Вернер Карл Гейзенберг — известный немецкий физик-теоретик, один из основателей квантовой механики, лауреат Нобелевской премии по физике и член ряда научных обществ мира.
Рисунок 1. Вернер Карл Гейзенберг. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Гейзенберг родился в 1901 году в Вюрцбурге. Его отец – выдающийся исследователь византийской истории. В юности Вернер был новым скаутом и изучал основы физики в немецком городе Мюнхене под руководством А. Зоммерфельда. Ученый завершил учебу в университете очень быстро – за три года, и уже в 1924 году защитил диссертацию по теме «О стабильности потоков жидкости». Затем физик-теоретик в течение трех лет был ассистентом Макса Борна в Геттингене. Также работал с Нильсом Бором в Копенгагене. В последующие годы самостоятельно основал квантовую механику, основываясь на научные труды своих коллег.
Старая квантовая теория в работах Гейзенберга
В атомной физике начало 1920-х годов было временем, которое в науке называется «старой квантовой теории», базирующейся на гипотезах Нильса Бора, что получили дальнейшее развитие в работах Зоммерфельда и других исследователей. Гейзенберг долго работал над принципами теории квантовой теории. В 1922 года ученые представил всему научному миру свою первую статью, которая посвящалась феноменологической модели закономерностей Зеемана. Этот труд, в котором предлагалась своеобразная модель ядерного остова, взаимосвязанного с валентными электронами, и где применялись полуцелые квантовые показатели, сразу же сделала молодого физика одним из лидеров в науке.
В последующих работах на основе принципа полного соответствия были представлены вопросы интенсивности и ширины спектральных линий:
- общие проблемы теории многоэлектронных атомов, действующих в пределах классической теории возмущений;
- гипотезы молекул и иерархия внутримолекулярных движений, которые различаются своей энергией;
- иная модификация квантовых взаимодействий, заключавшаяся в приписывании всем существующим состояниям атома полуцелых значений квантовых параметров углового момента, была запущена в систему из рассмотрения аномального эффекта Зеемана.
Совместная работа с Хендриком Крамерсом содержала трактовку теории общей дисперсии, которая обобщила недавние результаты учений Борна и самого Крамерса. В итоге исследователи получили квантово-теоретические аналоги дисперсионных уравнений для поляризованного атома в стационарном состоянии с учетом вероятности переходов на более низкие или же высокие показатели. Эта статья, которую мир увидел в начале 1925 года, стала самым важным предшественником первой правильной формулировки квантовой механики.
Создание и внедрение матричной механики
Гейзенберг не был полностью удовлетворён состоянием физических теорий, требовавших решения только конкретной задачи в пределах классической физики с последующим описанием на квантовом языке посредством принципа соответствия. Такой метод не всегда давал ожидаемый результат и зависел во многом от интуиции самого исследователя. Стремясь получить логически согласованный и строгий формализм, осенью 1925 года Гейзенберг отказался от прежней формулировки, заменив ее детализированным описанием через видимые величины.
Ученый смог представить общественности эти величины в виде уникальных наборов комплексных чисел и объяснить правило их перемножения, которое в результате стало не коммутативным.
Затем физик применил разработанный метод в задаче, которая касалась ангармонического осциллятора. При этом для данного случая следовало естественным образом существование так называемого «нулевого энергетического потенциала». Таким образом, принцип соответствия стал основным в математической схеме.
Гейзенберг получил окончательное решение этой задачи летом 1925 года на небольшом острове Гельголанд, где он проходил курс лечения от приступа сенной лихорадки. Вернувшись на родину, ученый описал итоги своих размышлений в статье «О квантово-теоретическом истолковании механических и кинематических взаимодействий» и отослал ее Вольфгангу Паули.
Следом, после официального одобрения коллеги, Гейзенберг передал научный труд Борну для опубликования в тематическом издании Zeitschrift für Physik. Вскоре ученые поняли, что наборы чисел, которые представляли собой определенные физические величины, являются матрицами перемножения — так было сформировано правило умножения матриц.
В общем, матричную механику ожидал крайне пассивный прием сообщества, которое было не знакомо с математическим формализмом матриц, а абстрактность теории отпугивала своей неоднозначностью. Первая строгая трактовка матричной механики была предоставлена Паскуалем Йорданом в работе «О принципах квантовой механике». После этого Гейзенберг подключился к этим экспериментам, результатом которых стала известная «работа трёх», завершенная осенью 1925 года. В ней был прописан общий способ решения задач в пределах матричной механики, в частности исследованы системы с произвольным количеством степеней свободы и введены канонические трансформации.
Последующие модификации матричной теории проходили по двум основным направлениям:
- обобщение концепций в форме основных операторов;
- представление гипотезы исключительно в алгебраической форме (в пределах гамильтонова формализма).
Все труды ученых вскоре стали в своем роде стимуляторами для появления матричной механики и дальнейшего становления атомной физики.
Принцип неопределенности Гейзенберга
Рисунок 2. Принцип неопределенности Гейзенберга. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
В первой четверти XX столетия квантовая теория совершала свои первые уверенные шаги, а ученые всего мира только осознавали, что же возможно получить из ее положений, и какие она предоставляет перспективы. Немецкий физик Вернер Гейзенберг сформулировал свои самые главные принципы в 1927 году. Его гипотезы и предположения заключаются в том, что просчитать одновременно скорость квантового объекта и пространственное положение просто невозможно.
Основной причиной этому можно назвать тот факт, что при таком измерении элементы начинают воздействовать на измеряемую систему, тем самым нарушая ее. Если в макромире оценивается в первую очередь объект, то в квантовой физике - отражение света от него.
Но закон неопределенности Гейзенберга свидетельствует о том, что хоть в макромире свет никак не воздействует на измеряемый предмет, а в случае с квантовыми частицами фотоны оказывают значимое влияние на физическое тело. При этом необходимо отметить, что отдельно скорость или положение любого вещества в пространстве квантовая теория измерить может. Но чем более точными будут показания скорости, тем меньше возможно будет узнать о пространственном положении. И наоборот. То есть этот принцип Гейзенберга формирует некие сложности в предвидение дальнейшего поведения квантовых частиц.
