februar 1927: Heisenbergs usikkerhetsprinsipp

Werner Heisenberg

I februar 1927 utviklet den unge Werner Heisenberg et sentralt stykke kvanteteori, usikkerhetsprinsippet, med dype implikasjoner.
Werner Heisenberg ble født i Tyskland i desember 1901, i en akademisk familie i øvre middelklasse. Han likte matematikk og tekniske dingser som gutt, og lærerne hans anså ham for begavet. I 1920 begynte han å studere ved universitetet i München. , og publiserte fire fysikkoppgaver innen to år under veiledning av mentor Arnold Sommerfeld. Heisenberg ble profesjonell venn med Wolfgang Pauli, som bare var ett år eldre enn Heisenberg og også student i München.
Han doktorgraden i 1923, med en avhandling om et problem i hydrodynamikk, selv om han nesten mislyktes på grunn av sin dårlige ytelse på det nødvendige eksperimentelle spørsmål om muntlig eksamen. Etter doktorgraden jobbet han som assistent for Max Born i Göttingen, og jobbet deretter et år med Niels Bohr ved instituttet i København.
Den rådende kvanteteorien på begynnelsen av 1920-tallet modellerte atomet hadde elektroner i fast kvantisert. kretser rundt en kjerne. Elektroner kan bevege seg til høyere eller lavere energi ved å absorbere eller avgi en foton med riktig bølgelengde. Modellen fungerte bra for hydrogen, men fikk problemer med større atomer og med molekyler. Fysikere skjønte at en ny teori var nødvendig.
Heisenberg protesterte mot den nåværende modellen fordi han hevdet at siden man faktisk ikke kunne observere elektronenes bane rundt en kjerne, kunne slike baner ikke sies å eksistere. Man kunne bare observere spekteret av lys som sendes ut eller absorberes av atomer. Fra og med 1925 satte Heisenberg i gang med å prøve å komme opp med en kvantemekanikk som bare var avhengig av egenskaper som, i det minste i teorien, kunne observeres.
Med hjelp og inspirasjon fra flere kolleger utviklet Heisenberg en ny tilnærming til kvantemekanikk. I utgangspunktet tok han mengder som posisjon og hastighet, og fant en ny måte å representere og manipulere dem på. Max Born identifiserte den rare matematikken i Heisenbergs metode som matriser. Den nye formuleringen utgjorde mange observerte egenskaper til atomer.
Kort tid etter at Heisenberg kom opp med sin matrise-baserte kvantemekanikk, utviklet Erwin Schrödinger sin bølgeformulering. Det absolutte kvadratet til Schrödingers bølgefunksjon ble fort tolket som sannsynligheten for å finne en partikkel i en bestemt tilstand. Schrödingers bølgeformulering, som han snart beviste var matematisk ekvivalent med Heisenbergs matriksmetoder, ble den mer populære tilnærmingen, delvis fordi fysikere var mer komfortable med den enn med den ukjente matriksmatematikken. Den upopulære populariteten til hans egen metode irriterte Heisenberg, spesielt fordi mye sto på spill den gangen da han og andre unge forskere begynte å lete etter sine første jobber som professorer da en eldre generasjon forskere gikk av med pensjon.

Selv om andre kanskje har funnet bølgetilnærmingen lettere å bruke, førte Heisenbergs matriksmekanikk ham naturlig til usikkerhetsprinsippet som han er kjent for. I matrisematematikk er det ikke alltid slik at a x b = b x a, og for par variabler som ikke pendler, som posisjon og momentum, eller energi og tid, oppstår et usikkerhetsforhold.
Heisenberg gjennomførte også et tankeeksperiment. Han vurderte å prøve å måle posisjonen til et elektron med gammastråelmikroskop. Høyenergifotonet som ble brukt til å belyse elektronet, ville gi det et spark, og endret momentum på en usikker måte. Et mikroskop med høyere oppløsning vil kreve lys med høyere energi, noe som gir et enda større spark til elektronet. Jo mer presist man prøvde å måle posisjonen, desto mer usikker ville momentum bli, og omvendt, resonnerte Heisenberg. Denne usikkerheten er et grunnleggende trekk ved kvantemekanikken, ikke en begrensning av noe spesielt eksperimentelt apparat.
Heisenberg skisserte sitt nye prinsipp på 14 sider et brev til Wolfgang Pauli, sendt 23. februar 1927. I mars sendte han ut sitt papir om usikkerhetsprinsippet for publisering.
Niels Bohr påpekte noen feil i Heisenbergs tankeeksperiment. , men var enig i at usikkerhetsprinsippet i seg selv var riktig, og papiret ble publisert.
Det nye prinsippet hadde dype implikasjoner. Før hadde man trodd at hvis du visste den nøyaktige posisjonen og momentet til en partikkel til enhver tid, og alle kreftene som virker på den, kan du, i det minste i teorien, forutsi dens posisjon og momentum når som helst i fremtiden . Heisenberg hadde funnet at det ikke var sant, fordi du faktisk aldri kunne kjenne en partikkels nøyaktige posisjon og momentum på samme tid.
Usikkerhetsprinsippet ble snart en del av grunnlaget for den allment aksepterte København-tolkningen av kvantemekanikk, og på Solvay-konferansen i Brussel den høsten erklærte Heisenberg og Max Born kvanterevolusjonen fullført.
Høsten 1927 tiltrådte Heisenberg en stilling som professor ved universitetet i Leipzig, og gjorde ham til den yngste professor i Tyskland. I 1932 vant han Nobelprisen for sitt arbeid med kvantemekanikk. Han fortsatte sin vitenskapelige forskning i Tyskland. Under andre verdenskrig, selv om han ikke var medlem av nazistpartiet, var han en patriotisk tysk statsborger, og han ble leder i det tyske fisjonsprogrammet, som mislyktes i sitt forsøk på å bygge atombombe. Heisenbergs handlinger og motivasjoner har vært gjenstand for kontrovers helt siden den gang. Han døde i 1976.