1927年2月：ハイゼンベルクの不確定性原理

ヴェルナーハイゼンベルク

1927年2月、若いヴェルナーハイゼンベルクは、量子論の重要な部分である不確定性原理を開発しました。
ヴェルナーハイゼンベルクは1901年12月にドイツで中流階級の学術家に生まれました。彼は少年時代に数学や技術機器が好きで、教師は彼を才能があると考えていました。1920年に彼はミュンヘン大学で勉強を始めました。 、そしてメンターのアーノルド・ゾンマーフェルトの指導の下、2年以内に4つの物理学の論文を発表しました。ハイゼンベルクは、ハイゼンベルクよりわずか1歳年上で、ミュンヘンの学生でもあるウォルフガング・パウリとプロの友達になりました。
彼は1923年に博士号を取得しました。流体力学の問題についての論文で、彼は必要な実験での彼の貧弱なパフォーマンスのためにほとんど失敗しましたが口頭試問に関する質問。博士号を取得した後、彼はゲッティンゲンでマックスボルンの助手として働き、コペンハーゲンの彼の研究所でニールスボーアと1年間働きました。
1920年代初頭の一般的な量子論は、原子を固定量子化された電子を持つものとしてモデル化しました。原子核の周りを周回します。電子は、適切な波長の光子を吸収または放出することにより、より高いまたはより低いエネルギーに移動する可能性があります。このモデルは水素に対してはうまく機能しましたが、より大きな原子や分子で問題が発生しました。物理学者は、新しい理論が必要であることに気づきました。
ハイゼンベルグは、原子核の周りの電子の軌道を実際に観測できないため、そのような軌道が実際に存在するとは言えないと主張したため、現在のモデルに反対しました。原子によって放出または吸収された光のスペクトルしか観察できませんでした。 1925年から、ハイゼンベルグは、少なくとも理論的には観察できる特性のみに依存する量子力学を考え出すことに取り組み始めました。
数人の同僚からの助けとインスピレーションを受けて、ハイゼンベルグは量子力学への新しいアプローチを開発しました。基本的に、彼は位置や速度などの量を取り、それらを表現および操作するための新しい方法を見つけました。マックス・ボルンは、ハイゼンベルグの方法の奇妙な数学を行列として特定しました。新しい定式化は、原子の多くの観察された特性を説明しました。
ハイゼンベルグが行列ベースの量子力学を考案した直後、エルヴィンシュレーディンガーは波動の定式化を開発しました。シュレディンガーの波動関数の絶対二乗は、すぐに特定の状態の粒子を見つける確率として解釈されました。シュレディンガーの波動定式化は、数学的にハイゼンベルグの行列法と同等であることがすぐに証明されましたが、物理学者が不確定な行列数学よりも慣れていることもあり、より一般的なアプローチになりました。彼自身の方法の不人気はハイゼンベルグを悩ませました、特に彼と他の若い科学者がより古い世代の科学者が引退するにつれて教授として彼らの最初の仕事を探し始めていたので多くが危機に瀕していたからです。
他の人は波のアプローチが使いやすいと思ったかもしれませんが、ハイゼンベルグの行列力学は彼を自然に彼がよく知られている不確定性原理に導きました。行列数学では、a x b = b x aであるとは限らず、位置と運動量、エネルギーと時間など、通勤しない変数のペアの場合、不確定性関係が発生します。
ハイゼンベルグは思考実験も行いました。彼は、ガンマ線顕微鏡で電子の位置を測定しようと考えました。電子を照らすために使用される高エネルギー光子は、電子にキックを与え、不確実な方法でその運動量を変化させます。より高い解像度の顕微鏡はより高いエネルギーの光を必要とし、電子にさらに大きなキックを与えます。位置を正確に測定しようとすると、勢いが不確定になり、逆もまた同様であると、ハイゼンベルグは推論しました。この不確実性は、特定の実験装置の制限ではなく、量子力学の基本的な特徴です。
ハイゼンベルグは、1927年2月23日に送信されたヴォルフガングパウリ宛ての14ページの手紙で、彼の新しい原理の概要を説明しました。3月、彼は不確定性原理に関する論文を発表しました。 、しかし不確定性原理自体が正しいことに同意し、論文が発表されました。
新しい原則には深い意味がありました。以前は、粒子の正確な位置と運動量、およびそれに作用するすべての力を知っていれば、少なくとも理論的には、将来いつでもその位置と運動量を予測できると考えられていました。 。ハイゼンベルグは、粒子の正確な位置と運動量を同時に実際に知ることは決してできないため、真実ではないことを発見しました。
不確定性原理はすぐに広く受け入れられている量子力学のコペンハーゲン解釈の基礎の一部となり、秋にブリュッセルで開催されたソルベイ会議で、ハイゼンベルクとマックス・ボルンは量子革命が完了したと宣言しました。
1927年の秋、ハイゼンベルクはライプツィヒ大学の教授に就任し、ドイツで最年少の准教授になりました。 1932年、彼は量子力学の研究でノーベル賞を受賞しました。 彼はドイツで科学研究を続けました。 第二次世界大戦中、彼はナチ党のメンバーではありませんでしたが、愛国心が強いドイツ市民であり、原爆での建設に失敗したドイツの核分裂プログラムのリーダーになりました。 それ以来、ハイゼンベルグの行動と動機は論争の的となっています。 彼は1976年に亡くなりました。