februarie 1927: principiul incertitudinii lui Heisenberg

Werner Heisenberg

În februarie 1927, tânărul Werner Heisenberg a dezvoltat o piesă cheie a teoriei cuantice, principiul incertitudinii, cu implicații profunde.
Werner Heisenberg s-a născut în decembrie 1901 în Germania, într-o familie academică de clasă medie-înaltă. I-au plăcut matematica și dispozitivele tehnice de băiat, iar profesorii săi l-au considerat supradotat. În 1920 a început studiile la Universitatea din München și a publicat patru lucrări de fizică în termen de doi ani sub îndrumarea mentorului Arnold Sommerfeld. Heisenberg a devenit prieten profesionist cu Wolfgang Pauli, care era cu doar un an mai în vârstă decât Heisenberg și, de asemenea, student la München.
Și-a luat doctoratul în 1923, cu o teză despre o problemă în hidrodinamică, deși aproape a eșuat din cauza performanței sale slabe la experimentul necesar întrebări cu privire la examenul oral. După ce și-a luat doctoratul, a lucrat ca asistent al lui Max Born la Göttingen, apoi a petrecut un an lucrând cu Niels Bohr la institutul său din Copenhaga.
Teoria cuantică dominantă la începutul anilor 1920 a modelat atomul ca având electroni în cuantificat fix. orbitează în jurul unui nucleu. Electronii se pot deplasa la energie mai mare sau mai mică absorbind sau emițând un foton cu lungimea de undă dreaptă. Modelul a funcționat bine pentru hidrogen, dar a întâmpinat probleme cu atomii mai mari și cu moleculele. Fizicienii și-au dat seama că este necesară o nouă teorie.
Heisenberg s-a opus modelului actual deoarece susținea că, de vreme ce nu se putea observa orbita electronilor în jurul unui nucleu, nu s-ar putea spune că astfel de orbite există. Se putea observa doar spectrul luminii emise sau absorbite de atomi. Începând din 1925, Heisenberg a început să lucreze încercând să vină cu o mecanică cuantică care se bazează doar pe proprietăți care ar putea fi, cel puțin teoretic, observate.
Cu ajutorul și inspirația de la mai mulți colegi, Heisenberg a dezvoltat o nouă abordare a mecanicii cuantice. Practic, a luat cantități precum poziția și viteza și a găsit o nouă modalitate de a le reprezenta și manipula. Max Born a identificat matricea ciudată din metoda lui Heisenberg ca fiind matrice. Noua formulare a reprezentat multe proprietăți observate ale atomilor.
La scurt timp după ce Heisenberg a venit cu mecanica cuantică bazată pe matrice, Erwin Schrödinger și-a dezvoltat formularea de unde. Pătratul absolut al funcției de undă a lui Schrödinger a fost în curând interpretat ca probabilitatea de a găsi o particulă într-o anumită stare. Formularea de unde a lui Schrödinger, pe care a dovedit-o curând că este echivalentă matematic cu metodele matriciale ale lui Heisenberg, a devenit abordarea mai populară, parțial pentru că fizicienii erau mai confortabili cu ea decât cu matematica matricii necunoscute. Impopularitatea propriei sale metode l-a enervat pe Heisenberg, mai ales că la acea vreme erau în joc multe lucruri, el și alți tineri oameni de știință începând să-și caute primele locuri de muncă ca profesori, întrucât o generație mai veche de oameni de știință se retrăgea.

Deși alții ar fi putut găsi abordarea undelor mai ușor de utilizat, mecanica matricială a lui Heisenberg l-a condus în mod firesc la principiul incertitudinii pentru care este bine cunoscut. În matematica matricială, nu este întotdeauna cazul în care a x b = b x a și pentru perechile de variabile care nu fac naveta, cum ar fi poziția și impulsul, sau energia și timpul, apare o relație de incertitudine.
Heisenberg a realizat și un experiment de gândire. El a luat în calcul încercarea de a măsura poziția unui electron cu un microscop cu raze gamma. Fotonul de mare energie folosit pentru a ilumina electronul i-ar da o lovitură, schimbându-și impulsul într-un mod incert. Un microscop cu rezoluție mai mare ar necesita o lumină cu energie mai mare, dând o lovitură și mai mare electronului. Cu cât mai precis se încerca să se măsoare poziția, cu atât va fi mai incert impulsul și, invers, a argumentat Heisenberg. Această incertitudine este o caracteristică fundamentală a mecanicii cuantice, nu o limitare a unui anumit aparat experimental.
Heisenberg a subliniat noul său principiu într-o scrisoare de 14 pagini adresată lui Wolfgang Pauli, trimisă la 23 februarie 1927. În martie a trimis spre publicare lucrarea sa privind principiul incertitudinii.
Niels Bohr a subliniat câteva erori în experimentul de gândire al lui Heisenberg , dar a fost de acord că principiul incertitudinii în sine era corect și lucrarea a fost publicată.
Noul principiu a avut implicații profunde. Înainte, se credea că, dacă știți poziția exactă și impulsul unei particule la un moment dat și toate forțele care acționează asupra ei, ați putea, cel puțin teoretic, să preziceți poziția și impulsul acesteia în orice moment în viitor . Heisenberg descoperise că acest lucru nu este adevărat, pentru că nu puteai niciodată să știi poziția exactă și impulsul unei particule în același timp.
Principiul incertitudinii a devenit în curând parte din baza interpretării larg acceptate de la Copenhaga a mecanicii cuantice, iar la conferința Solvay de la Bruxelles din toamnă, Heisenberg și Max Born au declarat revoluția cuantică completă.
În toamna anului 1927, Heisenberg a preluat funcția de profesor la Universitatea din Leipzig, făcându-l cel mai tânăr profesor titular din Germania. În 1932 a câștigat Premiul Nobel pentru munca sa despre mecanica cuantică. Și-a continuat cercetările științifice în Germania. În timpul celui de-al doilea război mondial, deși nu era membru al partidului nazist, era un cetățean patriot german și a devenit lider în programul german de fisiune, care a eșuat în efortul său de a construi cu bomba atomică. Acțiunile și motivațiile lui Heisenberg au făcut obiectul unor controverse de atunci. A murit în 1976.