1927. február: Heisenberg bizonytalansági elve

Werner Heisenberg

1927 februárjában a fiatal Werner Heisenberg kifejlesztette a kvantumelmélet kulcsfontosságú darabját, a bizonytalanság elvét, mély következményekkel.
Werner Heisenberg 1901 decemberében született Németországban, egy felső középosztálybeli akadémikus családban. Fiúként szerette a matematikát és a technikai eszközöket, tanárai pedig tehetségesnek tartották. 1920-ban a müncheni egyetemen kezdte meg tanulmányait. , és két éven belül négy fizikai cikket tett közzé Arnold Sommerfeld mentor irányításával. Heisenberg szakmai barátokká vált Wolfgang Paulival, aki csak egy évvel volt idősebb Heisenbergnél, és Münchenben is hallgató volt.
1923-ban doktorált, a hidrodinamika problémájával foglalkozó tézissel, bár a szükséges kísérleti teljesítménye miatt szinte kudarcot vallott kérdések a szóbeli vizsgáról. A doktori fokozat megszerzése után Max Born asszisztenseként dolgozott Göttingenben, majd egy évet Niels Bohrral dolgozott koppenhágai intézetében.
Az 1920-as évek elején uralkodó kvantumelmélet az atomot úgy modellezte, hogy rögzített kvantált elektronokkal rendelkezik. a sejt körül kering. Az elektronok a megfelelő hullámhosszú foton elnyelésével vagy kibocsátásával magasabb vagy alacsonyabb energiára léphetnek. A modell jól működött hidrogénnél, de nagyobb atomokkal és molekulákkal is problémákat vetett fel. A fizikusok rájöttek, hogy új elméletre van szükség.
Heisenberg kifogásolta a jelenlegi modellt, mert azt állította, hogy mivel valójában nem lehet megfigyelni az elektron körüli pályát a sejtmag körül, ilyen pályákról nem igazán lehet azt mondani, hogy léteznek. Csak az atomok által kibocsátott vagy elnyelt fény spektrumát lehetett megfigyelni. 1925-től Heisenberg munkába állt, és megpróbált olyan kvantummechanikával előállni, amely csak olyan tulajdonságokra támaszkodott, amelyek legalábbis elméletben megfigyelhetők.
Heisenberg több kolléga segítségével és inspirációjával új megközelítést dolgozott ki a kvantummechanikában. Alapvetően olyan mennyiségeket vett, mint a helyzet és a sebesség, és új módot talált azok ábrázolására és manipulálására. Max Born a Heisenberg-módszer furcsa matematikáját mátrixként azonosította. Az új készítmény az atomok számos megfigyelt tulajdonságával rendelkezik.
Nem sokkal azután, hogy Heisenberg előállt a mátrixalapú kvantummechanikájával, Erwin Schrödinger kidolgozta hullámkészítményét. Schrödinger hullámfüggvényének abszolút négyzetét hamarosan úgy értelmezték, mint annak valószínűségét, hogy egy részecskét megtalálnak egy bizonyos állapotban. Schrödinger hullám-megfogalmazása, amelyről hamarosan bebizonyosodott, hogy matematikailag egyenértékű a Heisenberg-féle mátrix módszerekkel, egyre népszerűbb megközelítéssé vált, részben azért, mert a fizikusok jobban érezték magukat, mint az ismeretlen mátrix matematikában. Saját módszerének népszerűtlensége bosszantotta Heisenberget, különösen azért, mert akkoriban sok minden forog kockán, amikor ő és más fiatal tudósok kezdték keresni első munkahelyüket professzorként, miközben a tudósok idősebb generációja nyugdíjba vonult.
Bár mások talán könnyebben kezelhetik a hullám megközelítést, Heisenberg mátrixmechanikája természetesen a bizonytalanság elvéhez vezette, amelyről jól ismert. A mátrix matematikában nem mindig fordul elő, hogy a x b = b x a, és olyan változópárok esetében, amelyek nem ingáznak, például helyzet és lendület, vagy energia és idő, bizonytalansági összefüggés lép fel.
Heisenberg gondolatkísérletet is végzett. Fontolgatta, hogy gamma sugármikroszkóppal próbálja megmérni az elektron helyzetét. Az elektron megvilágítására használt nagy energiájú foton rúgást ad, lendületét bizonytalan módon megváltoztatja. Nagyobb felbontású mikroszkóphoz nagyobb energiájú fényre lenne szükség, ami még nagyobb rúgást adna az elektronnak. Minél pontosabban próbálják mérni a helyzetet, annál bizonytalanabb lesz a lendület, és fordítva – indokolta Heisenberg. Ez a bizonytalanság a kvantummechanika alapvető jellemzője, nem pedig egyetlen kísérleti berendezés korlátozása.
Heisenberg 14 oldalas, 1927. február 23-án küldött levelében felvázolta Wolfgang Paulinak írt levelét. Márciusban közzétette a bizonytalansági elvről szóló cikkét.
Niels Bohr rámutatott néhány hibára Heisenberg gondolatkísérletében. , de egyetértett abban, hogy maga a bizonytalanság elve helyes, és a cikket megjelentették.
Az új elv mély következményekkel járt. Korábban azt gondolták, hogy ha ismeri egy adott részecske pontos helyzetét és lendületét adott pillanatban, és az összes rá ható erőt, akkor legalább elméletben megjósolhatja annak helyzetét és lendületét a jövőben bármikor . Heisenberg megállapította, hogy ez nem igaz, mert soha nem lehet tudni egy részecske pontos helyzetét és lendületét egyszerre.
A bizonytalansági elv hamarosan részévé vált a kvantummechanika széles körben elfogadott koppenhágai értelmezésének, és az ősszel Brüsszelben zajló Solvay konferencián Heisenberg és Max Born a kvantumforradalmat befejezettnek nyilvánította.
1927 őszén Heisenberg a lipcsei egyetem professzora volt, és ezzel a legfiatalabb rendes professzor volt Németországban. 1932-ben kvantummechanikával végzett munkájával Nobel-díjat nyert. Tudományos kutatásait Németországban folytatta. A második világháború alatt, bár nem volt tagja a náci pártnak, hazafias német állampolgár volt, és vezetője lett a német hasadási programnak, amelynek kudarcot vallott az atombombán történő építése. Heisenberg cselekedetei és motivációi azóta is vita tárgyát képezik. 1976-ban halt meg