Luty 1927: Zasada niepewności Heisenberga

Werner Heisenberg

W lutym 1927 roku młody Werner Heisenberg opracował kluczowy element teorii kwantowej, zasadę nieoznaczoności, o głębokich konsekwencjach.
Werner Heisenberg urodził się w grudniu 1901 roku w Niemczech, w rodzinie akademickiej z wyższej klasy średniej. Jako chłopiec lubił matematykę i gadżety techniczne, a jego nauczyciele uważali go za utalentowanego. W 1920 roku rozpoczął studia na Uniwersytecie w Monachium. , i opublikował cztery prace z fizyki w ciągu dwóch lat pod kierunkiem mentora Arnolda Sommerfelda. Heisenberg zaprzyjaźnił się zawodowo z Wolfgangiem Paulim, który był tylko o rok starszy od Heisenberga i był również studentem w Monachium.
Doktorat uzyskał w 1923 roku, z tezą o problemie z hydrodynamiki, chociaż prawie nie udało mu się z powodu słabych wyników w wymaganym doświadczeniu pytania na egzaminie ustnym. Po uzyskaniu doktoratu pracował jako asystent Maxa Borna w Getyndze, a następnie spędził rok pracując z Nielsem Bohrem w swoim instytucie w Kopenhadze.
Dominująca teoria kwantowa na początku lat dwudziestych XX wieku modelowała atom jako posiadający elektrony w stałej kwantowej krąży wokół jądra. Elektrony mogą poruszać się w kierunku wyższej lub niższej energii, absorbując lub emitując foton o odpowiedniej długości fali. Model działał dobrze w przypadku wodoru, ale napotkał problemy z większymi atomami i cząsteczkami. Fizycy zdali sobie sprawę, że konieczna jest nowa teoria.
Heisenberg sprzeciwił się obecnemu modelowi, ponieważ twierdził, że skoro nie można faktycznie obserwować orbity elektronów wokół jądra, nie można powiedzieć, że takie orbity istnieją. Można było jedynie obserwować widmo światła emitowanego lub pochłanianego przez atomy. Począwszy od 1925 roku, Heisenberg zaczął pracować nad stworzeniem mechaniki kwantowej, która opierałaby się jedynie na właściwościach, które przynajmniej w teorii można zaobserwować.
Z pomocą i inspiracją kilku współpracowników Heisenberg opracował nowe podejście do mechaniki kwantowej. Zasadniczo wziął wielkości, takie jak pozycja i prędkość, i znalazł nowy sposób ich reprezentowania i manipulowania nimi. Max Born zidentyfikował dziwną matematykę w metodzie Heisenberga jako macierze. Nowa formuła uwzględniła wiele obserwowanych właściwości atomów.
Wkrótce po tym, jak Heisenberg wymyślił mechanikę kwantową opartą na macierzach, Erwin Schrödinger opracował swoją formułę falową. Bezwzględny kwadrat funkcji falowej Schrödingera został wkrótce zinterpretowany jako prawdopodobieństwo znalezienia cząstki w określonym stanie. Formuła falowa Schrödingera, która, jak wkrótce udowodnił, jest matematycznym odpowiednikiem metod macierzowych Heisenberga, stała się bardziej popularnym podejściem, częściowo dlatego, że fizycy byli z nim bardziej zadowoleni niż z nieznaną matematyką macierzową. Niepopularność jego własnej metody irytowała Heisenberga, zwłaszcza że stawka była wtedy bardzo wysoka, kiedy on i inni młodzi naukowcy zaczynali szukać swojej pierwszej pracy jako profesorowie, gdy starsze pokolenie naukowców przechodziło na emeryturę.

Chociaż inni mogli uznać podejście falowe za łatwiejsze w użyciu, mechanika macierzy Heisenberga w naturalny sposób doprowadziła go do zasady nieoznaczoności, z której jest dobrze znany. W matematyce macierzowej nie zawsze jest tak, że a x b = b x a, a dla par zmiennych, które się nie przemieszczają, takich jak pozycja i pęd lub energia i czas, powstaje relacja niepewności.
Heisenberg również przeprowadził eksperyment myślowy. Zastanawiał się, czy nie spróbować zmierzyć pozycji elektronu za pomocą mikroskopu promieniowania gamma. Foton o wysokiej energii użyty do oświetlenia elektronu dałby mu kopa, zmieniając jego pęd w niepewny sposób. Mikroskop o wyższej rozdzielczości wymagałby światła o wyższej energii, co dałoby jeszcze większe kopnięcie elektronowi. Im dokładniej próbowano zmierzyć pozycję, tym bardziej niepewny byłby pęd i odwrotnie, rozumował Heisenberg. Ta niepewność jest podstawową cechą mechaniki kwantowej, a nie ograniczeniem jakiegokolwiek konkretnego aparatu eksperymentalnego.
Heisenberg nakreślił swoją nową zasadę w 14-stronicowym liście do Wolfganga Pauliego wysłanym 23 lutego 1927 r. W marcu przedłożył do publikacji artykuł dotyczący zasady nieoznaczoności.
Niels Bohr wskazał na błędy w eksperymencie myślowym Heisenberga , ale zgodził się, że sama zasada nieoznaczoności jest poprawna i artykuł został opublikowany.
Nowa zasada miała głębokie konsekwencje. Wcześniej sądzono, że znając dokładne położenie i pęd cząstki w danym momencie oraz wszystkie siły na nią działające, można przynajmniej w teorii przewidzieć jej położenie i pęd w dowolnym momencie w przyszłości. . Heisenberg odkrył, że nie jest to prawdą, ponieważ nigdy nie można było poznać dokładnego położenia i pędu cząstki w tym samym czasie.
Zasada nieoznaczoności wkrótce stała się częścią podstawy szeroko akceptowanej kopenhaskiej interpretacji mechaniki kwantowej, a na konferencji Solvay w Brukseli tej jesieni Heisenberg i Max Born ogłosili zakończenie rewolucji kwantowej.
Jesienią 1927 r. Heisenberg objął stanowisko profesora na Uniwersytecie w Lipsku, co czyni go najmłodszym profesorem zwyczajnym w Niemczech. W 1932 roku otrzymał Nagrodę Nobla za swoją pracę nad mechaniką kwantową. Kontynuował badania naukowe w Niemczech. W czasie II wojny światowej, choć nie należał do partii nazistowskiej, był patriotycznym obywatelem Niemiec i został liderem niemieckiego programu rozszczepienia, którego nie udało się zbudować przy bombie atomowej. Działania i motywacje Heisenberga są od tego czasu przedmiotem kontrowersji. Zmarł w 1976 roku.