Werner Heisenberg: (1901-1976) Atomfysikk og kausallov Foredrag i Sveits 12. 2. 1952 Gjennomgang av originalartikkel oktober 2008 for ExPhil ved UiO Arnt Inge Vistnes http://folk.uio.no/arntvi/ Bakgrunn: Heisenberg var omtrent som en sønn av Niels Bohr i kvantefysikkens barndom. Utviklet selv Heisenbergs matriseteori og Heisenbergs uskarphetsrelasjon. Arbeidet med Hitlers atombombeprosjekt, uklart med hvilken hensikt. Dette førte til totalt brudd med Bohr. Teorier som eksisterer i 1952: Newtons mekanikk, Maxwells elektromagnetisme, statistisk fysikk, og kvantefysikk. Bakgrunn: Heisenberg var omtrent som en sønn av Niels Bohr i kvantefysikkens barndom. Utviklet selv Heisenbergs matriseteori og Heisenbergs uskarphetsrelasjon. Arbeidet med Hitlers atombombeprosjekt, uklart med hvilken hensikt. Dette førte til totalt brudd med Bohr. Teorier som eksisterer i 1952: Newtons mekanikk, Maxwells elektromagnetisme, statistisk fysikk, og kvantefysikk.
Artikkelen består av følgende deler: Innledning Begrepet kausalitet Statistiske lover Kvanteteoriens statistiske karakter Atomfysikkens nyere utvikling Relativitetsteorien og determinismens oppløsning Spesielt de siste par sidene er vanskelig tilgjengelige. Jeg skal gå gjennom delene etter tur. Innledning: Er det slik at moderne atomfysikk delvis har satt ut av kraft loven om årsak og virkning? Begrepet kausalitet: Aristoteles sin bruk av ordet causa. Causa efficiens. Kant (etter Newton): Når vi erfarer at noe finner sted, forutsetter vi alltid at det på en regelbundet måte følger av noe som har gått forut. Determinisme: Finnes faste naturlover som fastlegger et systems fremtidige tilstand entydig ut fra dets tilstand på det nåværende tidspunkt. Statistiske lover: Eksempel: Gjennomsnittlig får vi to øyne opp en sjettedel av alle gangene vi kaster en terning. Statistisk lovmessighet føles ofte som motsetningsfylt. Temmelig forskjellig fra Newtons mekanikk. Statistisk lovmessighet betyr som regel bare at man kjenner vedkommende fysiske system ufullstendig. Statistisk mekanikk (1850-1900): Omhandler bl.a. trykk og temperatur i gasser. Bygger tankemessig på Newton og determinisme for hvert enkelt støt mellom molekyler i en gass, men gassen som system er ufullstendig bestemt mhp mekaniske egenskaper.
Se gjerne på en animasjon (applet) fra websiden: http://homepage.univie.ac.at/franz.vesely/sp_english/sp/node9.html Lovene og begrepene i statistisk fysikk er statistiske! F.eks.: Gibbs (og Boltzmann): Temperatur har med hvor raskt en hel gruppe molekyler beveger seg. Artikkelen består av følgende deler: Innledning Begrepet kausalitet Statistiske lover Kvanteteoriens statistiske karakter Atomfysikkens nyere utvikling Relativitetsteorien og determinismens oppløsning Kvanteteoriens statistiske karakter (1): Tar utgangspunkt i Plancks idé (fra 1900) at stråling fra varme legemer avgis støtvis i tid. Vet ikke når fotonene kommer! [Demo: Geiger-teller] Heisenberg hevder at kvanteteorien sogar tvinger oss til å formulere disse lovene som statistiske lover og dermed definitivt oppgi determinismen. Statistisk. Prinsipielt eller ikke?
Min egen refleksjon (digresjon): Heisenberg kan oppfattes å være i strid med Bohr s oppfatning om at bølgefunksjonen er ALT vi kan vite om et system. Heisenberg bruker ord som ufullstendig kunnskap. Heisenbergs ordbruk kan også tyde på en realisme oppfatning av naturen (en ting har en egenskap selv før vi gjør målinger på den). Kvanteteoriens statistiske karakter (2): Heisenberg brøt med Newtons mekanikk i sine egne uskarphetsrelasjoner (også kalt usikkerhetsrelasjoner): Umulig å ha presis kunnskap til posisjon og hastighet samtidig i et atomært system. (Ikke snakk om samtidig i relativitetsteorisammenheng, jeg vil si noe om dette.) Bilde: Lydsnutter brukt i en demo. Heisenberg og hans samtidige mente at dette skyltes måleprosessen. I dag mener vel de fleste at dette er en innebygget egenskap i naturen, uavhengig av om vi gjør målinger eller ikke. Heisenberg sier at usikkerhetsrelasjonen er tilstrekkelig for å unngå logiske motsigelser mellom partikkel- og bølge-forståelsen av naturen. Og han går videre: Det paradoks at den atomære materies partikkelnatur så vel som dens bølgenatur begge kan bekreftes av eksperimenter, tvinger oss til å ta i bruk statistiske lovmessigheter. Kvantemekanisk amplitude x t
Digresjon fra Heisenbergs side: For eksperimenter i stor skala spiller atomfysikkens statistiske element vanligvis ingen rolle. Lett å bestemme temperatur nokså entydig i en gass med mange molekyler, selv om det er håpløst å snakke om en temperatur på et system med bare noen få gassmolekyler. Motsatt for atombomben... og mhp genetiske skader, hvor prosesser på få-atom-nivå kan påvirke et større system i stor grad. Atomfysikkens nyere utvikling (pr 1952): (Dette avsnittet er også langt på vei en digresjon i forhold til hovedproblemstillingen for foredraget.) En periode trodde man at man måtte ha 92 sorter atomer (som var udelelige). Men de siste vel 50 år (før 1952) førte til oppdagelsen av elektroner, protoner og neutroner. Reduksjon fra 92 til tre grunnleggende byggestoffer. Kan nå endre grunnstoffene fra ett grunnstoff til et annet. Før 1952 var også noen andre elementærpartikler blitt kjent (mesoner, kort levetid). Var allerede da vist at dersom to elementærpartikler med stor hastighet kolliderer, kan nye og forskjellige elementærpartikler dannes. Heisenberg mener derfor at det må finnes et grunnleggende stoff/partikkel som er basis for ALLE elementærpartiklene. Han foregriper derfor på en måte tanken om strenger, slik de opptrer i strengeteorien som såvidt begynte å se dagens lys i 1984. Merk at dette underpunktet om atomfysikkens nyere utvikling i seg selv har lite med argumentasjonen om kausalitet/determinisme å gjøre. Kommer tilbake til dette i neste underpunkt. Relativitetsteorien og determinismens oppløsning: Fortsetter betraktningene om elementærpartiklene og at man pr 1952 ikke har teorier som beskriver hvordan man kan ha overgang fra én type elementærpartikkel til en annen. (I dag finnes en standardmodell for elementærpartikler der dette er mulig.) I arbeidet med ny teori har det dukket opp problemer med tidsbegrepet, sier Heisenberg. Må ta hensyn til relativitetsteorien siden partikler som kolliderer med stor energi, beveger seg nokså nær lyshastigheten.
I relativitetsteorien har man måtte gi avkall på begrepet nå. Det er en endelig rom-tid-avstand mellom det fortidige og fremtidige. Og videre: I relativitetsteorien inngår det bare presise posisjoner og tid, mens uskarphetsrelasjonen sier at man ikke kan kjenne en posisjon presist uten at hastigheten blir helt ukjent. Derfor går disse teoriene dårlig sammen. Problemet består fortsatt den dag i dag. For å avhjelpe problemet forestiller man seg at i meget små rom-tid-områder kan rom og tid på en eiendommelig måte bli utvisket, slik at det innenfor dette romtid-området ikke er mulig å snakke om tidligere eller senere. Og kan man ikke vite hva som er før og etter, er det umulig å snakke om kausalitet på vanlig måte. Heisenberg antyder at dette problemet kan komme til å bestå videre, men han vet ikke. (Og hans analyse av problemet består fortsatt.) Så langt Heisenberg... Min egen samlede vurdering: Det synes å være slik at naturen har en grunnleggende statistisk natur på atomært nivå. Denne siden ved naturen kommer til uttrykk i kvantefysikken. Schrödinger-likningen er riktignok i seg selv deterministisk, men vi tolker resultatet statistisk og derved representerer kvantemekanikken et brudd på et strengt deterministisk syn på tilværelsen. (fortsetter...) (fortsettelsen:) Selv om vi finner fram til andre måter å håndtere problemet med kollaps av bølgefunksjonen, og selv om vi finner fram til andre tolkninger av bølgefunksjonen (eller får helt nye teorier) har jeg selv lite tro på at vi kan redde determinismen slik den ble oppfattet like etter Newton. Min egen vurdering bygger kanskje mer på erfaringer med kaotiske system enn på ren kvantemekanikk. Kaotiske system var ikke kjent på tilsvarende måte på Heisenbergs tid som den er i dag.
Mange populærvitenskapelige bøker tilgjengelig Sjekk Akademika, biblioteket (BIBSYS) og www.amazone.com.... noen få eksempler Spørsmål kan sendes meg på e-mail: a.i.vistnes@fys.uio.no. Denne filen finnes på min webside: http://folk.uio.no/arntvi/ under Undervisning og ExPhil.