Febbraio 1927: Principio di incertezza di Heisenberg
Werner Heisenberg
Nel febbraio 1927, il giovane Werner Heisenberg sviluppò un pezzo chiave della teoria quantistica, il principio di indeterminazione, con profonde implicazioni.
Werner Heisenberg è nato nel dicembre 1901 in Germania, in una famiglia accademica della classe medio-alta. Da ragazzo amava la matematica e i gadget tecnici e i suoi insegnanti lo consideravano dotato. Nel 1920 iniziò gli studi all’Università di Monaco , e pubblicò quattro articoli di fisica in due anni sotto la guida del mentore Arnold Sommerfeld. Heisenberg divenne amico professionale di Wolfgang Pauli, che aveva solo un anno più di Heisenberg e anche lui studente a Monaco.
Ha conseguito il dottorato nel 1923, con una tesi su un problema di idrodinamica, anche se quasi fallì a causa delle sue scarse prestazioni sull’esperimento richiesto domande sulla prova orale. Dopo aver conseguito il dottorato, ha lavorato come assistente di Max Born a Gottinga, quindi ha trascorso un anno a lavorare con Niels Bohr nel suo istituto a Copenaghen.
La teoria quantistica prevalente nei primi anni ’20 ha modellato l’atomo come avente elettroni in quantizzato fisso orbita attorno a un nucleo. Gli elettroni potrebbero spostarsi verso un’energia più alta o più bassa assorbendo o emettendo un fotone della giusta lunghezza d’onda. Il modello ha funzionato bene per l’idrogeno, ma ha avuto problemi con atomi più grandi e con molecole. I fisici si resero conto che era necessaria una nuova teoria.
Heisenberg si oppose al modello attuale perché affermava che poiché non si poteva effettivamente osservare l’orbita degli elettroni attorno a un nucleo, non si poteva davvero dire che tali orbite esistessero. Si poteva solo osservare lo spettro della luce emessa o assorbita dagli atomi. A partire dal 1925, Heisenberg si mise al lavoro cercando di elaborare una meccanica quantistica che si basasse solo su proprietà che potevano, almeno in teoria, essere osservate.
Con l’aiuto e l’ispirazione di diversi colleghi, Heisenberg ha sviluppato un nuovo approccio alla meccanica quantistica. Fondamentalmente, ha preso quantità come posizione e velocità e ha trovato un nuovo modo per rappresentarle e manipolarle. Max Born ha identificato la strana matematica nel metodo di Heisenberg come matrici. La nuova formulazione ha tenuto conto di molte proprietà osservate degli atomi.
Poco dopo che Heisenberg presentò la sua meccanica quantistica basata su matrici, Erwin Schrödinger sviluppò la sua formulazione ondulatoria. Il quadrato assoluto della funzione d’onda di Schrödinger fu presto interpretato come la probabilità di trovare una particella in un certo stato. La formulazione delle onde di Schrödinger, che presto dimostrò essere matematicamente equivalente ai metodi delle matrici di Heisenberg, divenne l’approccio più popolare, in parte perché i fisici erano più a loro agio con essa che con la matematica a matrice non familiare. L’impopolarità del suo metodo infastidì Heisenberg, soprattutto perché la posta in gioco era molto in quel momento mentre lui e altri giovani scienziati stavano cominciando a cercare i loro primi lavori come professori mentre una vecchia generazione di scienziati stava andando in pensione.
Sebbene altri possano aver trovato l’approccio ondoso più facile da usare, la meccanica della matrice di Heisenberg lo ha portato naturalmente al principio di indeterminazione per il quale è ben noto. Nella matematica delle matrici, non è sempre vero che a x b = b x a, e per coppie di variabili che non commutano, come posizione e quantità di moto, o energia e tempo, si verifica una relazione di incertezza.
Heisenberg condusse anche un esperimento mentale. Ha considerato di provare a misurare la posizione di un elettrone con un microscopio a raggi gamma. Il fotone ad alta energia utilizzato per illuminare l’elettrone gli darebbe un calcio, cambiando il suo momento in modo incerto. Un microscopio a risoluzione più elevata richiederebbe una luce ad energia più elevata, dando un calcio ancora più grande all’elettrone. Più precisamente si cercava di misurare la posizione, più incerto sarebbe diventato lo slancio, e viceversa, ragionò Heisenberg. Questa incertezza è una caratteristica fondamentale della meccanica quantistica, non una limitazione di alcun particolare apparato sperimentale.
Heisenberg ha delineato il suo nuovo principio in una lettera di 14 pagine a Wolfgang Pauli, inviata il 23 febbraio 1927. A marzo ha presentato il suo articolo sul principio di indeterminazione per la pubblicazione.
Niels Bohr ha evidenziato alcuni errori nell’esperimento mentale di Heisenberg , ma ha convenuto che il principio di incertezza stesso era corretto e l’articolo è stato pubblicato.
Il nuovo principio ha avuto profonde implicazioni. In precedenza, si pensava che se si conosceva la posizione e la quantità di moto esatte di una particella in un dato momento e tutte le forze che agiscono su di essa, si poteva, almeno in teoria, prevedere la sua posizione e la quantità di moto in qualsiasi momento in futuro. . Heisenberg aveva scoperto che non era vero, perché non si poteva mai conoscere la posizione esatta e la quantità di moto di una particella allo stesso tempo.
Il principio di indeterminazione divenne presto parte della base dell’interpretazione ampiamente accettata di Copenaghen della meccanica quantistica e alla conferenza Solvay di Bruxelles dello stesso autunno, Heisenberg e Max Born dichiararono la rivoluzione quantistica completata.
Nell’autunno del 1927, Heisenberg prese una posizione come professore presso l’Università di Lipsia, rendendolo il più giovane professore ordinario in Germania. Nel 1932 vinse il Premio Nobel per il suo lavoro sulla meccanica quantistica. Ha continuato la sua ricerca scientifica in Germania. Durante la seconda guerra mondiale, sebbene non fosse un membro del partito nazista, era un cittadino tedesco patriottico e divenne un leader nel programma di fissione tedesco, che fallì nel suo tentativo di costruire una bomba atomica. Da allora le azioni e le motivazioni di Heisenberg sono state oggetto di controversia. Morì nel 1976.
