Jak Werner Heisenberg změnil popis kvantového světa?
Werner Heisenberg (1901–1976) patřil k tvůrcům kvantové mechaniky. V roce 1925 založil nový postup na měřitelných vlastnostech atomového záření a v roce 1927 formuloval princip neurčitosti. Jeho práce proměnila způsob, jakým předpovídáme chování mikroskopických soustav.
© / kredit: Fotograf neuveden / Wikimedia Commons · Zdroj · · Public domain · Úpravy: zmenšení, rámeček a kredit.
Jak popsat atom podle toho, co měříme
Fyzici znali polohy a intenzity spektrálních čar, ale starší atomové modely narážely na potíže. Heisenberg se v roce 1925 soustředil na vztahy mezi pozorovatelnými přechody atomu. Hledal početní pravidla, která by z nich vytvořila souvislou teorii.
Práce navazovala na Bohra a další fyziky. Její význam spočíval v novém způsobu výpočtu, z něhož bylo možné získávat předpovědi pro atomové procesy.
Proč se mluví o maticové mechanice
Max Born rozpoznal v Heisenbergových početních pravidlech matice, uspořádané tabulky čísel. Spolu s Pascualem Jordanem a Heisenbergem rozvinuli jejich použití do nové mechaniky.
Tyto tabulky umožnily propojit možné přechody elektronu mezi energetickými stavy atomu s vlastnostmi vyzařovaného světla. Z nových početních pravidel mohli fyzici odvozovat například polohy spektrálních čar a porovnávat je s měřením. Heisenbergův nápad se tak díky spolupráci s Bornem a Jordanem proměnil v použitelný nástroj pro výpočty atomových jevů.
Co v roce 1927 vyjádřila neurčitost
Představme si, že opakujeme pokus s elektrony za stejných výchozích podmínek. V jedné sérii měříme jejich polohu, ve druhé hybnost, tedy veličinu popisující jejich pohyb. Výsledky mají určitý rozptyl: některé hodnoty naměříme častěji, jiné méně často. Heisenbergův princip říká, že čím užší je rozmezí možných poloh v určitém směru, tím širší musí být rozmezí odpovídajících hybností v témže směru.
Jde o vlastnost kvantového stavu a o to, jaké výsledky může poskytovat. Praktický příklad i přesnější vysvětlení nabízí samostatné téma o principu neurčitosti.
Dvě modelové dvojice Gaussových rozdělení polohy a hybnosti. Užšímu rozdělení polohy odpovídá širší rozdělení hybnosti a naopak. Osy mají v každém sloupci stejné měřítko; stupnice jsou bez jednotek a křivky nejsou naměřená data. Šířky obou dvojic mají stejný součin.
© / kredit: Kosmologické novinky · Zdroj · · CC BY 4.0 · Úpravy: vlastní schéma.
Dvě početní cesty ke stejné teorii
Schrödinger v roce 1926 předložil vlnovou mechaniku. Brzy se ukázalo, že maticový a vlnový přístup představují za odpovídajících podmínek dva způsoby zápisu stejné kvantové teorie.
Různé zápisy se hodí k různým úlohám. Jejich propojení umožnilo sjednotit výpočty a společně zkoumat, jak rozumět měření, stavu a vývoji atomů. Na výkladu se podíleli také Bohr, Born, Pauli a další.
Jak Heisenbergův přínos navazuje na dnešní výzkum
Kvantový stav a vztahy mezi měřenými veličinami jsou základem přesných senzorů, atomové fyziky i částicových teorií. Pomáhají určit, jaký signál může pokus poskytnout a jak jej odlišit od šumu.
Heisenbergův příběh zároveň ukazuje, jak při výzkumu spolupracují různé dovednosti: určit, co chceme pokusem zjistit, vytvořit vhodný způsob výpočtu a ověřit jeho předpovědi měřením.
Zdroje a další čtení
Proč je to zajímavé právě pro vás?
Heisenbergova práce pomáhá rozumět tomu, jaké otázky lze kvantové soustavě položit a jak přesně předpovídat rozdělení výsledků. Tyto vztahy používají dnešní přístroje i výpočty.
Našli jste chybu nebo nepřesnost? Napište redakci. (redakce@kosmonovinky.cz)