Moment olśnienia na Helgoland 90 lat mechaniki kwantowej

Moment olśnienia na Helgoland 90 lat mechaniki kwantowej
Andrzej Horzela Zakład Fizyki Matematycznej i Astrofizyki Teoretycznej IFJ PAN Seminarium IFJ PAN 25 czerwca 2015

Seminarium IFJ PAN 25 czerwca 2015
August Heinrich Hoffman von Fallersleben Seminarium IFJ PAN 25 czerwca 2015

Belle Époque Golden Age Seminarium IFJ PAN 25 czerwca 2015

28 czerwca 1914, kilka minut przed godziną 11-tą, Sarajevo, Bośnia I-sza wojna światowa, zwana Wielką Wojną, trwa 4 lata 3 miesiące i 14 dni. W wyniku działań wojennych ginie ok. 16 milionów ludzi, nie licząc trudnej do oszacowania liczby ofiar na „głębokich tyłach” oraz ofiar pandemii hiszpanki. Ofiarą wojny pada też rozkwit fizyki Belle Époque, szczęśliwie „nowa fizyka” nie ma (jeszcze!!!) znaczenia militarnego i udaje jej się przetrwać stosunkowo nieźle. Nie odnosi się to wszakże do wszystkich nauk… Seminarium IFJ PAN 25 czerwca 2015

Synteza amoniaku z wodoru i azotu atmosferycznego N2 + 3 H2 → 2 NH3 (ΔH = −92.4 kJ/mol) „Gdy panuje pokój uczony należy do całego świata, lecz gdy jest wojna należy do swojej Ojczyzny” Około połowy białek obecnych w organiźmie ludzkim zawiera azot, który „przeszedł” przez reakcję Habera Fritz Haber II-ga bitwa pod Ypres, 22 kwietnia 1915, ok. 17-tej Na froncie Seminarium IFJ PAN 25 czerwca 2015

„Für Kaiser und Vaterland” Heisenberg senior, z synami Erwinem i Wernerem, 1915 Erwin Schrödinger, front włoski, 1915 Max Born, ok.1915 Seminarium IFJ PAN 25 czerwca 2015

Wojna zmieniła obraz Europy – upadły trzy cesarstwa, wiele narodów i państw odzyskało suwerenność. Po Kongresie Wersalskim sytuacja polityczna, społeczna i ekonomiczna, szczególnie państw pokonanych oraz „nowych” krajów Europy Środkowej i Wschodniej była bardzo trudna. Stabilizacja i powolna poprawa, z wieloma zawirowaniami, następuje od ok. roku Także fizyka zaczyna powracać na tory „przedwojennego” rozwoju - ekspedycja Eddingtona (1919) potwierdza przewidywania OTW (Solar ecclipse of 29th May 1919); model Bohra i wyrosła z niego stara teoria kwantów Bohra-Sommerfelda ma coraz więcej problemów w konfrontacji z nowymi danymi doświadczalnymi – nie potrafi satysfakcjonująco opisać atomów wieloelektronowych, molekuł, a nawet efektu Zeemana dla wodoru… Pojawiają się nowe pytania i nowi ludzie Sir Arthur S. Eddington A. Sommerfeld i N. Bohr Seminarium IFJ PAN 25 czerwca 2015

Czerwiec 1925 Seminarium IFJ PAN 25 czerwca 2015

Werner Karl Heisenberg wiek 24 lata wysportowany blondyn o niebieskich oczach i ujmującym trybie bycia Privatdozent w Instytucie Fizyki Uniwersytetu w Getyndze, uprzednio, od jesieni 1923 asystent Maxa Borna, dyrektora Instytutu O S B Y Urodzony w Würzburgu, potomek inteligenckiej bawarskiej rodziny, absolwent Maximiliansgymnasium w Monachium; w latach studia w Uniwersytecie Monachijskim pod kierunkiem Arnolda Sommerfelda, tamże doktorat (1923); habilitacja w Uniwersytecie w Getyndze (1924 ) pod kierunkiem Maxa Borna Jest prawie tak zdolny jak Pauli, ale znacznie milszy w obyciu. I doskonale gra na fortepianie. Seminarium IFJ PAN 25 czerwca 2015

Max Born wiek 43 lata nie najlepszego zdrowia, choruje na astmę Dyrektor Instytutu Fizyki Uniwersytetu w Getyndze, profesor fizyki teoretycznej, szef Katedry Fizyki Teoretycznej O S B Y Urodzony we Wrocławiu, studiuje matematykę we Wrocławiu, Heidelbergu, Zurichu oraz w Getyndze, w Getyndze doktorat z teorii sprężystości (1906) po kierunkiem Carla Runge (Felix Klein odmówił); habilitacja (z tematyki STW), planowana pod kierunkiem Minkowskiego, z racji przedwczesnej śmierci Minkowskiego dochodzi do skutku pod kierunkiem V. Voigta w 1909. W latach Privatdozent w Uniwersytecie w Getyndze, w 1914 otrzymuje profesurę fizyki teoretycznej w Berlinie; w latach służy w armii cesarskiej jako oficer „lokalizacji akustycznej” dla potrzeb artylerii; w 1919 oddaje berlińską profesurę Maxowi von Laue i przenosi się do Frankfurtu. W 1921, za protekcją Hilberta, otrzymuje profesurę w Getyndze, wspólnie ze swoim przyjacielem Jamesem Franckiem. Seminarium IFJ PAN 25 czerwca 2015

(Ernst) Pascual Jordan wiek 22 lata ogromnie pracowity, ma trudności z komunikowaniem się - bardzo się jąka; od jesieni 1924 asystent Maxa Borna O S B Y Hanowerczyk, potomek hiszpańskiego żołnierza nazwiskiem Pasqual Jorda, osiadłego w Hanowerze w czasach napoleońskich; syn malarza – od lat dziecięcych, za namową i z pomocą matki Evy Fischer, interesuje się matematyką, biologią, architekturą i malarstwem, a także filozofią, szczególnie Macha. Studiuje w Hanowerze i Getyndze: matematykę, zoologię, chemię i fizykę. W doktoracie, obronionym jesienią 1924 pod kierunkiem Maxa Borna, krytykuje hipotezę kwantów światła Alberta Einsteina. „Człowiek do wszystkiego” – jako student pomaga Bornowi w pisaniu artykułu o dynamice sieci do Encyklopedii Wiedzy Matematycznej, przygotowuje notatki z wykładów Richarda Couranta na podstawie których powstaje I-szy tom Metod Matematycznych Fizyki Couranta i Hilberta, pisze z Jamesem Franckiem książkę „Wzbudzanie zderzeniami skoków kwantowych” Uważany przez Borna i Heisenberga za matematyka. Seminarium IFJ PAN 25 czerwca 2015

O S B Y D R A M T U Arnold Johannes Wilhelm Sommerfeld wiek 57 lat Od 1906 roku profesor fizyki teoretycznej na Uniwersytecie w Monachium i dyrektor Instytutu Fizyki Teoretycznej Jeden z najważniejszych, obok Plancka, Einsteina i Borna, profesorów fizyki teoretycznej w Niemczech. Nauczyciel i promotor doktoratów Pauliego i Heisenberga (a wcześniej Debye’a); twórca i propagator starej teorii kwantów, odkrywca opisu rozszczepienia subtelnego w widmie atomu wodoru Dzięki Sommerfeldowi Heisenberg: -- poznaje w 1922 roku, w Getyndze, Bohra i Borna -- zostaje uratowany (przed Wilhelmem Wienem) na egzaminie doktorskim -- dostaje posadę u Borna Seminarium IFJ PAN 25 czerwca 2015

Wolfgang Ernst Pauli wiek 25 lat powszechnie uważany za geniusza, jednocześnie enfant terrible niemieckiej fizyki teoretycznej, od 1923 Privatdozent na Uniwersytecie w Hamburgu, najbliższy przyjaciel, często powiernik, Heisenberga OS OB Y D R A M T U Wiedeńczyk, chrześniak Ernsta Macha, „cudowne dziecko”. Studia na Uniwersytecie Monachijskim, pod opieką Sommerfelda, kończy w najkrótszym dozwolonym czasie 3 lat. Doktorat (1921) dotyczy jednokrotnie zjonizowanej molekuły wodoru. Jako starszy kolega opiekuje się, z polecenia Sommerfelda, swieżo przyjętym na studia Heisenbergiem. Artykuł Pauliego o teorii względności napisany w 1921 roku dla Encyklopedii Wiedzy Matematycznej (237 stron) przez wiele lat uważany był za standardowy podręcznik STW. Między a 1923 jest przez rok asystentem Borna i , także przez rok, asystentem Bora w Kopenhadze (gdzie odkrywa zasadę wykluczania). Getyngi stara się unikać – spokój starego uniwersyteckiego miasta nudzi go nad wyraz. Seminarium IFJ PAN 25 czerwca 2015

O S B Y D R A M T U Niels Henrik David Bohr wiek 39 lat „wielki guru” teorii kwantów, od 1916 roku profesor fizyki teoretycznej na Uniwersytecie w Kopenhadze, twórca i od dyrektor Instytutu Fizyki Teoretycznej (Instytutu Bohra) w Kopenhadze, laureat Nagrody Nobla za rok 1922 Dania, z racji swojej neutralności podczas I-szej Wojny Swiatowej, była krajem gdzie mieli szansę spotykać się (lub raczej krajem poprzez który mogli wymieniać poglądy) fizycy wojujących stron. Kopenhaga pozostała takim miejscem także po zakończeniu wojny, szczególnie po powstaniu Instytutu Bohra. Niels Bohr stał się niekwestionowanym liderem i autorytetem dla fizyków zajmujących się teorią kwantów – takim był też dla Heisenberga, od pierwszego ich spotkania w Getyndze w 1922 r. Heisenberg uważał Bohra bardziej za filozofa niż fizyka. Seminarium IFJ PAN 25 czerwca 2015

O SO BY DRAM AT U Hendrik Anthony „Hans” Kramers wiek 31 lat Holender asystent Nielsa Bohra w Instytucie Bohra Bliski współpracownik Bohra od wielu lat, de facto jego doktorant , choć formalnym promotorem rozprawy doktorskiej Kramersa był w Lejdzie Paul Ehrenfest. Podczas pobytów Heisenberga w Kopenhadze (krótkiego wiosną i półrocznego stypendium Fundacji Rockefellera od jesieni do wiosny 1925) obaj wspólnie pracują nad teorią dyspersji – Heisenberg zastosuje używane metody w swoich późniejszych pracach. Seminarium IFJ PAN 25 czerwca 2015

I jeszcze dwie postaci – o jednym Heisenberg (może???) wie, że istnieje; o istnieniu drugiego nie ma pojęcia Paul Adrien Maurice Dirac wiek 22 lata inżynier elektryk, ale też magister matematyki, doktorant u Ralpha Fowlera w Cambridge Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger wiek 37 lat profesor fizyki teoretycznej na Uniwersytecie w Zurichu Seminarium IFJ PAN 25 czerwca 2015

Helgoland Po powrocie z Kopenhagi do Getyngi Heisenberg dostaje silnego ataku kataru siennego – Max Born, sam będąc alergikiem, rozumie sytuację i daje swemu podwładnemu 2 tygodnie urlopu. Heisenberg wyjeżdża na Helgoland, miejsce znane z klimatu dobroczynnie wpływającego na dolegliwości ze strony dróg oddechowych… Seminarium IFJ PAN 25 czerwca 2015

Morskie powietrze , przyroda i spokój Helgoland uzdrawiają Heisenberga, po kilku dniach czuje się znacznie lepiej. Może wrócić do pracy – późnym wieczorem 15 lipca, robiąc rachunki, zdarza mu się coś, o czym później napisze „Na Helgoland miałem moment olśnienia …” Seminarium IFJ PAN 25 czerwca 2015

W.Heisenberg, O kwantowo-teoretycznej reinterpretacji relacji kinematycznych i mechanicznych, Zeit.Phys. 33 (1925) W niniejszej pracy podjęta jest próba znalezienia podstaw dla teoretycznej mechaniki kwantowej opartej całkowicie na relacjach pomiędzy wielkościami, które, przynajmniej w zasadzie, są obserwowalne. …formalne reguły jakimi posługuje się teoria kwantów mogą być poważnie krytykowane za to, iż zawierają, jako element o podstawowym znaczeniu, relacje pomiędzy nieobserwowalnymi wielkościami, takimi jak np. położenie elektronu w atomie lub okres jego obiegu… Seminarium IFJ PAN 25 czerwca 2015

Rozdział 1 – rachunek klasyczny Rozwinięcie fourierowskie Prawo składania dla częstości fourierowskich Prawo mnożenia dla amplitud Seminarium IFJ PAN 25 czerwca 2015

Rozdział 1 – rachunek kwantowo-teoretyczny Pierwszy pomysł Borna z pracy „Zür Quantenmechanik” Pomysł Heisenberga, inspirowany pracą z Kramersem Co to jest? Zbiór (Gesamtheit)opisujący obiekt kwantowy Reguła sum Rydberga-Ritza Prawo mnożenia „amplitud kwantowych” Seminarium IFJ PAN 25 czerwca 2015

Nowe prawo mnożenia nie jest przemienne!!! Seminarium IFJ PAN 25 czerwca 2015

Rozdział 2 Niezmiennik całkowy Rachunek à la stara teoria kwantów Po zróżniczkowaniu po n Drugi pomysł Borna z pracy „Zür Quantenmechanik” – relacje różniczkowe zastąpmy różnicowymi Reguła sum Reiche-Kuhna-Thomasa we wspólczesnym zapisie Seminarium IFJ PAN 25 czerwca 2015

Rozdział 3 – energia oscylatora i rotatora Rozdział ten stanowi ok. połowy pracy i zawiera sporo dość skomplikowanych rachunków. Heisenberg, startując od klasycznych równań ruchu dla oscylatora anharmonicznego i stosując „swoje” prawo mnożenia, wylicza (w drugim rzędzie rachunku zaburzeń) energię oscylatora anharmonicznego, a jako „produkt uboczny” energię oscylatora harmonicznego Niezależne wyliczenie częstości i energii pozwala na sprawdzenie, czy spełniają one regułę Bohra – test ten wychodzi pozytywnie, co Heisenberg uważa za poważny argument na rzecz swojego podejścia. Prawdopodobnie ten właśnie rachunek dla oscylatora, wykonany późnym wieczorem 15 czerwca, określił Heisenberg „momentem olśnienia” w którym za mgłą złożonych formuł dostrzegł zupełnie nową rzeczywistość. Seminarium IFJ PAN 25 czerwca 2015

Heisenberg opuszcza Helgoland 18 lub 19 czerwca. W drodze powrotnej do Getyngi odwiedza w Hamburgu Pauliego , któremu opowiada o swoim pomyśle. Pauli akceptuje koncepcje Heisenberga, co tego ostatniego ogromnie cieszy o czym wiemy z listu Heisenberga do Pauliego wysłanego z Getyngi 21 czerwca. Kolejny list, z 24 czerwca, zawiera wszystkie podstawowe tezy pracy „ O kwantowo-teoretycznej reinterpretacji…”, a także skrócone rachunki z rozdziałów 1 i 2 oraz wyliczenie energii dla oscylatora harmonicznego. Tekst pracy jest gotowy 9 lipca – Heisenberg wysyła go Pauliemu do Hamburga, zaś 11 lub 12 lipca, tuż przed wyjazdem do Lejdy i Cambridge, przekazuje tekst swemu szefowi, Maxowi Bornowi, z prośbą o ocenę i ewentualne przesłanie pracy do publikacji (Born jest redaktorem Zeitschrift fur Physik). Heisenberg prosi też Borna o zastanowienie się, czy i jak można dalej wykorzystać pomysły z Helgoland, gdyż jego (Heisenberga) inwencja uległa już wyczerpaniu. Przed wyjazdem Heisenberg opowiada też o swojej pracy na prywatnym seminarium u Herthy Spaner, jest tam obecny Pasqual Jordan. Max Born nie czyta pracy od razu, ale na pewno robi to przed 15 lipca - jest zafascynowany! 15 lipca pisze do Einsteina: …Heisenberg, mój nowy współpracownik, napisał ważną pracę. Mistyczną, lecz z pewnością poprawną i głęboką… Seminarium IFJ PAN 25 czerwca 2015

i tak nie można zaobserwować -
Heisenberg w liście do Pauliego (9 VII 1925 r.) „Jestem przekonany, że wyjaśnianie wzoru Rydberga [np. dla wodoru] przez odwoływanie się do orbit kołowych i eliptycznych (zgodnie z klasyczną geometrią), nie ma najmniejszego sensu fizycznego. Poświęcam cały mój rozpaczliwy wysiłek w celu całkowitego zniszczenia pojęcia orbity - której i tak nie można zaobserwować - i zastąpienia go przez bardziej odpowiednie pojęcie.” Seminarium IFJ PAN 25 czerwca 2015

Max Born od razu dostrzega w heisenbergowskim prawie mnożenia regułę mnożenia macierzy, zaś we wzorze równoznacznym z regułą Reiche-Kuhna-Thomasa związek (macierzowy) px-xp=-ih/2π dla elementów diagonalnych. 19 lipca Born udaje się pociągiem, z Getyngi do Hanoweru, na posiedzenie Niemieckiego Towarzystwa Fizycznego – w drodze spotyka Pauliego, kóremu proponuje włączenie się do pracy nad ideami Heisenberga z użyciem języka macierzy. Odpowiedz Pauliego brzmi: ”Wiem, że jest pan miłośnikiem trudnych i zagmatwanych formalizmów. Zamierza pan tylko popsuć fizycznie piękne idee Heisenberga swoją pustą matematyką”. Wobec takiego dictum Born następnego dnia zaprasza do współpracy Jordana. Sam wyjeżdża na urlop do Szwajcarii, zaś Jordan jedzie do rodziców do Hanoweru, gdzie ostro zabiera się do pracy… M.Born&P.Jordan, Zur Quantenmechanik, Zeit.Phys.34(1925) (27 września1925) 1.Mnożenie Heisenberga to mnożenie macierzy 2.Dowód px-xp=-ih/2π Id (wyrazy diagonalne i pozadiagonalne!), stwierdzenie, że tej relacji nie mogą spełniać macierze skończenie wymiarowe 3. Równania ewolucji, które dzisiaj nazywamy równaniami ewolucji w obrazie Heisenberga, zapisane jako równania Hamiltona z „różniczkowaniem po macierzach” 4. Próba skwantowania pola elektromagnetycznego z użyciem mnożenia Heisenberga Seminarium IFJ PAN 25 czerwca 2015

W połowie września Born i Jordan wracają do Getyngi, Heisenberg po powrocie z Anglii wyjeżdża do Kopenhagi, - o postępach Borna i Jordana wie z listów. Intensywnie włącza się do „programu macierzowego”, który cała trójka realizuje pod koniec września i w pażdzierniku. 28 pażdziernika Born wyjezdża do Stanów pozostawiajac ostateczną redakcję tekstu Heisenbergowi i Jordanowi. 16 listopada tekst Dreimannerarbeit jest ukończony: M.Born, W.Heisenberg & P.Jordan, Zur Quantenmechanik II, Zeit.Phys.35(1926) Uogólnienie formalizmu na większą liczbę stopni swobody, pełna postać kanonicznych reguł komutacji Obserwacja, że używane macierze (w tym ta odpowiadająca hamiltonianowi) są hermitowskie i wnioski z tego faktu – rzeczywiste wartości własne Wykorzystanie hermitowskości do konstrukcji rachunku zaburzeń Analiza przypadków z widmem ciągłym Analiza własności momentu pędu Mechanika macierzowa jest ukończona. Pod koniec roku Pauli pokazuje metodą Heisenberga formułę Balmera, ale najbliższa przyszłość należy do kogoś innego… Seminarium IFJ PAN 25 czerwca 2015

Sztokholm, grudzień 1933 Seminarium IFJ PAN 25 czerwca 2015

V. Kongres Solvaya: Elektrony i fotony Seminarium IFJ PAN 25 czerwca 2015

Dlaczego Pascual Jordan nie dostał Nagrody Nobla? Miał ogromny, w wielu miejscach kluczowy, udział w powstaniu prac „Zur Quantenmechanik I, II”; należy uważać go za prekursora kwantowej teorii pola, ale… -- w wstąpił do NSDAP ( i nawet do SA), pisał dla służb III-ciej Rzeszy raporty z konferencji międzynarodowych w których uczestniczył; w 1939 roku wstąpił o Luftwaffe, ale… -- nigdy nie atakował swoich kolegów i współpracowników pochodzenia żydowskiego, próbował bronić stworzonej przez nich fizyki w przeciwieństwie do Lenarda, Starka i innych ; stanowisko profesora otrzymał w (dość prowincjonalnym) Rostocku, a w Peenemunde zajmował się przygotowywaniem prognoz pogody; nie wszedł też do niemieckiego programu atomowego (kierowanego przez Heisenberga)… -- a może dlatego, że w połowie lat 30-tych odszedł od fizyki kwantowej i zajął się kosmologią, biologią teoretyczną, a nawet geologią… Seminarium IFJ PAN 25 czerwca 2015

Max Jammer: „The conceptual development of quantum mechanics” (Mc Graw-Hill Book Company, 1985) B.L. van der Waerden: „Sources of quantum mechanics” (North Holland, 1967) Jagdish Mehra & Helmut Rechenberg: „Historical development of quantum theory 1-6” (Springer, 2001) David C.Cassidy: „Beyond uncertainty; Heisenberg Quantum Physics and the bomb” (Bellevue, 2009) Sheilla Jones: „The quantum ten” (Thomas Allen, 2008) Seminarium IFJ PAN 25 czerwca 2015

Dziękuję za uwagę Seminarium IFJ PAN 25 czerwca 2015

Moment olśnienia na Helgoland 90 lat mechaniki kwantowej

Podobne prezentacje

Prezentacja na temat: "Moment olśnienia na Helgoland 90 lat mechaniki kwantowej"— Zapis prezentacji:

Podobne prezentacje

О projekcie

Zwrotny adres

Wejść

Zaloguj się poprzez sieć społeczną:

Moment olśnienia na Helgoland 90 lat mechaniki kwantowej

Podobne prezentacje

Prezentacja na temat: "Moment olśnienia na Helgoland 90 lat mechaniki kwantowej"— Zapis prezentacji:

Podobne prezentacje

О projekcie

Zwrotny adres