“Wij beschouwen de kwantummechanica als een volledige theorie waarvan de fundamentele fysische en mathematische hypothesen niet meer voor wijziging vatbaar zijn.”
-Heisenberg en Max Born, paper afgeleverd op het Solvay Congres van 1927
Heisenberg formuleerde het onzekerheidsprincipe in februari 1927 terwijl hij als docent werkzaam was in Bohr’s Instituut voor Theoretische Natuurkunde aan de Universiteit van Kopenhagen. Bohr, die op skivakantie was geweest, keerde terug naar het instituut en trof daar Heisenberg’s artikel al in concept aan. Hij stuurde het op verzoek van Heisenberg naar Einstein, maar Bohr klaagde bij Einstein dat Heisenbergs benadering te beperkt was en dat zijn gamma stralen microscoop gebrekkig was, hoewel het resultaat correct was. Voor Bohr kwamen de onzekerheidsrelaties niet alleen voort uit de kwantumvergelijkingen en het gebruik van deeltjes en discontinuïteit. Golven en deeltjes moesten in gelijke mate in aanmerking worden genomen, en de verstrooiing van lichtgolven door het elektron was eveneens van cruciaal belang. Toen Heisenberg zijn gedachte-experiment corrigeerde, bevestigde dat alleen maar de resultaten.
In Bohr’s woorden zijn de golf- en deeltjesbeelden, of de visuele en causale voorstellingen, “complementair” aan elkaar. Dat wil zeggen, ze sluiten elkaar uit, maar zijn gezamenlijk essentieel voor een volledige beschrijving van kwantumgebeurtenissen. Het is duidelijk dat in een experiment in de alledaagse wereld een voorwerp niet tegelijkertijd een golf en een deeltje kan zijn; het moet of de een of de ander zijn, afhankelijk van de situatie. In latere verfijningen van deze interpretatie is de golffunctie van het ongeobserveerde object een mengsel van zowel de golf- als de deeltjesplaatjes, totdat de experimentator kiest wat hij in een bepaald experiment wil waarnemen. (Bedenk dat, volgens Heisenberg, de baan van een object eerst ontstaat wanneer we het waarnemen). Door ofwel het golf- ofwel het deeltjesbeeld te kiezen, verstoort de experimentator de ongerepte natuur. Een dergelijk favoritisme ontketent een beperking in wat men kan leren over de natuur “zoals zij werkelijk is.” Deze beperking wordt uitgedrukt door Heisenberg’s onzekerheidsrelaties, die voor Bohr verband hielden met wat hij nu “complementariteit” noemde. Complementariteit, onzekerheid en de statistische interpretatie van Schrödingers golffunctie waren allemaal verwant. Samen vormden zij een logische interpretatie van de fysische betekenis van de kwantummechanica, bekend als de “Kopenhagen interpretatie.”
:Omdat mijn gesprekken met Bohr vaak tot lang na middernacht duurden en niet tot een bevredigende conclusie leidden, …raakten wij beiden volkomen uitgeput en nogal gespannen.”
-Heisenberg, herinnering
Heisenberg maakte aanvankelijk fel bezwaar tegen Bohr’s opvattingen. Vasthoudend aan het primaire gebruik van deeltjes en discontinuïteit, weigerde hij Bohr’s suggestie dat hij zijn artikel, dat al in druk was, zou intrekken. Hij voegde echter wel een paragraaf toe waarin hij de lezers attendeerde op Bohr’s opvattingen en waarin hij de fout met betrekking tot de resolutie van de microscoop toegaf. De strijd met Bohr werd in de eerste maanden van 1927 zo hevig dat Heisenberg naar verluidt op een gegeven moment in tranen uitbarstte, en er zelfs in slaagde Bohr te verwonden met zijn scherpe opmerkingen. Het was duidelijk dat er voor de 25-jarige veel op het spel stond.
In de herfst van 1927 waren de zaken volledig veranderd. Heisenbergs werksituatie was geregeld bij zijn benoeming aan de Universiteit van Leipzig. En Bohr presenteerde aan een conferentie in het Comomeer, Italië, zijn complementariteitsargument. Een maand later, in oktober 1927, gingen Born en Heisenberg, sprekend voor de Solvay natuurkundeconferentie in Brussel, België, zover dat zij de kwantummechanica volledig en onherroepelijk verklaarden.
“De theorie levert veel op, maar zij brengt ons nauwelijks dichter bij het geheim van de Oude. In ieder geval ben ik ervan overtuigd dat Hij niet dobbelt.”
-Einstein, schrijvend aan Max Born, 4 december 1926.
Niet iedereen was het eens met de nieuwe interpretatie, of met de uitspraak van Born en Heisenberg over toekomstig werk. Einstein en Schrödinger behoorden tot de meest opmerkelijke dissidenten. Tot aan het eind van hun leven hebben zij de Kopenhagen doctrine nooit volledig aanvaard. Einstein was ontevreden over het vertrouwen op waarschijnlijkheden. Maar nog fundamenteler geloofde hij dat de natuur onafhankelijk van de experimentator bestaat, en dat de bewegingen van deeltjes nauwkeurig bepaald zijn. Het is de taak van de natuurkundige om de natuurwetten te ontdekken die deze bewegingen bepalen, waarvoor uiteindelijk geen statistische theorieën nodig zijn. Het feit dat de kwantummechanica alleen leek te stroken met statistische resultaten en niet elke beweging volledig kon beschrijven, was voor Einstein een aanwijzing dat de kwantummechanica nog onvolledig was. Alternatieve interpretaties zijn sindsdien voorgesteld en worden nu serieus in overweging genomen.
Bezoek onze Einstein tentoonstelling voor de Bohr-Einstein debatten.
Ondanks de bezwaren van Einstein en anderen slaagden Bohr, Heisenberg en hun collega’s erin om de acceptatie van hun interpretatie door de meerderheid van de natuurkundigen in die tijd te verzekeren. Zij deden dit zowel door de nieuwe interpretatie te presenteren op lezingen over de hele wereld als door aan te tonen dat deze werkte. Het succes van de theorie trok natuurlijk veel van de beste studenten aan instituten zoals dat van Heisenberg, sommigen kwamen van zo ver weg als Amerika, India, en Japan. Deze slimme studenten, gevoed door de doctrine van Kopenhagen en opgeleid in de nieuwe kwantummechanica, vormden een nieuwe en dominante generatie natuurkundigen. Degenen in Duitsland en Centraal Europa droegen de nieuwe ideeën met zich mee toen zij zich verspreidden over de wereld in de jaren 1930 en 1940 in het kielzog van Hitler’s opkomst aan de macht in Duitsland.