WERNER HEISENBERG – Η ανάπτυξη της κβαντομηχανικής

Διάλεξη Νόμπελ, 11 Δεκεμβρίου, 1933

Μετάφραση: Βαρβάρα Πετανίδου

Επιμέλεια Μετάφρασης: Κέλη Σπυροπούλου

Επιστημονική Επιμέλεια Μετάφρασης – Σχολιασμός: Βασίλης Λεμπέσης

«…για τη δημιουργία της κβαντικής μηχανικής, η εφαρμογή της οποίας, μεταξύ άλλων, οδήγησε στην ανακάλυψη των αλλοτροπικών μορφών του υδρογόνου». (Από την προσφώνηση στην τελετή απονομής του βραβείου Nobel, 11 Δεκεμβρίου 1933)

Η κβαντομηχανική, για την οποία θα μιλήσω εδώ, προέκυψε, τυπικά ως προς το περιεχόμενο της, από την προσπάθεια να επεκταθεί η αρχή της αντιστοιχίας ^[1] του Bohr σε ένα πλήρες μαθηματικό σχήμα, βελτιώνοντας τους ισχυρισμούς του. Οι νέες φυσικές αντιλήψεις που κάνουν την κβαντομηχανική να ξεχωρίζει από την κλασική φυσική, προετοιμάστηκαν από τις μελέτες ερευνητών που ασχολήθηκαν με την ανάλυση των προβλημάτων που προέκυψαν στη θεωρία της ατομικής δομής του Bohr και στη θεωρία της ακτινοβολίας του φωτός.

Το 1900, μέσω της μελέτης του νόμου της ακτινοβολίας μέλανος σώματος που είχε ανακαλύψει, ο Planck είχε εντοπίσει σε οπτικά φαινόμενα ένα ασυνεχές φαινόμενο εντελώς άγνωστο στην κλασική φυσική, το οποίο, λίγα χρόνια αργότερα, διατυπώθηκε με μεγαλύτερη ακρίβεια στην υπόθεση του Einstein για τα κβάντα του φωτός. Η αδυναμία εναρμόνισης της θεωρίας του Maxwell με απεικονίσιμες έννοιες ^[2] στην υπόθεση των κβάντων φωτός ανάγκασε στη συνέχεια τους ερευνητές να καταλήξουν στο συμπέρασμα ότι τα φαινόμενα της ακτινοβολίας μπορούν να κατανοηθούν μόνο αν εγκαταλείψουμε σε μεγάλο βαθμό την άμεση απεικόνισή τους. Το γεγονός, που είχε ήδη ανακαλυφθεί από τον Planck και χρησιμοποιήθηκε από τον Einstein, τον Debye και άλλους, ότι το στοιχείο της ασυνέχειας που ανιχνεύεται στα φαινόμενα ακτινοβολίας διαδραματίζει επίσης σημαντικό ρόλο στις υλικές διεργασίες, εκφράστηκε συστηματικά στα βασικά αξιώματα της κβαντικής θεωρίας, τα οποία, μαζί με τη θεωρία των κβαντικών καταστάσεων της ατομικής δομής των Bohr-Sommerfeld, οδήγησαν σε μια ποιοτική ερμηνεία των χημικών και οπτικών ιδιοτήτων των ατόμων. Η αποδοχή αυτών των βασικών αξιωμάτων της κβαντικής θεωρίας που έρχεται σε πλήρη αντίθεση με την εφαρμογή της κλασικής μηχανικής στα ατομικά συστήματα, τουλάχιστον ως προς τα ποιοτικά της συμπεράσματα, φάνηκε αναγκαία για την κατανόηση των ιδιοτήτων των ατόμων. Η συνθήκη αυτή ήταν ένα νέο επιχείρημα υπέρ της παραδοχής ότι τα φυσικά φαινόμενα στα οποία η σταθερά του Planck παίζει σημαντικό ρόλο μπορούν να κατανοηθούν σε μεγάλο βαθμό μόνο εγκαταλείποντας την απεικονίσιμη περιγραφή τους. Η κλασική φυσική φαινόταν η οριακή περίπτωση απεικόνισης μιας θεμελιωδώς μη απεικονίσιμης μικροφυσικής, η ισχύς της οποίας είναι τόσο περισσότερο ακριβής, όσο περισσότερο η σταθερά του Planck είναι ασθενής σε σχέση με τις παραμέτρους του συστήματος. Αυτή η θεώρηση της κλασικής μηχανικής ως οριακή περίπτωση της κβαντομηχανικής οδήγησε επίσης στην αρχή της αντιστοιχίας του Bohr, η οποία, τουλάχιστον ποιοτικά, μετέφερε ορισμένα συμπεράσματα διατυπωμένα από την κλασική μηχανική στην κβαντομηχανική. Αναφορικά με την αρχή της αντιστοιχίας, υπήρξε επίσης συζήτηση σχετικά με το εάν οι νόμοι της κβαντομηχανικής θα μπορούσαν θεωρητικά να έχουν στατιστικό χαρακτήρα. Η δυνατότητα αυτή έγινε ιδιαίτερα εμφανής στην εξαγωγή του νόμου της ακτινοβολίας του Planck από τον Einstein. Τέλος, η ανάλυση της σχέσης μεταξύ της θεωρίας της ακτινοβολίας και της ατομικής θεωρίας από τους Bohr, Kramers και Slater κατέληξε στην εξής επιστημονική κατάσταση:

Σύμφωνα με τα βασικά αξιώματα της κβαντικής θεωρίας, ένα ατομικό σύστημα είναι ικανό να καταλαμβάνει διακριτές, στάσιμες καταστάσεις και επομένως να έχει διακριτές τιμές ενέργειας. Όσον αφορά στην ενέργεια του ατόμου, η εκπομπή και η απορρόφηση του φωτός από ένα τέτοιο σύστημα γίνεται απότομα, με τη μορφή παλμών. Από την άλλη πλευρά, οι απεικονίσιμες ιδιότητες της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας, περιγράφονται από ένα κυματικό πεδίο, η συχνότητα ν του οποίου συνδέεται με τη διαφορά ενέργειας μεταξύ της αρχικής και της τελικής κατάστασης του ατόμου από τη σχέση

Σε κάθε στάσιμη κατάσταση του ατόμου, αντιστοιχεί ένα ολόκληρο σύμπλεγμα παραμέτρων που προσδιορίζουν την πιθανότητα μετάβασης από την κατάσταση αυτή σε μια άλλη. Δεν υπάρχει άμεση σχέση μεταξύ της κλασικής ακτινοβολίας που εκπέμπεται από ένα ηλεκτρόνιο που βρίσκεται σε τροχιά και εκείνων των παραμέτρων που καθορίζουν την πιθανότητα εκπομπής- ωστόσο, η αρχή της αντιστοιχίας του Bohr επιτρέπει να αποδοθεί σε κάθε μετάβαση του ατόμου ένας συγκεκριμένος όρος του αναπτύγματος Fourier της κλασικής τροχιάς, και η πιθανότητα για τη συγκεκριμένη μετάβαση ακολουθεί ποιοτικά παρόμοιους νόμους με την ένταση αυτών των συνιστωσών Fourier. Μολονότι, λοιπόν, στις έρευνες που διεξήγαγαν οι Rutherford, Bohr, Sommerfeld και άλλοι, η σύγκριση του ατόμου με ένα πλανητικό σύστημα ηλεκτρονίων οδηγεί σε μια ποιοτική ερμηνεία των οπτικών και χημικών ιδιοτήτων των ατόμων, εντούτοις η θεμελιώδης ανομοιότητα μεταξύ του ατομικού φάσματος και του κλασικού φάσματος ενός συστήματος ηλεκτρονίων επιβάλλει την ανάγκη να εγκαταλείψουμε την έννοια της ηλεκτρονιακής τροχιάς και μια απεικονίσιμη περιγραφή του ατόμου.

Τα πειράματα που είναι απαραίτητα για τον καθορισμό της έννοιας της ηλεκτρονιακής τροχιάς παρέχουν επίσης σημαντική βοήθεια για την αναθεώρησή της. Η πιο προφανής απάντηση στο ερώτημα πώς θα μπορούσε να παρατηρηθεί η τροχιά ενός ηλεκτρονίου στην πορεία του μέσα στο άτομο, θα είναι ίσως η χρήση ενός μικροσκοπίου μεγάλης διακριτικής ικανότητας. Επειδή όμως το δείγμα σε αυτό το μικροσκόπιο θα έπρεπε να φωτίζεται με φως εξαιρετικά μικρού μήκους κύματος, το πρώτο κβάντο φωτός από την πηγή φωτός που θα έφτανε στο ηλεκτρόνιο και θα κατέληγε στο μάτι του παρατηρητή θα εξέτρεπε το ηλεκτρόνιο εντελώς από την τροχιά του σε συμφωνία με τους νόμους του φαινομένου Compton. Κατά συνέπεια, μόνο ένα σημείο της τροχιάς θα μπορούσε να παρατηρηθεί πειραματικά κάθε φορά.

Συνεπώς, σε αυτήν την περίπτωση, η προφανής τακτική θα ήταν να εγκαταλείψουμε την έννοια της ηλεκτρονιακής τροχιάς εντελώς, παρά την τεκμηρίωσή της από τα πειράματα του Wilson ^[3], και να επιχειρήσουμε στη συνέχεια να δούμε σε ποιο βαθμό η έννοια της ηλεκτρονιακής τροχιάς μπορεί να μεταφερθεί στην κβαντομηχανική.

Στην κλασική θεωρία ο προσδιορισμός της συχνότητας, του πλάτους και της φάσης όλων των κυμάτων φωτός που εκπέμπονται από το άτομο θα ήταν πλήρως ισοδύναμος με τον προσδιορισμό της ηλεκτρονιακής τροχιάς του. Εφόσον από το πλάτος και τη φάση ενός εκπεμπόμενου κύματος μπορούν να προκύψουν, χωρίς ασάφειες, οι συντελεστές του κατάλληλου όρου στο ανάπτυγμα Fourier της ηλεκτρονιακής τροχιάς, η πλήρης ηλεκτρονιακή διαδρομή μπορεί επομένως να προκύψει από τη γνώση όλων των πλατών και φάσεων. Παρομοίως στην κβαντομηχανική, ολόκληρο το σύμπλεγμα των πλατών και των φάσεων της ακτινοβολίας που εκπέμπεται από το άτομο μπορεί να θεωρηθεί ως μια πλήρης περιγραφή του ατομικού συστήματος, παρόλο που η ερμηνεία του υπό την έννοια της ηλεκτρονιακής τροχιάς που προκαλεί την ακτινοβολία είναι αδύνατη. Στην κβαντομηχανική, επομένως, τη θέση των συντεταγμένων του ηλεκτρονίου καταλαμβάνει ένα σύμπλεγμα παραμέτρων που αντιστοιχεί στους συντελεστές Fourier της κλασικής κίνησης κατά μήκος μιας τροχιάς. Αυτές, ωστόσο, δεν ταξινομούνται πλέον με βάση την ενέργεια της κατάστασης και τον αριθμό της αντίστοιχης αρμονικής κύμανσης, αλλά συνδέονται σε κάθε περίπτωση με δύο στάσιμες καταστάσεις του ατόμου και αποτελούν ένα μέτρο για την πιθανότητα μετάβασης του ατόμου από τη μία στάσιμη κατάσταση στην άλλη. Ένα σύμπλεγμα συντελεστών αυτού του τύπου είναι ισοδύναμο με μία μήτρα (πίνακα) όπως αυτή που εμφανίζεται στη γραμμική άλγεβρα. Με τον ίδιο ακριβώς τρόπο σε κάθε παράμετρο της κλασικής μηχανικής, όπως για παράδειγμα την ορμή και την ενέργεια των ηλεκτρονίων, μπορεί στη συνέχεια να αντιστοιχιστεί μια μήτρα στην κβαντομηχανική. Για να προχωρήσουμε εδώ παραπέρα από μια απλή εμπειρική περιγραφή των πραγμάτων, θα ήταν απαραίτητο να συσχετίσουμε συστηματικά τις μήτρες που αντιστοιχούν στις διάφορες παραμέτρους με τον ίδιο τρόπο που οι αντίστοιχες παράμετροι της κλασικής μηχανικής συσχετίζονται με εξισώσεις κινήσεων. Όταν, για να επιτευχθεί η πλησιέστερη δυνατή αντιστοιχία μεταξύ κλασικής και κβαντικής μηχανικής, η πρόσθεση και ο πολλαπλασιασμός των σειρών Fourier ελήφθησαν δοκιμαστικά, ως παράδειγμα για την πρόσθεση και τον πολλαπλασιασμό των ποσοτήτων της κβαντικής θεωρίας, το γινόμενο δύο παραμέτρων που αναπαρίστανται από πίνακες φάνηκε να αναπαρίσταται πιο φυσικά από τον πίνακα του γινομένου με την έννοια της γραμμικής άλγεβρας – μια υπόθεση που είχε ήδη προταθεί από τον φορμαλισμό της θεωρίας διασποράς των Kramers-Ladenburg.

Έτσι, φάνηκε συνεπές απλώς να υιοθετήσει η κβαντομηχανική τις εξισώσεις κίνησης της κλασικής φυσικής, θεωρώντας τες ως μια σχέση μεταξύ των πινάκων που αντιπροσωπεύουν τις κλασικές μεταβλητές. Οι κβαντικές συνθήκες Bohr-Sommerfeld θα μπορούσαν επίσης να επανερμηνευθούν ως σχέση μεταξύ των πινάκων, όπου μαζί με τις εξισώσεις κίνησης θα ήταν επαρκείς για να καθορίσουν όλους τους πίνακες και συνεπώς τις πειραματικά παρατηρήσιμες ιδιότητες του ατόμου.

Οι Born, Jordan και Dirac πιστώνονται την επιτυχία για την επέκταση του μαθηματικού σχήματος που περιγράφεται παραπάνω σε μια συνεπή και πρακτικά χρήσιμη θεωρία. Αυτοί οι ερευνητές παρατήρησαν εξαρχής ότι οι κβαντικές συνθήκες μπορούν να γραφούν ως σχέσεις μετάθεσης μεταξύ των πινάκων που αντιπροσωπεύουν τις ορμές και τις συντεταγμένες των ηλεκτρονίων, ώστε να προκύψουν οι εξισώσεις (p_r, πίνακες ορμής -q_r, πίνακες συντεταγμένων) :

Μέσω αυτών των σχέσεων μετάθεσης κατάφεραν να εντοπίσουν και στην κβαντομηχανική τους νόμους που ήταν θεμελιώδεις για την κλασική μηχανική: τη διατήρηση της ενέργειας, της ορμής και της στροφορμής ως προς το χρόνο. Το μαθηματικό σχήμα που προέκυψε παρουσιάζει τελικά μια εκτεταμένη τυπική ομοιότητα με εκείνο της κλασικής θεωρίας από την οποία διαφέρει εξωτερικά ως προς τις σχέσεις μετάθεσης που επέτρεψαν, επιπλέον, την εξαγωγή των εξισώσεων κίνησης από τη Χαμιλτονιανή συνάρτηση.

Ωστόσο, στις φυσικές συνέπειες υπάρχουν πολύ σημαντικές διαφορές μεταξύ της κβαντομηχανικής και της κλασικής μηχανικής, οι οποίες επιβάλλουν την ανάγκη μιας διεξοδικής συζήτησης της φυσικής ερμηνείας της κβαντομηχανικής. Όπως έχει αποσαφηνιστεί μέχρι τώρα, η κβαντομηχανική επιτρέπει τη μελέτη της εκπομπής ακτινοβολίας από το άτομο, των ενεργειακών τιμών των στάσιμων καταστάσεων και άλλων παραμέτρων που είναι χαρακτηριστικές για τις στάσιμες καταστάσεις. Ως εκ τούτου, η θεωρία συμφωνεί με τα πειραματικά δεδομένα που περιέχονται στα ατομικά φάσματα.

Παρόλα αυτά, σε όλες εκείνες τις περιπτώσεις όπου απαιτείται απεικονίσιμη περιγραφή ενός προσωρινού γεγονότος, π.χ. κατά την ερμηνεία φωτογραφιών από έναν θάλαμο Wilson, ο φορμαλισμός της θεωρίας δε φαίνεται να επιτρέπει την επαρκή αναπαράσταση της πειραματικής κατάστασης. Σε αυτό το σημείο η κυματομηχανική του Schrödinger, η οποία εν τω μεταξύ αναπτύχθηκε με βάση τις θέσεις του de Broglie, ήρθε για να ενισχύσει την κβαντομηχανική.

Κατά τη διάρκεια των μελετών, στις οποίες θα αναφερθεί εδώ ο ίδιος ο κ. Schrödinger ^[4], μετέτρεψε τον προσδιορισμό των ενεργειακών τιμών ενός ατόμου σε ένα πρόβλημα ιδιοτιμών, που ορίζεται από ένα πρόβλημα οριακών τιμών στο χώρο συντεταγμένων του συγκεκριμένου ατομικού συστήματος. Αφού ο Schrödinger έδειξε τη μαθηματική ισοδυναμία της κυματομηχανικής, την οποία είχε ανακαλύψει, με την κβαντομηχανική, ο αποδοτικός συνδυασμός αυτών των δύο διαφορετικών θεωριών της φυσικής είχε ως αποτέλεσμα την αναπάντεχη διεύρυνση και τον εμπλουτισμό του φορμαλισμού της κβαντικής θεωρίας. Πρώτον, μόνο η κυματομηχανική κατέστησε δυνατή τη μαθηματική επεξεργασία πολύπλοκων ατομικών συστημάτων και, δεύτερον, η ανάλυση της σύνδεσης μεταξύ των δύο θεωριών οδήγησε σε αυτό που είναι γνωστό ως θεωρία μετασχηματισμού ^[5] που αναπτύχθηκε από τους Dirac και Jordan. Καθώς είναι αδύνατο στα πλαίσια της παρούσας διάλεξης να γίνει λεπτομερής συζήτηση της μαθηματικής δομής αυτής της θεωρίας, θα ήθελα απλώς να επισημάνω τη θεμελιώδη φυσική της σημασία. Υιοθετώντας τις αρχές της κβαντομηχανικής στον διευρυμένο φορμαλισμό της, η θεωρία μετασχηματισμού κατέστησε δυνατό για τα ατομικά συστήματα, με εντελώς γενικούς όρους, τον υπολογισμό της πιθανότητας εμφάνισης ενός συγκεκριμένου, πειραματικά επαληθεύσιμου φαινομένου κάτω από δεδομένες πειραματικές συνθήκες. Η υπόθεση, που η σύλληψή της έγινε κατά τη διάρκεια των μελετών για τη θεωρία της ακτινοβολίας και διατυπώθηκε με ακριβείς όρους στη θεωρία κρούσεων του Born, ότι δηλαδή η κυματοσυνάρτηση καθορίζει την πιθανότητα για την παρουσία ενός σωματιδίου, φάνηκε να αποτελεί ειδική περίπτωση ενός γενικότερου υποδείγματος νόμων και φυσική συνέπεια των θεμελιωδών παραδοχών της κβαντομηχανικής. Ο Schrödinger, όπως και σε μεταγενέστερες μελέτες οι Jordan, Klein και Wigner, είχαν κατορθώσει να αναπτύξουν, όσο το επέτρεπαν οι αρχές της κβαντικής θεωρίας, την αρχική ιδέα του de Broglie για τα απεικονίσιμα υλικά κύματα που αναπτύσσονται στον χώρο και τον χρόνο, μια ιδέα που είχε διατυπωθεί ακόμη και πριν από την ανάπτυξη της κβαντομηχανικής. Έαν αυτό δεν ίσχυε, η σύνδεση ανάμεσα στις έννοιες του Schrödinger και στην αρχική θέση του de Broglie θα φαινόταν οπωσδήποτε πιο χαλαρή, βάσει της στατιστικής ερμηνείας της κυματομηχανικής και της μεγαλύτερης έμφασης που θα δινόταν στο γεγονός ότι η θεωρία του Schrödinger αφορά κύματα σε έναν πολυδιάστατο χώρο. Πριν προχωρήσουµε στη συζήτηση της ρητής σημασίας της κβαντομηχανικής, είναι ίσως ορθό να ασχοληθώ εν συντομία με αυτό το ζήτημα ως προς την ύπαρξη υλικών κυμάτων στον τρισδιάστατο χώρο, δεδομένου ότι η λύση του προβλήματος αυτού κατέστη δυνατή μόνο με το συνδυασμό της κυματομηχανικής και της κβαντομηχανικής.

Πολύ καιρό πριν αναπτυχθεί η κβαντομηχανική, ο Pauli είχε συμπεράνει από τους νόμους του Περιοδικού Συστήματος των στοιχείων τη γνωστή αρχή ότι μια συγκεκριμένη κβαντική κατάσταση μπορεί ανά πάσα στιγμή να καταληφθεί από ένα μόνο ηλεκτρόνιο. Αποδείχθηκε ότι ήταν δυνατή η μεταφορά αυτής της αρχής στην κβαντομηχανική με βάση ένα αποτέλεσμα που εκ πρώτης όψεως φαινόταν εκπληκτικό: ολόκληρο το σύμπλεγμα των στάσιμων καταστάσεων στις οποίες είναι δυνατόν να βρεθεί ένα ατομικό σύστημα απαρτίζεται από συγκεκριμένες κατηγορίες, έτσι ώστε ένα άτομο που βρίσκεται σε κατάσταση που ανήκει σε μια κατηγορία δεν μπορεί ποτέ να μεταβεί σε μια κατάσταση που ανήκει σε άλλη κατηγορία υπό την επίδραση οποιασδήποτε διαταραχής. Όπως τελικά διευκρινίστηκε πέραν πάσης αμφιβολίας από τις μελέτες των Wigner και Hund, μια τέτοια κατηγορία καταστάσεων χαρακτηρίζεται από μια συγκεκριμένη συμμετρία χαρακτηριστική της ιδιοσυνάρτησης Schrödinger ως προς την αμοιβαία μετάθεση των συντεταγμένων δύο ηλεκτρονίων. Λόγω της θεμελιώδους ταυτότητας των ηλεκτρονίων, οποιαδήποτε εξωτερική διαταραχή του ατόμου παραμένει αμετάβλητη όταν εναλλάσσονται οι θέσεις των ηλεκτρονίων, και συνεπώς δεν προκαλεί μεταβάσεις μεταξύ καταστάσεων διαφόρων κατηγοριών. Η αρχή του Pauli και η στατιστική Fermi-Dirac που απορρέει από αυτήν είναι ισοδύναμες με την υπόθεση ότι στη φύση εμφανίζεται μόνο εκείνη η κατηγορία στάσιμων καταστάσεων στην οποία η ιδιοσυνάρτηση αλλάζει το πρόσημό της όταν εναλλάσσονται δύο ηλεκτρόνια. Σύμφωνα με τον Dirac, η επιλογή του συμμετρικού συστήματος όρων [6] θα οδηγούσε όχι στην αρχή Pauli, αλλά στη στατιστική ηλεκτρονίων Bose-Einstein.

Μεταξύ των κατηγοριών των στάσιμων καταστάσεων που υπακούουν στην αρχή Pauli ή στη στατιστική Bose-Einstein και της έννοιας των υλικών κυμάτων του De Broglie υπάρχει μια ιδιότυπη σχέση. Ένα κυματικό φαινόμενο στο χώρο μπορεί να αντιμετωπιστεί βάσει των αρχών της κβαντικής θεωρίας, αν αναλυθεί με χρήση του θεωρήματος Fourier και έπειτα εφαρμόζοντας στη μεμονωμένη συνιστώσα Fourier της κυματικής κίνησης, ως ένα σύστημα με έναν βαθμό ελευθερίας, τους συνήθεις νόμους της κβαντομηχανικής. Εφαρμόζοντας αυτήν τη διαδικασία αντιμετώπισης των κυματικών φαινομένων μέσω της κβαντικής θεωρίας, μια διαδικασία που αποδείχθηκε επίσης αποδοτική στις μελέτες του Dirac για τη θεωρία της ακτινοβολίας, στα υλικά κύματα του De Broglie, προκύπτουν ακριβώς τα ίδια αποτελέσματα όπως και στην αντιμετώπιση ενός ολόκληρου συμπλέγματος σωματιδίων ύλης σύμφωνα με την κβαντομηχανική και την επιλογή του συμμετρικού συστήματος όρων. Οι Jordan και Klein υποστηρίζουν ότι οι δύο μέθοδοι είναι μαθηματικά ισοδύναμες ακόμη κι αν ληφθεί υπόψιν η αλληλεπίδραση των ηλεκτρονίων, δηλαδή αν η ενέργεια του πεδίου που προέρχεται από το συνεχές χωρικό φορτίο συμπεριληφθεί στον υπολογισμό της κυματικής θεωρίας του de Broglie. Οι μελέτες του Schrödinger για τον τανυστή ενέργειας-ορμής που αποδίδεται στα υλικά κύματα μπορούν επίσης να ενσωματωθούν σε αυτήν τη θεωρία ως συνεπή στοιχεία του φορμαλισμού. Οι μελέτες των Jordan και Wigner δείχνουν ότι η τροποποίηση των σχέσεων μετάθεσης, στις οποίες βασίζεται αυτή η κβαντική θεωρία των κυμάτων, οδηγεί σε έναν φορμαλισμό ισοδύναμο με αυτόν της κβαντομηχανικής, που βασίζεται στην παραδοχή της απαγορευτικής αρχής του Pauli.

Οι μελέτες αυτές έχουν αποδείξει ότι η σύγκριση του ατόμου με το πλανητικό σύστημα που αποτελείται από πυρήνα και ηλεκτρόνια δεν είναι η μόνη απεικόνιση για το πώς μπορούμε να φανταστούμε το άτομο. Αντίθετα, είναι προφανώς όχι λιγότερο σωστό να συγκρίνουμε το άτομο με ένα νέφος φορτίου και να χρησιμοποιήσουμε την αντιστοιχία με τον φορμαλισμό της κβαντικής θεωρίας που προκαλεί αυτή η έννοια, για να εξάγουμε ποιοτικά συμπεράσματα σχετικά με τη συμπεριφορά του ατόμου. Ωστόσο, είναι μέλημα της κυματομηχανικής να εξετάσει αυτές τις συνέπειες.

Επιστρέφοντας λοιπόν στον φορμαλισμό της κβαντομηχανικής, η εφαρμογή της σε φυσικά προβλήματα δικαιολογείται εν μέρει από τις αρχικές βασικές παραδοχές της θεωρίας και από την επέκτασή της στη θεωρία μετασχηματισμού με βάση την κυματομηχανική. Το ζήτημα είναι τώρα να αποκαλυφθεί η ξεχωριστή σημασία της θεωρίας μέσω της σύγκρισής της με την κλασική φυσική.

Στην κλασική φυσική ο στόχος της έρευνας ήταν να διερευνηθούν αντικειμενικές διαδικασίες που συμβαίνουν στον χώρο και τον χρόνο και να ανακαλυφθούν οι νόμοι που διέπουν την εξέλιξή τους από τις αρχικές συνθήκες. Στην κλασική φυσική ένα πρόβλημα θεωρούνταν λυμένο, όταν είχε αποδειχθεί ότι ένα συγκεκριμένο φαινόμενο συνέβαινε αντικειμενικά στον χώρο και τον χρόνο και ότι υπάκουε στους γενικούς κανόνες της κλασικής φυσικής, όπως αυτοί διατυπώνονται με διαφορικές εξισώσεις. Ο τρόπος με τον οποίο είχε αποκτηθεί η γνώση κάθε διαδικασίας και ποιες παρατηρήσεις μπορεί ενδεχομένως να είχαν οδηγήσει στον πειραματικό προσδιορισμό της ήταν εντελώς αδιάφορος. Ήταν επίσης αδιάφορο για τις συνέπειες της κλασικής θεωρίας το ποιες πιθανές παρατηρήσεις επρόκειτο να επαληθεύσουν τις προβλέψεις της θεωρίας. Στην κβαντική θεωρία, ωστόσο, η κατάσταση είναι εντελώς διαφορετική. Το ίδιο το γεγονός ότι ο φορμαλισμός της κβαντομηχανικής δεν μπορεί να ερμηνευθεί ως απεικονίσιμη περιγραφή ενός φαινομένου που συμβαίνει στο χώρο και στον χρόνο δείχνει ότι η κβαντομηχανική δεν ασχολείται σε καμία περίπτωση με τον αντικειμενικό προσδιορισμό των φαινομένων του χωροχρόνου. Αντίθετα, ο φορμαλισμός της κβαντομηχανικής πρέπει να χρησιμοποιείται με τέτοιον τρόπο, ώστε η πιθανότητα έκβασης ενός περαιτέρω πειράματος να μπορεί να συναχθεί από τον προσδιορισμό μιας πειραματικής κατάστασης σε ένα ατομικό σύστημα, με την προϋπόθεση ότι το σύστημα δεν υπόκειται σε άλλες διαταραχές εκτός από εκείνες που απαιτούνται από την εκτέλεση των δύο πειραμάτων. Το γεγονός ότι το μόνο σίγουρα γνωστό αποτέλεσμα που μπορεί να εξακριβωθεί μετά την πληρέστερη δυνατή πειραματική διερεύνηση του συστήματος είναι η πιθανότητα για ένα ορισμένο αποτέλεσμα ενός δεύτερου πειράματος δείχνει, ωστόσο, ότι κάθε παρατήρηση πρέπει να συνεπάγεται μια ασυνεχή αλλαγή στον φορμαλισμό που περιγράφει την ατομική διαδικασία κι επομένως μια ασυνεχή αλλαγή στο ίδιο το φυσικό φαινόμενο ^[7]. Ενώ στην κλασική θεωρία το είδος της παρατήρησης δεν επηρεάζει το γεγονός, στην κβαντική θεωρία η διαταραχή που συνδέεται με κάθε παρατήρηση του ατομικού φαινομένου παίζει καθοριστικό ρόλο. Εφόσον, επιπλέον, το αποτέλεσμα μιας παρατήρησης οδηγεί κατά κανόνα μόνο σε ισχυρισμούς σχετικά με την πιθανότητα ορισμένων αποτελεσμάτων που προκύπτουν από επόμενες παρατηρήσεις, το θεμελιωδώς μη επαληθεύσιμο μέρος κάθε διαταραχής πρέπει, όπως έδειξε ο Bohr, να είναι καθοριστικό για τη μη αντιφατική λειτουργία της κβαντομηχανικής. Αυτή η διαφορά μεταξύ της κλασικής και της ατομικής φυσικής είναι βέβαια κατανοητή, δεδομένου ότι για βαριά σώματα, όπως οι πλανήτες που κινούνται γύρω από τον ήλιο, η πίεση του ηλιακού φωτός που αντανακλάται στην επιφάνειά τους, το οποίο είναι απαραίτητο για την παρατήρησή τους, είναι αμελητέα. Για τις μικρότερες δομικές μονάδες της ύλης, ωστόσο, λόγω της μικρής τους μάζας, κάθε παρατήρηση έχει καθοριστική επίδραση στη φυσική τους συμπεριφορά.

Η διαταραχή του συστήματος παρατήρησης που προκαλείται από την παρατήρηση, αποτελεί επίσης σημαντικό παράγοντα για τον καθορισμό των ορίων εντός των οποίων είναι δυνατή η απεικονίσιμη περιγραφή των ατομικών φαινομένων. Αν υπήρχαν πειράματα που επέτρεπαν την ακριβή μέτρηση όλων των χαρακτηριστικών ενός ατομικού συστήματος που είναι απαραίτητα για τον υπολογισμό της κλασικής κίνησης, και τα οποία, για παράδειγμα, παρείχαν ακριβείς τιμές για τη θέση και την ταχύτητα κάθε ηλεκτρονίου στο σύστημα σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή, το αποτέλεσμα αυτών των πειραμάτων δεν θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί καθόλου στον φορμαλισμό, αλλά μάλλον θα ερχόταν σε ευθεία αντίθεση με τον φορμαλισμό. Πάλι, επομένως, είναι σαφώς εκείνο το θεμελιωδώς μη επαληθεύσιμο μέρος της διαταραχής του συστήματος που προκαλείται από την ίδια τη μέτρηση το οποίο εμποδίζει την ακριβή βεβαίωση των κλασικών χαρακτηριστικών κι επιτρέπει έτσι την εφαρμογή της κβαντομηχανικής. Μια πιο προσεκτική εξέταση του φορμαλισμού δείχνει ότι μεταξύ της ακρίβειας με την οποία μπορεί να διαπιστωθεί η θέση ενός σωματιδίου και της ακρίβειας με την οποία μπορεί ταυτόχρονα να γίνει γνωστή η ορμή του υπάρχει μια σχέση, σύμφωνα με την οποία το γινόμενο των πιθανών σφαλμάτων στη μέτρηση της θέσης και της ορμής είναι τουλάχιστον τόσο μεγάλο όσο η σταθερά του Planck διαιρούμενη με το 4π. Σε μια πιο γενική μορφή επομένως, θα πρέπει να έχουμε

όπου p και q είναι συζυγείς μεταβλητές. Αυτές οι σχέσεις αβεβαιότητας για τα αποτελέσµατα της µέτρησης των κλασικών µεταβλητών αποτελούν τις αναγκαίες συνθήκες, για να µπορέσει το αποτέλεσµα µιας µέτρησης να εκφραστεί στον φορμαλισμό της κβαντικής θεωρίας. Ο Bohr έδειξε μέσω μιας σειράς παραδειγμάτων πώς η διαταραχή που συνδέεται απαραίτητα με κάθε παρατήρηση εξασφαλίζει πράγματι ότι δεν μπορεί κανείς να πάει κάτω από το όριο που θέτουν οι σχέσεις αβεβαιότητας. Υποστηρίζει ότι σε τελική ανάλυση μια αβεβαιότητα που εισάγεται από την ίδια την έννοια της μέτρησης είναι υπεύθυνη για το ότι ένα μέρος αυτής της διαταραχής παραμένει θεμελιωδώς άγνωστο. Ο πειραματικός προσδιορισμός των όποιων χωροχρονικών γεγονότων απαιτεί πάντοτε ένα σταθερό πλαίσιο – ας πούμε το σύστημα συντεταγμένων στο οποίο ο παρατηρητής βρίσκεται σε ηρεμία – στο οποίο αναφέρονται όλες οι μετρήσεις. Η παραδοχή ότι αυτό το πλαίσιο είναι “σταθερό” συνεπάγεται την παράβλεψη της ορμής του εξ αρχής, δεδομένου ότι το “σταθερό” συνεπάγεται, φυσικά, ότι οποιαδήποτε μεταφορά ορμής σε αυτό δε θα προκαλέσει κανένα αντιληπτό αποτέλεσμα. Η θεμελιωδώς αναγκαία αβεβαιότητα σε αυτό το σημείο μεταδίδεται στη συνέχεια μέσω της συσκευής μέτρησης στο ατομικό γεγονός.

Δεδομένου ότι σε σχέση με αυτήν την κατάσταση είναι δελεαστικό να εξεταστεί η δυνατότητα εξάλειψης όλων των αβεβαιοτήτων συγχωνεύοντας το αντικείμενο, τα οργάνα μέτρησης και τον παρατηρητή σε ένα κβαντομηχανικό σύστημα, είναι σημαντικό να τονιστεί ότι η πράξη της μέτρησης είναι αναγκαστικά απεικονίσιμη, καθώς η φυσική ασχολείται τελικά μόνο με τη συστηματική περιγραφή των χωροχρονικών διαδικασιών. Η συμπεριφορά του παρατηρητή καθώς και της συσκευής μέτρησής του πρέπει επομένως να συζητηθεί σύμφωνα με τους νόμους της κλασικής φυσικής, διαφορετικά δεν υπάρχει κανένα απολύτως περαιτέρω φυσικό πρόβλημα. Εντός της συσκευής μέτρησης, όπως τόνισε ο Bohr, όλα τα γεγονότα με την έννοια της κλασικής θεωρίας θα θεωρηθούν ως ορισμένα, πράγμα που αποτελεί επίσης αναγκαία προϋπόθεση για να μπορέσει κανείς, από ένα αποτέλεσμα μετρήσεων, να συμπεράνει αναμφισβήτητα τι έχει συμβεί. Στην κβαντική θεωρία, επίσης, το σχήμα της κλασικής φυσικής που καθιστά τα αποτελέσματα της παρατήρησης αντικειμενικά, υποθέτοντας χωρικές και χρονικές διεργασίες που υπακούουν σε νόμους, συνεχίζεται μέχρι το σημείο όπου τα θεμελιώδη όρια επιβάλλονται από τον μη απεικονίσιμο χαρακτήρα των ατομικών γεγονότων, συμβολιζόμενo από τη σταθερά του Planck. Μια απεικονίσιμη περιγραφή για τα ατομικά γεγονότα είναι δυνατή μόνο μέσα σε ορισμένα όρια ακρίβειας – αλλά μέσα σε αυτά τα όρια εξακολουθούν να ισχύουν και οι νόμοι της κλασικής φυσικής. Εξαιτίας αυτών των ορίων ακρίβειας, όπως αυτά ορίζονται από τις σχέσεις αβεβαιότητας, δεν έχει προσδιοριστεί μια απεικονίσιμη εικόνα του ατόμου απαλλαγμένη από ασάφειες. Αντιθέτως, η σωµατιδιακή και η κυµατική απεικόνιση είναι εξίσου χρήσιµες ως βάση για την απεικονίσιμη ερµηνεία.

Οι νόμοι της κβαντομηχανικής είναι κυρίως στατιστικοί. Μολονότι οι παράμετροι ενός ατομικού συστήματος προσδιορίζονται στο σύνολό τους από ένα πείραμα, το αποτέλεσμα μιας μελλοντικής παρατήρησης του συστήματος δεν είναι προβλέψιμο με ακρίβεια. Αλλά σε οποιαδήποτε μεταγενέστερη χρονική στιγμή υπάρχουν παρατηρήσεις που δίνουν με ακρίβεια προβλέψιμα αποτελέσματα. Για τις άλλες παρατηρήσεις μπορεί να δοθεί μόνο η πιθανότητα για ένα συγκεκριμένο αποτέλεσμα του πειράματος. Ο βαθμός βεβαιότητας που εξακολουθεί να συνδέεται με τους νόμους της κβαντομηχανικής είναι, για παράδειγμα, υπεύθυνος για το γεγονός ότι οι αρχές διατήρησης της ενέργειας και της ορμής εξακολουθούν να ισχύουν τόσο αυστηρά όσο ποτέ άλλοτε. Μπορούν να ελεγχθούν με οποιαδήποτε επιθυμητή ακρίβεια και στη συνέχεια θα ισχύσουν ανάλογα με την ακρίβεια με την οποία ελέγχονται. Ο στατιστικός χαρακτήρας των νόμων της κβαντομηχανικής, ωστόσο, γίνεται εμφανής όταν η ακριβής μελέτη των ενεργειακών συνθηκών καθιστά αδύνατη την ταυτόχρονη παρακολούθηση ενός συγκεκριμένου γεγονότος στον χώρο και τον χρόνο.

Για τη σαφέστερη ανάλυση των εννοιολογικών αρχών της κβαντομηχανικής είμαστε υπόχρεοι στον Bohr, ο οποίος, ειδικότερα, εφάρμοσε την έννοια της συμπληρωματικότητας ^[8] για να ερμηνεύσει την εγκυρότητα των κβαντομηχανικών νόμων. Οι σχέσεις αβεβαιότητας δίνουν από μόνες τους ένα παράδειγμα για το πώς στην κβαντομηχανική η ακριβής γνώση μιας μεταβλητής μπορεί να αποκλείσει την ακριβή γνώση μιας άλλης. Αυτή η συµπληρωµατική σχέση µεταξύ διαφορετικών πτυχών της ίδιας φυσικής διαδικασίας είναι πράγµατι χαρακτηριστική για ολόκληρη τη δοµή της κβαντοµηχανικής. Είχα μόλις αναφέρει, για παράδειγμα, ότι ο προσδιορισμός των ενεργειακών σχέσεων αποκλείει τη λεπτομερή περιγραφή των χωροχρονικών διεργασιών. Ομοίως, η μελέτη των χημικών ιδιοτήτων ενός μορίου είναι συμπληρωματική της μελέτης των κινήσεων των μεμονωμένων ηλεκτρονίων του μορίου ή η παρατήρηση φαινομένων συμβολής συμπληρωματική της παρατήρησης μεμονωμένων κβάντων φωτός. Τέλος, οι περιοχές ισχύος της κλασικής φυσικής και της κβαντομηχανικής μπορούν να διαχωριστούν η μία από την άλλη ως εξής: η κλασική φυσική αντιπροσωπεύει εκείνη την προσπάθεια να μάθουμε για τη Φύση, στην οποία ουσιαστικά επιδιώκουμε να βγάλουμε συμπεράσματα για αντικειμενικές διαδικασίες από τις παρατηρήσεις αγνοώντας την εξέταση της επίδρασης που έχει η κάθε παρατήρηση στο αντικείμενο που παρατηρείται. Η κλασική φυσική, λοιπόν, έχει τα όριά της στο σημείο από το οποίο η επίδραση της παρατήρησης στο γεγονός δεν μπορεί πλέον να αγνοηθεί. Αντίθετα, η κβαντομηχανική καθιστά δυνατή τη διερεύνηση των ατομικών διεργασιών, αγνοώντας εν μέρει την περιγραφή και την αντικειμενικότητά τους στον χωροχρόνο.

Για να μη μείνω σε ισχυρισμούς με υπερβολικά αφηρημένους όρους σχετικά με την ερμηνεία της κβαντομηχανικής, θα ήθελα εν συντομία να εξηγήσω με ένα γνωστό παράδειγμα το κατά πόσο είναι δυνατόν μέσω της ατομικής θεωρίας να επιτευχθεί η κατανόηση των απεικονίσιμων διεργασιών με τις οποίες ασχολούμαστε στην καθημερινή ζωή. Το ενδιαφέρον των ερευνητών έχει επικεντρωθεί στο φαινόμενο του ξαφνικού σχηματισμού κρυστάλλων κανονικού σχήματος από ένα υγρό, π.χ. ένα υπερκορεσμένο διάλυμα άλατος. Σύµφωνα µε την ατοµική θεωρία, η αιτία του σχηµατισµού σε αυτήν τη διαδικασία είναι ως ένα βαθµό η συµµετρία που χαρακτηρίζει τη λύση της κυµατικής εξίσωσης του Schrödinger, και σε αυτόν τον βαθµό η κρυστάλλωση εξηγείται από την ατοµική θεωρία. Παρ’ όλα αυτά, η διαδικασία αυτή διατηρεί ένα στατιστικό και -θα μπορούσαμε σχεδόν να πούμε – ιστορικό στοιχείο που δεν μπορεί να αναχθεί περαιτέρω: ακόμη και όταν η κατάσταση του υγρού είναι πλήρως γνωστή πριν από την κρυστάλλωση, το σχήμα του κρυστάλλου δεν καθορίζεται από τους νόμους της κβαντομηχανικής. Απλώς ο σχηματισμός κανονικών σχημάτων είναι πολύ πιο πιθανός από αυτόν ενός άμορφου σβώλου. Όμως το τελικό σχήμα οφείλει τη γένεσή του εν μέρει σε ένα στοιχείο τύχης, που κατ’ αρχήν δεν μπορεί να αναλυθεί περαιτέρω.

Πριν κλείσω την παρούσα έκθεση για την κβαντομηχανική, θα μου επιτραπεί ίσως να συζητήσω πολύ σύντομα τις ελπίδες που σχετίζονται με την περαιτέρω ανάπτυξη αυτού του κλάδου της έρευνας. Θα ήταν περιττό να αναφέρω ότι η ανάπτυξη πρέπει να συνεχιστεί βασιζόμενη εξίσου στις μελέτες των De Broglie, Schrödinger, Born, Jordan και Dirac. Εδώ η προσοχή των ερευνητών στρέφεται κυρίως στο πρόβλημα της σύγκλισης των ισχυρισμών της ειδικής θεωρίας της σχετικότητας με εκείνους της κβαντικής θεωρίας. Τα εκπληκτικά επιτεύγματα που σημειώθηκαν στον τομέα αυτόν από τον Dirac, για τα οποία θα μιλήσει εδώ ο κ. Dirac, αφήνουν εν τω μεταξύ αναπάντητο το ερώτημα αν θα είναι δυνατόν να ικανοποιήσουμε τους ισχυρισμούς των δύο θεωριών χωρίς να προσδιορίσουμε ταυτόχρονα τη σταθερά λεπτής υφής ^[9] του Sommerfeld. Οι προσπάθειες που έχουν γίνει μέχρι τώρα για την επίτευξη μιας σχετικιστικής διατύπωσης της κβαντικής θεωρίας βασίζονται όλες σε απεικονίσιμες έννοιες τόσο κοντά σε εκείνες της κλασικής φυσικής, ώστε φαίνεται αδύνατο να προσδιοριστεί η σταθερά λεπτής υφής μέσα σε αυτό το σύστημα εννοιών. Η επέκταση του εννοιολογικού συστήματος που συζητείται εδώ θα πρέπει, επιπλέον, να συνδεθεί στενά με την περαιτέρω ανάπτυξη της κβαντικής θεωρίας των κυματικών πεδίων, και μου φαίνεται ότι ο φορμαλισμός αυτός, παρά την ενδελεχή μελέτη του από πολλούς ερευνητές (Dirac, Pauli, Jordan, Klein, Wigner, Fermi) δεν έχει ακόμη ολοκληρωθεί πλήρως. Σημαντικές ενδείξεις για την περαιτέρω ανάπτυξη της κβαντομηχανικής προκύπτουν επίσης από τα πειράματα που αφορούν τη δομή των ατομικών πυρήνων. Από την ανάλυσή τους µε τη βοήθεια της θεωρίας του Gamow, φαίνεται ότι µεταξύ των στοιχειωδών σωµατιδίων του πυρήνα του ατόμου δρουν δυνάµεις που διαφέρουν κάπως ως προς τον τύπο από τις δυνάμεις που καθορίζουν τη δομή του ατομικού φλοιού. Τα πειράματα του Stern φαίνεται, επιπλέον, να δείχνουν ότι η συμπεριφορά των βαρέων στοιχειωδών σωματιδίων δεν μπορεί να αναπαρασταθεί από τον φορμαλισμό της θεωρίας του ηλεκτρονίου του Dirac. Η μελλοντική έρευνα θα πρέπει, λοιπόν, να είναι έτοιμη για εκπλήξεις που μπορεί να προκύψουν διαφορετικά, τόσο από το πεδίο εμπειρίας της πυρηνικής φυσικής όσο και από εκείνο της κοσμικής ακτινοβολίας. Όμως, όπως κι αν προχωρήσει λεπτομερώς η ανάπτυξη, η πορεία που έχει χαράξει μέχρι στιγμής η κβαντική θεωρία δείχνει ότι η κατανόηση αυτών των αδιευκρίνιστων ακόμη χαρακτηριστικών της ατομικής φυσικής μπορεί να αποκτηθεί μόνο με την παραίτηση από την απεικόνιση και την αντικειμενικότητα σε βαθμό μεγαλύτερο από αυτόν που συνηθίζεται μέχρι τώρα. Πιθανόν δεν έχουμε λόγο να λυπούμαστε γι’ αυτό, διότι η σκέψη των μεγάλων δυσκολιών που διέπουν την επιστήμη με τις οποίες έπρεπε να αναμετρηθεί η έννοια του απεικονίσιμου του ατόμου της προηγούμενης φυσικής, μας δίνει την ελπίδα ότι η αφηρημένη ατομική φυσική που αναπτύσσεται σήμερα θα ενταχθεί μια μέρα πιο αρμονικά στο μεγάλο οικοδόμημα της Επιστήμης.

O Werner Karl Heisenberg (5 Δεκεμβρίου 1901 – 1 Φεβρουαρίου 1976) ήταν Γερμανός θεωρητικός φυσικός, ένας από τους πρωτοπόρους της κβαντικής θεωρίας. Τον Σεπτέμβριο του 1926 δημοσίευσε στο επιστημονικό περιοδικό Zeitischrift für Physik το άρθρο του με τον τίτλο Περί της κβαντο-θεωρητικής επανερμηνείας των κινηματικών και μηχανικών σχέσεων (Über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen). Το όνομα του φέρει η περίφημη αρχή της αβεβαιότητας (ή απροσδιοριστίας) την οποία δημοσίευσε το 1927.

ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ

Η συντακτική επιτροπή του InS ευχαριστεί τον καθηγητή του Τμήματος Ιστορίας και Φιλοσοφίας της Επιστήμης του ΕΚΠΑ κ. Θόδωρο Αραμπατζή για την βοήθεια του στην απόδοση όρων του αρχικού κειμένου στην ελληνική γλώσσα.

Το πορτραίτο του Heisenberg φιλοτέχνησε ο εικαστικός Χρήστος Αλαβέρας από τη Θεσσαλονίκη.

ΠΑΡΑΠΟΜΠΕΣ

[1] Σύμφωνα με αυτήν την αρχή οι προβλέψεις της κβαντομηχανικής και της κλασικής φυσικής συμπίπτουν στο όριο των μεγάλων κβαντικών αριθμών.

[2] Οι όροι απεικόνιση και απεικονίσιμη (visualization/visualizable) που κατ’ επανάληψη αναφέρονται στο άρθρο αφορούν στη δυνατότητα απεικόνισης των κλασικών κινήσεων (π.χ., κυκλικές ή ελλειπτικές τροχιές), σε αντίθεση με κβαντικά φαινόμενα (π.χ., μετάβαση από μια ενεργειακή κατάσταση σε μια άλλη) που δεν είναι απεικονίσιμα.

[3] Εδώ ο Χάιζενμπεργκ αναφέρεται στα πειράματα με το θάλαμο Wilson, έναν ανιχνευτή σωματιδίων ο οποίος χρησιμοποιείται για να καθιστά ορατή την τροχιά φορτισμένων σωματιδίων.

[4] Εκείνη τη χρονιά (1933) το βραβείο Νόμπελ στη φυσική μοιράστηκαν οι Dirac, Heisenberg και Schrödinger.

[5] Ο όρος θεωρία μετασχηματισμού αναφέρεται σε μια πρώιμη διατύπωση της κβαντικής θεωρίας από τον Dirac το 1927. Αυτή η θεωρία αναφέρεται στις αλλαγές που υφίσταται μια κβαντική κατάσταση με την πάροδο του χρόνου, όπου το διάνυσμά της «κινείται» μεταξύ «θέσεων» ή «προσανατολισμών» στον χώρο Hilbert. Η εξέλιξη του χρόνου, οι κβαντικές μεταβάσεις και οι μετασχηματισμοί συμμετρίας στην κβαντική μηχανική μπορούν επομένως να θεωρηθούν ως η συστηματική θεωρία των αφηρημένων, γενικευμένων στροφών σε αυτόν τον χώρο των διανυσμάτων κβαντικής κατάστασης.

[6] Αυτή δηλαδή όπου μια υποθετική εναλλαγή της κατάστασης δύο ηλεκτρονίων θα διατηρούσε το πρόσημο της ιδιοσυνάρτησης.

[7] Εδώ ο Heisenberg αναφέρεται στην περίφημη αρχή του φιλτραρίσματος. Σύμφωνα με αυτήν την αρχή «…η πρώτη μέτρηση πάνω σε ένα κβαντικό σύστημα μπορεί να δώσει όλα τα δυνατά αποτελέσματα με κάποιες a priori πιθανότητες. Όμως κάθε φορά που η μέτρηση δίνει ένα από αυτά, η κυματοσυνάρτηση που «βγαίνει» από τη συσκευή είναι ιδιοσυνάρτηση της ιδιοτιμής που μετρήθηκε. Οπότε, λόγω αυτού, μια δεύτερη συσκευή, τοποθετημένη, αμέσως μετά την προηγούμενη, θα επιβεβαιώνει το αποτέλεσμα της πρώτης κατά 100%.» (βλ. Τραχανάς, Σ., 2008. ΚΒΑΝΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗ ΙΙ, ΘΕΜΕΛΙΩΔΕΙΣ ΑΡΧΕΣ ΚΑΙ ΜΕΘΟΔΟΙ – ΚΒΑΝΤΙΚΟΙ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ. Ηράκλειο: ΠΕΚ, σελ. 39).

[8] Ο όρος συμπληρωματικότητα εισήχθη αρχικά από τον Bohr για να εκφράσει το γεγονός πως δεν μπορούμε να γνωρίζουμε με ακρίβεια ταυτόχρονα τη θέση και την ορμή ενός σωματιδίου. Σήμερα η αρχή της συμπληρωματικότητας υποστηρίζει ότι τα κβαντικά σωματίδια έχουν ορισμένα ζεύγη συμπληρωματικών ιδιοτήτων, όπως για παράδειγμα η θέση και η ορμή ή ιδιότητες κυμάτων και σωματιδίων που δεν μπορούν να προσδιοριστούν ταυτόχρονα με ακρίβεια.

[9] Στην ατομική φυσική, η λεπτή υφή περιγράφει το διαχωρισμό των φασματικών γραμμών των ατόμων λόγω του σπιν των ηλεκτρονίων και σχετικιστικών διορθώσεων στη μη σχετικιστική εξίσωση Schrödinger. Μετρήθηκε για πρώτη φορά με ακρίβεια για το άτομο του υδρογόνου από τους Albert A. Michelson και Edward W. Morley το 1887, και η θεωρητική επεξεργασία της έγινε από τον Arnold Sommerfeld, ο οποίος εισήγαγε την αδιάστατη σταθερά της λεπτής υφής

 η οποία έχει την τιμή 1/137, σε οποιοδήποτε σύστημα μονάδων.