Februari 1927: Heisenbergs osäkerhetsprincip

Werner Heisenberg

I februari 1927 utvecklade den unga Werner Heisenberg en viktig del av kvantteorin, osäkerhetsprincipen, med djupgående konsekvenser.
Werner Heisenberg föddes i december 1901 i Tyskland, i en akademisk familj i övre medelklassen. Han gillade matematik och tekniska prylar som pojke, och hans lärare ansåg honom begåvad. 1920 började han studera vid universitetet i München , och publicerade fyra fysikpapper inom två år under ledning av mentorn Arnold Sommerfeld. Heisenberg blev professionell vän med Wolfgang Pauli, som bara var ett år äldre än Heisenberg och också student i München.
Han doktorerade 1923, med en avhandling om ett problem inom hydrodynamik, även om han nästan misslyckades på grund av sin dåliga prestation på det experiment som krävs frågor om den muntliga tentamen. Efter doktorsexamen arbetade han som assistent för Max Born i Göttingen, och arbetade sedan ett år med Niels Bohr vid hans institut i Köpenhamn.
Den rådande kvantteorin i början av 1920-talet modellerade atomen som att ha elektroner i fast kvantiserad kretsar kring en kärna. Elektroner kan flytta till högre eller lägre energi genom att absorbera eller avge en foton med rätt våglängd. Modellen fungerade bra för väte, men stötte på problem med större atomer och med molekyler. Fysiker insåg att en ny teori var nödvändig.
Heisenberg motsatte sig den nuvarande modellen eftersom han hävdade att eftersom man faktiskt inte kunde observera elektronernas bana runt en kärna, kunde sådana banor inte sägas existera. Man kunde bara observera spektrumet av ljus som sänds ut eller absorberas av atomer. Från och med 1925 började Heisenberg arbeta och försökte komma fram till en kvantmekanik som endast förlitade sig på egenskaper som åtminstone i teorin kunde observeras.
Med hjälp och inspiration från flera kollegor utvecklade Heisenberg ett nytt tillvägagångssätt för kvantmekanik. I grund och botten tog han kvantiteter som position och hastighet och hittade ett nytt sätt att representera och manipulera dem. Max Born identifierade den konstiga matematiken i Heisenbergs metod som matriser. Den nya formuleringen stod för många observerade egenskaper hos atomer.
Strax efter att Heisenberg kom med sin matrisbaserade kvantmekanik utvecklade Erwin Schrödinger sin vågformulering. Den absoluta kvadraten i Schrödingers vågfunktion tolkades snart som sannolikheten att hitta en partikel i ett visst tillstånd. Schrödingers vågformulering, som han snart visade var matematiskt likvärdig med Heisenbergs matrismetoder, blev det mer populära tillvägagångssättet, delvis för att fysiker var mer bekväma med det än med den okända matrismatematiken. Den upopularitet som hans egen metod irriterade Heisenberg, särskilt för att det stod mycket på spel då han och andra unga forskare började leta efter sina första jobb som professorer då en äldre generation forskare gick i pension.

Även om andra kanske har hittat vågmetoden lättare att använda, ledde Heisenbergs matrismekanik honom naturligt till den osäkerhetsprincip som han är välkänd för. I matrismatematik är det inte alltid så att a x b = b x a, och för par variabler som inte pendlar, såsom position och momentum, eller energi och tid, uppstår en osäkerhetsrelation.
Heisenberg genomförde också ett tankeexperiment. Han övervägde att försöka mäta positionen för en elektron med ett gammastrålmikroskop. Den högenergifoton som användes för att belysa elektronen skulle ge den en kick och ändra sin fart på ett osäkert sätt. Ett mikroskop med högre upplösning skulle kräva ljus med högre energi, vilket ger elektronen ännu större spark. Ju mer exakt man försökte mäta positionen, desto mer osäker skulle momentum bli, och tvärtom, resonerade Heisenberg. Denna osäkerhet är ett grundläggande inslag i kvantmekaniken, inte en begränsning av någon speciell experimentell apparat.
Heisenberg redogjorde för sin nya princip på 14-sidor ett brev till Wolfgang Pauli, skickat den 23 februari 1927. I mars skickade han in sitt papper om osäkerhetsprincipen för publicering.
Niels Bohr påpekade några fel i Heisenbergs tankeexperiment. , men var överens om att osäkerhetsprincipen i sig var korrekt och papperet publicerades.
Den nya principen hade djupa konsekvenser. Tidigare hade man tänkt att om man visste den exakta positionen och momentet hos en partikel vid varje given tidpunkt, och alla krafter som verkar på den, skulle man åtminstone i teorin kunna förutsäga dess position och fart när som helst i framtiden . Heisenberg hade funnit att det inte var sant, för man kunde faktiskt aldrig veta en partikels exakta position och fart samtidigt.
Osäkerhetsprincipen blev snart en del av grunden för den allmänt accepterade Köpenhamntolkningen av kvantmekanik, och vid Solvay-konferensen i Bryssel den hösten förklarade Heisenberg och Max Born kvantrevolutionen fullbordad.
Hösten 1927 intog Heisenberg en position som professor vid universitetet i Leipzig, vilket gjorde honom till den yngsta professor i Tyskland. År 1932 vann han Nobelpriset för sitt arbete med kvantmekanik. Han fortsatte sin vetenskapliga forskning i Tyskland. Under andra världskriget, även om han inte var medlem i nazistpartiet, var han en patriotisk tysk medborgare, och han blev ledare i det tyska fissionsprogrammet, som misslyckades i sitt försök att bygga på atombomben. Heisenbergs handlingar och motiv har varit föremål för kontroverser sedan dess. Han dog 1976.