneeksi.
Syksyllä 1927 Heisenberg otti professorin tehtävän Leipzigin yliopistossa, jolloin hänestä tuli Saksan nuorin varapuheenjohtaja. Vuonna 1932 hän voitti Nobel-palkinnon kvanttimekaniikkaa koskevasta työstään. Hän jatkoi tieteellistä tutkimustaan Saksassa. Toisen maailmansodan aikana, vaikka hän ei ollut natsipuolueen jäsen, hän oli isänmaallinen Saksan kansalainen ja hänestä tuli johtaja Saksan fissio-ohjelmassa, joka epäonnistui pyrkimyksissään rakentaa atomipommilla. Heisenbergin toimet ja motivaatiot ovat olleet siitä lähtien kiistanalaisia. Hän kuoli vuonna 1976.