Resumé

Werner Carl Heisenberg (5. december 1901 i Würzburg - 1. februar 1976 i München) var en tysk teoretisk fysiker, en af grundlæggerne af kvantemekanikken, nobelpristager i fysik (1932) og medlem af flere akademier og videnskabelige selskaber.

Heisenberg er ophavsmand til en række grundlæggende resultater inden for kvanteteori: han lagde grunden til matrixmekanikken, formulerede usikkerhedsrelationen, anvendte kvantemekanikkens formalisme på problemerne med ferromagnetisme, den anomale Zeeman-effekt og andre. Senere deltog han aktivt i udviklingen af kvanteelektrodynamikken (Heisenberg-Pauli-teorien) og kvantefeltteorien (S-matrixteorien), og i de sidste årtier af sit liv forsøgte han at skabe en forenet ikke-lineær spinorfeltteori. Heisenberg tilhører en af de første kvantemekaniske teorier om atomkræfter, og under Anden Verdenskrig var han den ledende teoretiker i det tyske kernekraftprojekt. Han arbejdede også med kosmisk strålefysik, turbulensteori og filosofiske problemer inden for naturvidenskaben. Heisenberg spillede en vigtig rolle i organiseringen af den videnskabelige forskning i efterkrigstidens Tyskland.

Teenageårene (1901-1920)

Werner Heisenberg blev født i Würzburg som søn af August Heisenberg, professor i middelalderlig og moderne græsk filologi, og Annie Wecklein, datter af direktøren for Maximilian Gymnasium i München. Han var det andet barn i familien, hans ældre bror Erwin (1900-1965) blev senere kemiker. Familien flyttede til München i 1910, hvor Werner gik i skole og udmærkede sig i matematik, fysik og grammatik. Hans studier blev afbrudt i foråret 1918, da han og andre 16-årige blev sendt til en gård for at udføre hjælpearbejde. På dette tidspunkt begyndte han for alvor at interessere sig for filosofi og læste Platon og Kant. Efter afslutningen af Første Verdenskrig befandt landet og byen sig i en usikker situation, og magten skiftede fra den ene politiske gruppe til den anden. I foråret 1919 fungerede Heisenberg kortvarigt som præsteembedsmand og hjalp den nye bayerske regerings tropper, som var rykket ind i byen. Derefter blev han involveret i en ungdomsbevægelse, hvoraf en del var stærkt imod status quo, de gamle traditioner og fordomme. Her er, hvordan Heisenberg selv mindede om et af disse ungdomsmøder:

Der var mange taler, hvis patos ville virke fremmed for os i dag. Hvad er vigtigst, vores folks skæbne eller menneskehedens skæbne, om de faldnes offerdød er meningsløs i nederlag, om unge mennesker har ret til at forme deres eget liv efter deres egne ideer om værdier, hvad der er vigtigst, loyalitet over for sig selv eller de gamle former, der har ordnet menneskers liv i århundreder - alt dette blev talt og diskuteret med lidenskab. Jeg var for tøvende i alle spørgsmål til at deltage i disse debatter, men jeg lyttede til dem igen og igen ...

Hans hovedinteresser på dette tidspunkt var dog ikke politik, filosofi eller musik (Heisenberg var en dygtig pianist og kunne, som Felix Bloch husker det, spille på instrumentet i timevis), men snarere matematik og fysik. Han studerede dem for det meste selvstændigt, og hans viden, som gik langt ud over skoleforløbet, blev især bemærket i hans afsluttende eksamener i gymnasiet. Under en lang sygdom læste han Hermann Weills bog "Rum, tid og materie" og blev imponeret over de matematiske metoders kraft og deres anvendelser og besluttede sig for at studere matematik ved universitetet i München, hvor han indskrev sig i sommeren 1920. Ferdinand von Lindemann, en matematikprofessor, nægtede imidlertid at gøre den nyankomne til medlem af sit seminar, og på sin fars råd gik Heisenberg til den kendte teoretiske fysiker Arnold Sommerfeld. Han indvilligede straks i at optage Werner i sin gruppe, hvor den unge Wolfgang Pauli allerede arbejdede, og som snart blev en nær ven af Heisenberg.

München - Göttingen - København (1920-1927)

Under Sommerfelds ledelse begyndte Heisenberg at arbejde i tråd med den såkaldte "gamle kvanteteori". Sommerfeld tilbragte vinteren 1922-1923 på University of Wisconsin (USA) og anbefalede, at hans elev skulle arbejde i Göttingen under Max Born. Således begyndte et frugtbart samarbejde mellem de to videnskabsmænd. Det skal bemærkes, at Heisenberg allerede havde besøgt Göttingen i juni 1922 under den såkaldte "Bohr-festival", en række foredrag om ny atomfysik holdt af Niels Bohr. Den unge fysiker lærte endda den berømte dansker at kende og sludrede med ham under en af hans gåture. Som Heisenberg selv senere mindede om, havde denne samtale stor indflydelse på udformningen af hans synspunkter og tilgang til videnskabelige problemer. Han definerede de forskellige indflydelser i sit liv således: "Jeg lærte optimisme af Sommerfeld, matematik af Göttingen og fysik af Bohr.

Heisenberg vendte tilbage til München i sommersemestret 1923. På dette tidspunkt havde han forberedt en afhandling omhandlende nogle grundlæggende problemer i hydrodynamik. Dette emne var blevet foreslået af Sommerfeld, der mente, at et mere klassisk emne ville forenkle forsvaret. Ud over afhandlingen var det imidlertid nødvendigt med en mundtlig eksamen i tre fag for at få en ph.d.-grad. Særligt vanskelig var en prøve i eksperimentalfysik, som Heisenberg ikke havde været særlig opmærksom på. I sidste ende var han ikke i stand til at besvare nogen af professor Wilhelm Wiens spørgsmål (om opløsningen af Fabry-Perot-interferometeret, mikroskopet, teleskopet og princippet bag blybatteriet), men takket være Sommerfelds mellemkomst fik han alligevel den laveste karakter, som var tilstrækkelig til at give ham eksamensbeviset.

I efteråret 1923 Heisenberg vendte tilbage til Göttingen for at se Born, som sikrede ham en ekstra assistent stilling. Born beskrev sin nye medarbejder som følger:

Han lignede en simpel bondedreng med kort, lyst hår, klare, levende øjne og et charmerende udtryk. Han udførte sine assistentopgaver mere seriøst end Pauli og var en stor hjælp for mig. Hans uforståelige hurtighed og skarpe forståelse gjorde det altid muligt for ham at komme igennem en kolossal mængde arbejde uden større anstrengelser.

I Göttingen fortsatte den unge videnskabsmand sit arbejde med teorien om Zeeman-effekten og andre kvanteproblemer, og året efter blev han habiliteret og officielt bemyndiget til at holde foredrag. I efteråret 1924 kom Heisenberg for første gang til København for at arbejde under Niels Bohr. Han begyndte også at arbejde tæt sammen med Hendrik Kramers og skrev en fælles afhandling om kvante-dispersionsteori.

I foråret 1925 vendte Heisenberg tilbage til Göttingen og gjorde i løbet af de næste par måneder afgørende fremskridt i konstruktionen af den første logisk sammenhængende kvanteteori, matrixmekanikken. Efterfølgende blev teoriens formalisme perfektioneret med hjælp fra Born og Pascual Jordan. En anden formulering af teorien, bølgemekanikken, blev givet af Erwin Schrödinger og stimulerede både talrige konkrete anvendelser og en dybtgående uddybning af teoriens fysiske grundlag. Et af resultaterne af denne aktivitet var Heisenbergs usikkerhedsprincip, som blev formuleret i begyndelsen af 1927.

I maj 1926 flyttede Heisenberg til Danmark og blev ansat som lektor ved Københavns Universitet og assistent for Niels Bohr.

Fra Leipzig til Berlin (1927-1945)

Anerkendelsen af Heisenbergs videnskabelige fortjenester resulterede i invitationer til professorater fra Leipzig og Zürich. Forskeren valgte Leipzig, hvor Peter Debye var direktør for universitetets institut for fysik, og i oktober 1927 tiltrådte han stillingen som professor i teoretisk fysik. Hans øvrige kolleger var Gregor Wentzel og Friedrich Hund, med Guido Beck som hans første assistent. Heisenberg udførte mange opgaver på instituttet, holdt foredrag om teoretisk fysik og organiserede et ugentligt seminar om atomteori, som ikke kun blev ledsaget af intensive diskussioner om videnskabelige problemer, men også af venlige teselskaber, som undertiden gik over i bordtenniskonkurrencer (den unge professor spillede meget godt og med stor lyst). Som biograferne Neville Mott og Rudolf Peierls påpeger, havde Heisenbergs tidlige berømmelse imidlertid kun ringe indflydelse på hans personlige egenskaber:

Ingen ville have dømt ham, hvis han var begyndt at tage sig selv alvorligt og blive lidt pompøs efter at have taget mindst to afgørende skridt, der ændrede fysikkens ansigt, og efter at være blevet professor i så ung en alder, hvilket fik mange ældre og mindre vigtige mennesker til også at føle sig vigtige, men han forblev som han var - uformel og munter i sin behandling, næsten drenget og besiddende en beskedenhed grænsende til generthed.

I Leipzig dukkede Heisenbergs første elever op, og en stor videnskabelig skole blev snart dannet. På forskellige tidspunkter var Felix Bloch, Hugo Fano, Erich Hückel, Robert Mulliken, Rudolf Peierls, Georg Placzek, John Slater og Edward Teller medlemmer af den teoretiske gruppe, Laszlo Tissa, John Hasbrouck van Fleck, Victor Weisskopf, Karl von Weizsäcker, Clarence Zehner, Isidor Rabi, Gleb Vatagin, Erich Bagge, Hans Euler, Siegfried Flügge, Theodor Förster. Theodor Förster, Greta Hermann, Hermann Arthur Jahn, Fritz Sauter, Ivan Supek, Harald Wergeland, Giancarlo Wieck, William Vermillion Houston og mange andre. Selv om professoren normalt ikke gik ind i de matematiske detaljer i sine studerendes arbejde, hjalp han ofte med at klarlægge den fysiske karakter af det problem, han studerede. Felix Bloch, Heisenbergs første elev (og senere nobelpristager), beskrev sin mentors pædagogiske og videnskabelige kvaliteter på følgende måde

Hvis jeg skulle fremhæve en enkelt af hans store kvaliteter som lærer, ville det være hans usædvanligt positive holdning til alle fremskridt og hans opmuntring i denne henseende. ...Et af Heisenbergs mest slående træk var den næsten umiskendelige intuition, han udviste i sin tilgang til et fysisk problem, og den fænomenale måde, hvorpå løsningerne syntes at falde ned fra himlen.

I 1933 modtog Heisenberg Nobelprisen i fysik for det foregående år med ordlyden "for skabelsen af kvantemekanikken, hvis anvendelse bl.a. førte til opdagelsen af de allotropiske former af brint". Trods sin glæde udtrykte videnskabsmanden forvirring over, at hans kolleger Paul Dirac og Erwin Schrödinger modtog den samme pris (for 1933) for to, mens Max Born blev fuldstændig ignoreret af Nobelkomitéen. I januar 1937 mødte han en ung kvinde, Elisabeth Schumacher (1914-1998), datter af en økonomiprofessor i Berlin, og i april giftede han sig med hende. Året efter fik de tvillingerne Wolfgang og Anna-Maria. De fik i alt syv børn, hvoraf nogle også udviklede en interesse for videnskab: Martin Heisenberg blev genetiker, Jochen Heisenberg blev fysiker, og Anna-Marie og Verena blev fysiologer.

På dette tidspunkt havde den politiske situation i Tyskland ændret sig radikalt: Hitler var kommet til magten. Heisenberg, som besluttede at blive i landet, blev snart angrebet af modstanderne af den såkaldte "jødiske fysik", som omfattede kvantemekanikken og relativitetsteorien. Ikke desto mindre arbejdede videnskabsmanden i løbet af 1930'erne og begyndelsen af 1940'erne frugtbart på problemer inden for atomkerne-teori, kosmisk strålefysik og kvantefeltteori. Fra 1939 deltog han i det tyske kernekraftprojekt som en af dets ledere, og i 1942 blev han udnævnt til professor i fysik ved Berlins universitet og leder af Institut for Fysik i Kaiser Wilhelm-selskabet.

Efterkrigstiden (1946-1976)

Under Operation Epsilon blev ti tyske videnskabsmænd (herunder Heisenberg), der arbejdede på atomvåben i Nazityskland, tilbageholdt af de allierede styrker. Forskerne blev taget til fange mellem den 1. maj og 30. juni 1945 og bragt til Farm Hall, en aflyttet bygning i Godmanchester i nærheden af Cambridge i England. De blev tilbageholdt der fra den 3. juli 1945 til den 3. januar 1946 for at finde ud af, hvor tæt tyskerne var på at bygge en atombombe.

I begyndelsen af 1946 inviterede oberst B. K. Blount, der var medlem af den videnskabelige afdeling i den britiske militærregering i besættelseszonen, Heisenberg og Otto Hahn til Göttingen, hvor videnskabens genfødsel i det ødelagte Tyskland skulle begynde. Videnskabsfolkene lagde stor vægt på det organisatoriske arbejde, først i Rådet for Videnskab og siden i Max Planck-selskabet, som erstattede Kaiser Wilhelm-selskabet. I 1949, efter oprettelsen af Forbundsrepublikken Tyskland, blev Heisenberg den første formand for den tyske forskningsforening, som skulle fremme det videnskabelige arbejde i landet. Som leder af Komitéen for Atomfysik var han en af initiativtagerne til arbejdet med atomreaktorer i Tyskland. Samtidig var Heisenberg modstander af Adenauer-regeringens anskaffelse af atomvåben. I 1955 spillede han en aktiv rolle i fremkomsten af den såkaldte Mainau-erklæring, der blev underskrevet af 16 nobelpristagere, og to år senere - Göttingen-manifestet af 18 tyske videnskabsmænd. I 1958 underskrev han en appel til FN's generalsekretær, som Linus Pauling havde taget initiativ til, og hvori han opfordrede til et forbud mod atomprøvesprængninger. Et fjernt resultat af denne aktivitet var Tysklands tiltrædelse af traktaten om ikke-spredning af kernevåben.

Heisenberg støttede aktivt oprettelsen af CERN og deltog i en række af dets udvalg. Han var især den første formand for den videnskabspolitiske komité og var med til at fastlægge retningen for CERN's udvikling. Samtidig var Heisenberg direktør for Max-Planck-instituttet for fysik, som flyttede fra Göttingen til München i 1958 og blev omdøbt til Max-Planck-Institut für Physik. Forskeren stod i spidsen for denne institution indtil sin pensionering i 1970. Han brugte sin indflydelse til at oprette nye institutter inden for selskabet - Karlsruhe Research Centre (nu en del af universitetet i Karlsruhe), Institut for Plasmafysik og Institut for Extraterrestrisk Fysik. I 1953 blev han den første efterkrigspræsident for Alexander von Humboldt-stiftelsen, som havde til formål at fremme udenlandske videnskabsmænd, der ønskede at arbejde i Tyskland. Heisenberg havde denne stilling i to årtier og sikrede, at fonden og dens struktur var uafhængig og fri for de bureaukratiske mangler ved statslige organer.

På trods af sine mange administrative og sociale forpligtelser fortsatte han sit videnskabelige arbejde og fokuserede i de seneste år på forsøg på at udvikle en forenet feltteori. Medlemmerne af hans gruppe i Göttingen omfattede på forskellige tidspunkter Karl von Weizsäcker, Kazuhiko Nishijima, Harry Lehmann (Physiker), Gerhart Lüders, Reinhard Oehme, Walter Thierring, Bruno Zumino, Hans-Peter Dürr og andre. Efter sin pensionering talte Heisenberg hovedsagelig om generelle eller filosofiske spørgsmål inden for naturvidenskaben. I 1975 begyndte hans helbred at forværres, og den 1. februar 1976 døde han. Den berømte fysiker Eugene Wigner skrev i den anledning:

Der er ingen nulevende teoretisk fysiker, der har ydet et større bidrag til vores videnskab end han. Samtidig var han venlig over for alle, uden arrogance og holdt os i behageligt selskab.

Den gamle kvanteteori

De tidlige 1920'ere i atomfysikken var tiden for den såkaldte "gamle kvanteteori", som oprindeligt var baseret på Niels Bohrs idéer, der blev udviklet i Sommerfelds og andre videnskabsmænds arbejde. En af de vigtigste metoder til at opnå nye resultater var Bohrs korrespondanceprincip. På trods af en række succeser var mange spørgsmål endnu ikke løst på en tilfredsstillende måde, navnlig problemet med flere vekselvirkende partikler og problemet med rumlig kvantisering. Desuden var selve teorien inkonsekvent: Newtons klassiske love kunne kun anvendes på stationære elektronbaner, mens overgangen mellem disse baner ikke kunne beskrives på dette grundlag.

Sommerfeld, der var klar over alle disse vanskeligheder, engagerede Heisenberg til at arbejde på teorien. Hans første artikel, der blev offentliggjort i begyndelsen af 1922, omhandlede en fænomenologisk model for Zeeman-effekten. Dette arbejde, som foreslog en dristig model for atomrammen, der interagerer med valenselektroner, og som indførte halvt heltals kvantetal, gjorde straks den unge videnskabsmand til en af de førende inden for teoretisk spektroskopi. Efterfølgende artikler diskuterede bredden og intensiteten af spektrallinjer og deres zeemanske komponenter på grundlag af korrespondanceprincippet. De artikler, der blev skrevet i samarbejde med Max Born, behandlede generelle problemer i teorien om multielektronatomer (inden for rammerne af den klassiske forstyrrelsesteori), analyserede teorien om molekyler og foreslog et hierarki af intramolekylære bevægelser med forskellig energi (molekylære rotationer og vibrationer, elektroniske excitationer), evaluerede atomare polarisationsværdier og konkluderede, at det var nødvendigt at indføre halvt heltals kvantetal. En anden ændring af kvantrelationerne, som bestod i at tildele kvantetilstande i atomet to halvt hele værdier af kvantetal for vinkelimpulsmomentet, fulgte af overvejelser om den anomale Zeeman-effekt (denne ændring blev senere forklaret med tilstedeværelsen af elektronspin). Dette arbejde, på forslag af Born, tjente som Habilitationsschrift, dvs. grundlaget for den habilitering, som Heisenberg fik som 22-årig ved universitetet i Göttingen.

Det fælles arbejde med Hendrik Kramers, skrevet i København, indeholdt en formulering af dispersionsteori, som generaliserede nyere resultater af Born og Kramers selv. Det resulterede i kvanteteoretiske analoger til dispersionsformler for atomets polariserbarhed i en given stationær tilstand, idet der tages hensyn til muligheden for overgange til højere og lavere tilstande. Dette vigtige arbejde, der blev offentliggjort i begyndelsen af 1925, var den umiddelbare forløber for den første formulering af kvantemekanikken.

Oprettelse af matrixmekanik

Heisenberg var ikke tilfreds med teorien, som krævede at løse hvert enkelt problem inden for den klassiske fysik og derefter oversætte det til kvantesprog ved hjælp af korrespondanceprincippet. En sådan fremgangsmåde gav ikke altid resultater og var i høj grad afhængig af forskerens intuition. I foråret 1925 besluttede Heisenberg, der søgte efter en streng og logisk konsistent formalisme, at opgive den gamle beskrivelse og erstatte den med en beskrivelse i form af de såkaldte observerbare størrelser. Denne idé var påvirket af Albert Einsteins arbejde, som gav en relativistisk definition af tid i stedet for den uobserverbare newtonske absolutte tid. (Allerede i april 1926 bemærkede Einstein dog i en privat samtale med Heisenberg, at det er teorien, der bestemmer, hvilke størrelser der er observerbare og hvilke der ikke er det). Heisenberg afviste de klassiske begreber om elektronens position og impuls i atomet og overvejede frekvens og amplitude af svingninger, som kan bestemmes ud fra optiske eksperimenter. Det lykkedes ham at repræsentere disse størrelser som sæt af komplekse tal og at give reglen for deres multiplikation, som viste sig at være ikke kommutativ, og derefter at anvende den udviklede metode på problemet med den anharmoniske oscillator. For et særligt tilfælde af den harmoniske oscillator fulgte det naturligt, at der findes den såkaldte "nulpunktsenergi". Således blev korrespondanceprincippet inddraget i selve grundlaget for den udviklede matematiske ordning.

Heisenberg fandt løsningen i juni 1925 på øen Helgoland, hvor han var ved at komme sig efter et anfald af høfeber. Da han vendte tilbage til Göttingen, beskrev han sine resultater i en artikel "Om den kvanteteoretiske fortolkning af kinematiske og mekaniske relationer" og sendte den til Wolfgang Pauli. Efter at have sikret sig sidstnævntes godkendelse gav Heisenberg opgaven til Born til offentliggørelse i tidsskriftet Zeitschrift für Physik, hvor den blev modtaget den 29. juli 1925. Born indså hurtigt, at de talmængder, der repræsenterede fysiske størrelser, ikke var andet end matricer, og at Heisenbergs regel for multiplikation af dem var matrixmultiplikationsreglen.

Generelt ventede matrixmekanikken på en temmelig passiv modtagelse fra fysikmiljøet, som ikke var særlig fortrolig med den matematiske formalisme af matricer, og som blev afskrækket af teoriens ekstreme abstrakthed. Kun få videnskabsmænd var meget opmærksomme på Heisenbergs artikel. Niels Bohr roste den f.eks. straks og udtalte, at "en ny æra af gensidig stimulering af mekanikken og matematikken er begyndt". Den første stringente formulering af matrixmekanikken blev givet af Born og Pascual Jordan i deres fælles artikel "On Quantum Mechanics", som blev afsluttet i september 1925. De opnåede den grundlæggende permutationsrelation (kvantebetingelse) for koordinat- og impulsmatricer. Heisenberg blev hurtigt involveret i denne forskning, som kulminerede i det berømte "tremandsarbejde" (Drei-Männer Arbeit), der blev afsluttet i november 1925. Det præsenterede en generel metode til løsning af problemer inden for rammerne af matrixmekanikken, især ved at betragte systemer med et vilkårligt antal frihedsgrader, indføre kanoniske transformationer, give de grundlæggende elementer i kvantemekanisk forstyrrelsesteori, løse problemet med kvantisering af vinkelimpulsmængden, diskutere udvælgelsesregler og en række andre spørgsmål.

Yderligere ændringer af matrixmekanikken foregik langs to hovedlinjer: generalisering af matricer i form af operatorer, udført af Born og Norbert Wiener, og repræsentation af teorien i algebraisk form (inden for Hamilton-formalismen), udviklet af Paul Dirac. Sidstnævnte mindede mange år senere om, hvor stimulerende matrixmekanikkens fremkomst havde været for den videre udvikling af atomfysikken:

Jeg har den mest overbevisende grund til at være en beundrer af Werner Heisenberg. Vi studerede på samme tid, var næsten lige gamle og arbejdede på det samme problem. Heisenberg lykkedes, hvor jeg havde fejlet. På det tidspunkt havde der samlet sig en enorm mængde spektroskopisk materiale, og Heisenberg havde fundet den rigtige vej gennem sin labyrint. Dermed indvarslede han en guldalder for teoretisk fysik, og snart kunne selv en andenrangsstuderende udføre førsteklasses arbejde.

Forholdet mellem usikkerhederne

I begyndelsen af 1926 begyndte Erwin Schrödingers arbejde om bølgemekanik, som beskrev atomare processer i den sædvanlige form af kontinuerte differentialligninger, og som, som det snart blev klart, var matematisk identisk med matrixformalismen, at blive trykt. Heisenberg var kritisk over for den nye teori og især over for dens oprindelige fortolkning som omhandlende reelle bølger, der bærer en elektrisk ladning. Og selv fremkomsten af den bornske sandsynlighedsbehandling af bølgefunktionen løste ikke problemet med fortolkningen af formalismen, dvs. at klarlægge betydningen af de anvendte begreber i den. Behovet for en løsning på dette problem blev særlig klart i september 1926 efter Schrödingers besøg i København, hvor han i en lang diskussion med Bohr og Heisenberg forsvarede billedet af kontinuitet i atomfænomenerne og kritiserede begrebet diskrethed og kvantespring.

Udgangspunktet for Heisenbergs analyse var erkendelsen af behovet for at justere klassiske begreber (såsom "koordinat" og "impuls"), så de kunne bruges i mikrofysikken, ligesom relativitetsteorien havde justeret begreberne rum og tid og dermed givet mening til Lorentz-transformationsformalismen. Han fandt en udvej ved at indføre en grænse for brugen af de klassiske begreber, som matematisk udtrykkes i form af usikkerhedsrelationen: "Jo mere præcist positionen defineres, jo mindre præcist kender man momentet og omvendt". Han demonstrerede sine konklusioner med et berømt tankeeksperiment med et gammastrålemikroskop. Heisenberg redegjorde for sine resultater i et 14 siders brev til Pauli, som roste dem. Bohr, der var vendt tilbage fra ferie i Norge, var ikke helt tilfreds og kom med en række kommentarer, men Heisenberg nægtede at foretage ændringer i sin tekst og nævnte Bohrs forslag i et efterskrift. En artikel "Om det illustrative indhold af kvanteteoretisk kinematik og mekanik" med en detaljeret beskrivelse af usikkerhedsprincippet blev modtaget af redaktørerne af Zeitschrift für Physik den 23. marts 1927.

Usikkerhedsprincippet spillede ikke blot en vigtig rolle i udviklingen af kvantemekanikkens fortolkning, men rejste også en række filosofiske problemer. Bohr knyttede det til det mere generelle begreb om additionalitet, som han samtidig udviklede: han fortolkede usikkerhedsrelationerne som et matematisk udtryk for den grænse, hvortil gensidigt udelukkende (supplerende) begreber er mulige. Desuden henledte Heisenbergs artikel fysikeres og filosoffers opmærksomhed på begrebet måling samt på en ny, usædvanlig forståelse af kausalitet, som forfatteren foreslog: "... i en stærk formulering af kausalitetsloven: 'hvis man kender nutiden præcist, kan man forudsige fremtiden', er præmissen forkert, ikke konklusionen. Vi kan i princippet ikke kende nutiden i alle dens detaljer". Senere, i 1929, introducerede han i kvanteteorien begrebet "bølgepakke-kollaps", som blev et af de grundlæggende begreber inden for den såkaldte "københavnske fortolkning" af kvantemekanikken.

Anvendelse af kvantemekanikken

Kvantemekanikkens fremkomst (først i matrixform og derefter i bølgeform), som straks blev anerkendt af det videnskabelige samfund, stimulerede hurtige fremskridt i udviklingen af kvantekoncepter og løste en række specifikke problemer. Heisenberg selv afsluttede i marts 1926 en fælles artikel sammen med Jordan, hvori han forklarede den anomale Zeeman-effekt ved hjælp af Gaudsmit- og Uhlenbeck-hypotesen om elektroners spin. I sine senere artikler, som allerede var skrevet under anvendelse af Schrödinger-formalismen, overvejede han flerpartikelsystemer og viste betydningen af symmetri af tilstande for forståelsen af spektrale træk ved helium (termerne para- og orthohelium), lithiumioner og to-krom-molekyler, hvilket førte til konklusionen om eksistensen af to allotropiske former af brint, ortho- og para-brint. Faktisk nåede Heisenberg uafhængigt frem til Fermi-Dirac-statistikken for systemer, der opfylder Pauli-princippet.

I 1928 grundlagde Heisenberg kvanteteorien om ferromagnetisme (Heisenberg-modellen) ved hjælp af begrebet om udvekslingskræfter mellem elektroner for at forklare det såkaldte "molekylære felt", som Pierre Weiss introducerede i 1907. I dette tilfælde spillede den relative retning af elektronspins en afgørende rolle, idet den bestemte symmetrien af den rumlige del af bølgefunktionen og dermed påvirkede den rumlige fordeling af elektronerne og den elektrostatiske vekselvirkning mellem dem. I anden halvdel af 1940'erne gjorde Heisenberg et mislykket forsøg på at konstruere en teori om superledning, der kun tog hensyn til den elektrostatiske vekselvirkning mellem elektronerne.

Kvanteelektrodynamik

Siden slutningen af 1927 var det største problem, som Heisenberg beskæftigede sig med, opbygningen af kvanteelektrodynamikken, som ikke blot skulle tage hensyn til tilstedeværelsen af et kvantiseret elektromagnetisk felt, men også til dets interaktion med relativistiske ladede partikler. Dirac-ligningen for den relativistiske elektron, der blev fremlagt i begyndelsen af 1928, viste på den ene side den rigtige vej, men gav på den anden side anledning til en række problemer, der tilsyneladende var uløselige - problemet med elektronens egenenergi, der var forbundet med fremkomsten af et uendeligt stort additiv til partikelmassen, og problemet med tilstande med negativ energi. Heisenbergs forskning sammen med Pauli gik i hårdknude, og han opgav den midlertidigt og begyndte at arbejde med teorien om ferromagnetisme. Først i begyndelsen af 1929 lykkedes det dem at gå videre med at konstruere et generelt skema for relativistisk teori, som blev skitseret i et papir, der blev afsluttet i marts samme år. Det foreslåede skema var baseret på en kvantiseringsprocedure af den klassiske feltteori, der indeholdt en relativistisk invariant lagrangian. Forskerne anvendte denne formalisme på et system med et elektromagnetisk felt og materiebølger, der interagerer med hinanden. I den følgende artikel, der blev offentliggjort i 1930, forenklede de teorien betydeligt ved hjælp af symmetriovervejelser, der stammer fra kommunikation med den berømte matematiker Hermann Weyl. Det drejede sig først og fremmest om overvejelser om gaugeinvarians, som gjorde det muligt at slippe af med nogle kunstige konstruktioner i den oprindelige formulering.

Selv om Heisenberg og Paulis forsøg på at konstruere kvanteelektrodynamikken udvidede grænserne for atomteorien betydeligt til at omfatte en række kendte resultater, viste det sig ikke at kunne fjerne de divergenser, der er forbundet med punktelektronens uendelige egenenergi. Alle senere forsøg på at løse dette problem, herunder radikale forsøg som rumkvantisering (gittermodellen), mislykkedes. Løsningen blev fundet meget senere inden for rammerne af renormaliseringsteorien.

Siden 1932 har Heisenberg været meget opmærksom på fænomenet kosmisk stråling, som efter hans mening gav mulighed for en seriøs afprøvning af teoretiske begreber. Det var i den kosmiske stråling, at Carl Anderson opdagede positronen, som Dirac tidligere havde forudsagt (Diracs "hul"). I 1934 udviklede Heisenberg hulteorien ved at inddrage positroner i kvanteelektrodynamikkens formalisme. Samtidig postulerede han ligesom Dirac eksistensen af vakuumpolarisationsfænomenet og beregnede i 1936 sammen med Hans Euler kvantekorrektioner til Maxwells ligninger i forbindelse med denne effekt (den såkaldte Heisenberg-Euler-lagrangian).

Kernefysik

I 1932, kort efter opdagelsen af neutronen af James Chadwick, Heisenberg foreslog ideen om en proton-neutron struktur af atomkernen (noget tidligere var det blevet uafhængigt foreslået af Dmitri Ivanenko) og i tre artikler han forsøgte at konstruere en kvantemekanisk teori af en sådan kerne. Selv om denne hypotese løste mange af vanskelighederne ved den tidligere (proton-elektron)-model, var oprindelsen af de elektroner, der udsendes i beta-henfaldsprocesser, nogle af de statistiske træk ved kernepartikler og arten af kræfterne mellem nukleoner fortsat uklare. Heisenberg forsøgte at afklare disse spørgsmål ved at antage, at der eksisterer udvekslingsinteraktioner mellem protoner og neutroner i kernen, som svarer til kræfterne mellem protonen og brintatomet, der danner brintmolekylærionen. Denne vekselvirkning skulle foregå via elektroner, der udveksles mellem neutronen og protonen, men disse kerneelektroner måtte tilskrives "forkerte" egenskaber (de skulle navnlig være spindelløse, dvs. bosoner). Vekselvirkningen mellem neutroner blev beskrevet på samme måde som vekselvirkningen mellem to neutrale atomer i et brintmolekyle. Her foreslog videnskabsmanden for første gang ideen om isotopisk invarians i forbindelse med ladningsudveksling mellem nukleoner og ladningsuafhængighed af atomkræfter. Yderligere forbedringer af denne model blev foretaget af Ettore Majorana, som opdagede kernekræfternes mætningseffekt.

Efter fremkomsten i 1934 af teorien om beta-henfald, udviklet af Enrico Fermi, gik Heisenberg ind i dens udvidelse og foreslog, at kernekræfterne ikke skyldes udveksling af elektroner, men elektron- neutrino-par (uafhængigt af hinanden blev denne idé udviklet af Ivanenko, Igor Tamm og Arnold Nordsik). Størrelsen af denne vekselvirkning var imidlertid meget mindre end vist ved eksperimentet. Ikke desto mindre forblev denne model (med nogle tilføjelser) dominerende indtil Hideki Yukawa's teori, som postulerede eksistensen af tungere partikler, der muliggjorde vekselvirkningen mellem neutroner og protoner i kernen. I 1938 udviklede Heisenberg og Euler metoder til analyse af absorptionsdata fra kosmisk stråling og kunne for første gang give et skøn over levetiden for en partikel ("mesotron" eller meson, som den senere blev kaldt), der tilhører strålingens hårde komponent, og som i første omgang blev forbundet med den hypotetiske Yukawa-partikel. I det følgende år analyserede Heisenberg begrænsningerne i de eksisterende kvanteteorier om vekselvirkninger mellem elementarpartikler baseret på forstyrrelsesteori og diskuterede muligheden for at gå videre end disse teorier til det høje energiområde, der kan opnås i den kosmiske stråling. På dette område er det muligt, at der kan opstå flere partikler i kosmisk stråling, hvilket han overvejede inden for rammerne af teorien om vektormesoner.

Kvantefeltteori

I en serie af tre artikler skrevet mellem september 1942 og maj 1944 foreslog Heisenberg en radikal måde at slippe af med divergensen i kvantefeltteorien. Ideen om en fundamental længde (rumkvanten) fik ham til at opgive beskrivelsen ved hjælp af en kontinuert Schrödinger-ligning. Han vendte tilbage til begrebet observabler, hvis indbyrdes relationer skal danne grundlag for en fremtidig teori. Med hensyn til relationerne mellem disse størrelser, som han entydigt henviste til energier af stationære tilstande og bølgefunktionens asymptotiske opførsel i sprednings-, absorptions- og emissionsprocesser, indførte han (uafhængigt af John Wheeler, der gjorde det i 1937) begrebet S-matrix (spredningsmatrix), dvs. den operatør, der omdanner en indfaldende bølgefunktion til en spredt bølgefunktion. Ifølge Heisenbergs idé skulle S-matrixen erstatte Hamiltonianen i den fremtidige teori. På trods af vanskelighederne med udveksling af videnskabelige oplysninger under krigsforhold blev teorien om spredningsmatrixen hurtigt taget op af en række videnskabsmænd (Ernst Stückelberg i Genève, Hendrik Kramers i Leiden, Christian Møller i København, Pauli i Princeton), som gik i gang med at videreudvikle formalismen og præcisere dens fysiske aspekter. Med tiden blev det imidlertid klart, at denne teori i sin rene form ikke kan blive et alternativ til den almindelige kvantefeltteori, men kan være et af de nyttige matematiske redskaber inden for denne. Navnlig anvendes den (i modificeret form) i Feynman-formalismen for kvanteelektrodynamikken. S-matrix-begrebet, suppleret med en række betingelser, har indtaget en central plads i formuleringen af den såkaldte aksiomatiske kvantefeltteori og senere i udviklingen af strengteorien.

I efterkrigstiden opstod der med det stigende antal nyopdagede elementarpartikler et problem med at beskrive dem med så få felter og vekselvirkninger som muligt, i det enkleste tilfælde - et enkelt felt (så kan vi tale om en "forenet feltteori"). Siden ca. 1950 har problemet med at finde den rigtige ligning til at beskrive et enkelt felt været i centrum for Heisenbergs videnskabelige arbejde. Hans tilgang var baseret på en ikke-lineær generalisering af Dirac-ligningen og tilstedeværelsen af en vis fundamental længde (i størrelsesordenen den klassiske elektronradius), der begrænser anvendeligheden af den almindelige kvantemekanik. Generelt blev denne retning, som straks blev konfronteret med formidable matematiske problemer og nødvendigheden af at tage højde for enorme mængder af eksperimentelle data, accepteret skeptisk af det videnskabelige samfund og blev næsten udelukkende udviklet i Heisenbergs gruppe. Selv om det ikke lykkedes, og kvanteteoriens udvikling hovedsageligt fortsatte ad andre veje, har nogle af de ideer og metoder, der optræder i den tyske videnskabsmands værker, spillet en rolle i denne videre udvikling. Især idéen om at fremstille neutrinoen som en guldstenspartikel, der opstår som følge af spontant symmetribrud, har påvirket udviklingen af supersymmetrikonceptet.

Hydrodynamik

Heisenberg begyndte at beskæftige sig med de grundlæggende problemer i hydrodynamikken i begyndelsen af 1920'erne, i sin første artikel forsøgte han, efter Theodore von Karman, at bestemme parametrene for den hvirvelhale, der opstår bag en bevægelig plade. I sin doktordisputats undersøgte han stabiliteten af laminar strømning og turbulensens karakter ved hjælp af et eksempel på væskestrømning mellem to planparallelle plader. Han kunne vise, at laminær strømning, der er stabil ved lave Reynoldstal (under en kritisk værdi), først bliver ustabil, men at stabiliteten øges ved meget høje værdier (kun langbølgeforstyrrelser er ustabile). Heisenberg vendte tilbage til turbulensproblemet i 1945, da han blev interneret i England. Han udviklede en tilgang baseret på statistisk mekanik, som var meget lig de ideer, der blev udviklet af Geoffrey Taylor, Andrei Kolmogorov og andre forskere. Han var især i stand til at vise, hvordan energi udveksles mellem hvirvler af forskellig størrelse.

Forholdet til det nazistiske regime

Kort efter Hitlers magtovertagelse i januar 1933 begyndte en grov politisk invasion af det etablerede universitetsliv med det formål at "rense" videnskab og uddannelse for jøder og andre uønskede elementer. Heisenberg var ligesom mange af sine kolleger chokeret over det nye regimes rene anti-intellektualisme, som nødvendigvis ville svække den tyske videnskab. I første omgang var han dog stadig tilbøjelig til at fremhæve de positive træk ved de forandringer, der fandt sted i landet. Den nazistiske retorik om tysk renæssance og tysk kultur synes at have tiltrukket ham på grund af dens nærhed til de romantiske idealer, som ungdomsbevægelsen efter Første Verdenskrig gik ind for. Som David Cassidy, videnskabsmandens biograf, bemærker, var den passivitet, hvormed Heisenberg og hans kolleger opfattede forandringerne, sandsynligvis forbundet med traditionen for at betragte videnskaben som en institution uden for politik.

Heisenbergs, Max Plancks og Max von Laues forsøg på at ændre politikken over for jødiske videnskabsmænd eller i det mindste at afbøde dens virkninger gennem personlige kontakter og andragender gennem officielle bureaukratiske kanaler var forgæves. Siden efteråret 1933 blev "ikke-ariere", kvinder og personer med venstreorienterede holdninger udelukket fra at undervise, og fra 1938 skulle kommende undervisere bevise deres politiske egnethed. I denne situation forsøgte Heisenberg og hans kolleger, der betragtede bevarelsen af den tyske fysik som en prioritet, at erstatte de ledige stillinger med tyske eller endog udenlandske forskere, hvilket blev negativt modtaget af det videnskabelige samfund og heller ikke nåede sit mål. En sidste udvej var at træde tilbage i protest, men Planck afholdte Heisenberg ved at påpege vigtigheden af fysikkens overlevelse på trods af den katastrofe, der ventede Tyskland i fremtiden.

Ønsket om at fastholde deres upolitiske holdning forhindrede ikke blot Heisenberg og andre videnskabsmænd i at gøre modstand mod den voksende antisemitisme i universitetskredse, men bragte dem også snart selv under alvorligt angreb fra "ariske fysikere". I 1935 intensiveredes angrebene mod den "jødiske fysik", som omfattede relativitetsteorien og kvantemekanikken. Disse aktioner, der blev støttet af den officielle presse, blev ledet af aktive tilhængere af naziregimet, Nobelpristagerne Johannes Stark og Philipp Lenard. Afskedigelsen af Arnold Sommerfeld, som havde valgt sin berømte elev til at efterfølge ham som professor ved universitetet i München, gav anledning til angreb på Heisenberg, som af Stark i december 1935 blev stemplet som "Geist von Einsteins Geist" (tysk: Geist von Einsteins Geist). Videnskabsmanden offentliggjorde et svar i den nazistiske partiavis Völkischer Beobachter, hvori han opfordrede til, at der skulle lægges mere vægt på grundlæggende fysiske teorier. I foråret 1936 lykkedes det Heisenberg sammen med Hans Geiger og Max Wien at samle 75 professorers underskrifter på en underskriftsindsamling til støtte for denne opfordring. Disse modforanstaltninger syntes at få det kejserlige undervisningsministerium til at bøje sig på videnskabernes side, men den 15. juli 1937 ændrede situationen sig endnu en gang. Den dag offentliggjorde den officielle SS-avis Das Schwarze Korps en stor artikel af Stark med titlen "Hvide jøder i videnskaben" ("Weisse Juden" in der Wissenschaft), hvori han proklamerede behovet for at fjerne den "jødiske ånd" fra den tyske fysik. Heisenberg blev personligt truet med at blive sendt til en koncentrationslejr og kaldt "fysikkens Ossietzky". På trods af en række invitationer fra udlandet til ham på dette tidspunkt var Heisenberg ikke villig til at forlade landet og besluttede at forhandle med regeringen. David Cassidy gav følgende billede af dette vanskelige valg

Hvis regimet havde genetableret hans overordnede status, ville han have accepteret de kompromiser, der blev krævet, og desuden have overbevist sig selv om retfærdigheden af den nye retfærdiggørelse: med det personlige offer for at forblive i sin stilling forsvarede han i realiteten den korrekte tyske fysik mod nationalsocialismens forvrængning.

Heisenberg fulgte den valgte kurs og skrev to officielle breve - til rigsundervisningsministeriet og til SS Reichsführer Heinrich Himmler - hvori han krævede et officielt svar på Starks og hans tilhængere handlinger. I brevene erklærede han, at hvis angrebene blev officielt godkendt af myndighederne, ville han fratræde sin stilling; hvis ikke, krævede han statslig beskyttelse. Takket være et bekendtskab mellem videnskabsmandens mor og Himmlers mor nåede brevet frem til sin destination. Der gik dog næsten et år, hvor Heisenberg blev afhørt af Gestapo, hvor hans samtaler i hjemmet blev aflyttet og hans handlinger udspioneret, før han fik et positivt svar fra en højtstående rigsembedsmand. Stillingen som professor i München blev dog alligevel givet til en anden, mere partitro kandidat.

Startskuddet til uranprojektet. Rejse til København

Det kompromis, der blev indgået mellem Heisenberg og den nazistiske ledelse, blev billedligt talt beskrevet af Cassidy som en faustisk handel. På den ene side betød succesen mod de "ariske fysikere" og den offentlige rehabilitering af videnskabsmanden en anerkendelse af hans betydning (og hans kollegers betydning) for opretholdelsen af et højt niveau af fysikuddannelse og forskning i landet. Den anden side af dette kompromis var de tyske videnskabsmænds (herunder Heisenberg) villighed til at samarbejde med myndighederne og deltage i det Tredje Riges militære udvikling. Relevansen af sidstnævnte blev især øget med udbruddet af Anden Verdenskrig, ikke kun for hæren, men også for videnskabsmændene selv, da samarbejdet med militæret fungerede som en pålidelig beskyttelse mod indkaldelse til fronten. Der var en anden side af Heisenbergs aftale om at arbejde for den nazistiske regering, som Mott og Peierls udtrykker det således

...Det er rimeligt at antage, at han ønskede, at Tyskland skulle vinde krigen. Han accepterede ikke mange aspekter af det nazistiske regime, men han var patriot. At ønske, at hans land skulle besejres, ville have indebåret langt mere oprørske synspunkter end dem, han havde.

Allerede i september 1939 støttede hærens ledelse oprettelsen af den såkaldte "Uranclub" (Uranverein) for at udforske mulighederne for at udnytte den nukleare spaltning af uran, som Otto Hahn og Fritz Strassmann opdagede i slutningen af 1938, nærmere. Heisenberg var blandt de inviterede til en af de første drøftelser af problemet den 26. september 1939, hvor projektets hovedlinjer og muligheden for militære anvendelser af kerneenergi blev skitseret. Forskeren skulle teoretisk undersøge driften af "uranmaskinen", som atomreaktoren dengang blev kaldt, og det var meningen, at han skulle undersøge den teoretisk. I december 1939 fremlagde han sin første klassificerede rapport med en teoretisk analyse af muligheden for at generere energi ved hjælp af kernespaltning. I denne rapport blev der foreslået kulstof og tungt vand som moderatorer, men fra sommeren 1940 blev det besluttet at anvende sidstnævnte som en mere økonomisk og økonomisk overkommelig løsning (det var allerede blevet produceret i det besatte Norge).

Efter sin rehabilitering af den nazistiske ledelse fik Heisenberg lov til at holde foredrag ikke kun i Tyskland, men også i andre europæiske lande (herunder de besatte lande). Set fra partibureaukraternes synspunkt skulle han tjene som indbegrebet af den tyske videnskabs velstand. Mark Walker, en anerkendt ekspert i den tyske videnskabs historie i denne periode, skrev om emnet:

Det er klart, at Heisenberg arbejdede for den nazistiske propaganda uden at vide det, måske endda ubevidst. Det er imidlertid lige så klart, at de pågældende nationalsocialistiske embedsmænd brugte ham til propagandaformål, at hans aktiviteter var effektive i denne henseende, og at hans udenlandske kolleger havde grund til at tro, at han fremmede nazismen ... Sådanne udenlandske foredragsrejser forgiftede måske mere end noget andet hans forhold til mange udenlandske kolleger og tidligere venner uden for Tyskland.

Det måske mest berømte eksempel på en sådan rejse var et møde med Niels Bohr i København i september 1941. Detaljerne i samtalen mellem de to videnskabsmænd er ikke kendt, og fortolkningerne varierer meget. Ifølge Heisenberg selv ønskede han at kende sin lærers mening om det moralske aspekt af skabelsen af nye våben, men fordi han ikke kunne tale åbent, misforstod Bohr ham. Danskeren gav en meget anderledes fortolkning af mødet. Han fik det indtryk, at tyskerne arbejdede intensivt med uranemnet, og Heisenberg ville vide, hvad han vidste om det. Desuden mente Bohr, at hans gæst havde foreslået ham at samarbejde med nazisterne. Den danske videnskabsmands synspunkter blev afspejlet i udkast til breve, som blev offentliggjort første gang i 2002 og meget omtalt i pressen.

I 1998 havde det engelske skuespil Copenhagen af den engelske dramatiker Michael Frayn premiere i London, der fokuserer på en episode i Bohrs og Heisenbergs forhold, som ikke blev fuldt ud belyst. Dets succes i Storbritannien og derefter på Broadway stimulerede debatten blandt fysikere og videnskabshistorikere om den tyske videnskabsmands rolle i skabelsen af "bomben til Hitler" og indholdet af samtalen med Bohr. Det er blevet foreslået, at Heisenberg gennem Bohr ønskede at kommunikere til de allierede fysikere, at de ikke skulle gå videre med atomvåben eller fokusere på en fredelig reaktor, som de tyske videnskabsmænd gjorde. Ifølge Walker fortalte Heisenberg i samtalen "tre ting: 1) tyskerne arbejder på atombomben; 2) han selv er ambivalent med hensyn til dette arbejde; 3) Bohr bør samarbejde med det tyske videnskabelige institut og med besættelsesmyndighederne". Det er derfor ikke overraskende, at danskeren, efter at være flyttet til England og derefter til USA i efteråret 1943, støttede den hurtige udvikling af atombomben i disse lande.

Forsøg på at bygge en reaktor

I begyndelsen af 1942 var det trods manglen på uran og tungt vand lykkedes forskellige grupper af forskere i Tyskland at gennemføre laboratorieforsøg med opmuntrende resultater med henblik på at bygge en "uranmaskine". I Leipzig lykkedes det Robert Döpel at opnå en positiv forøgelse af antallet af neutroner i den kugleformede geometri af uranlagene, som Heisenberg havde foreslået. I alt 70-100 videnskabsmænd i Tyskland arbejdede med uranproblemet i forskellige grupper, der var forenet af en fælles ledelse. Af stor betydning for projektets skæbne var en konference arrangeret af det militære videnskabelige råd i februar 1942 (et af foredragsholderne var Heisenberg). Selv om dette møde anerkendte kerneenergiens militære potentiale, men i betragtning af den aktuelle økonomiske og militære situation i Tyskland blev det besluttet, at dets anvendelse inden for en rimelig tid (ca. et år) ikke vil kunne opnås, og at dette nye våben derfor ikke ville kunne påvirke krigen. Ikke desto mindre blev atomforskningen anset for at være vigtig for fremtiden (både militært og fredeligt), og det blev besluttet at fortsætte med at finansiere den, men den overordnede ledelse blev overført fra militæret til det kejserlige forskningsråd. Denne beslutning blev bekræftet i juni 1942 på et møde mellem videnskabsfolk og våbenminister Albert Speer, og hovedmålet var at bygge en atomreaktor. Som Walker påpeger, viste beslutningen om ikke at føre arbejdet videre til et industrielt niveau sig at være afgørende for hele det tyske uranprojektets skæbne:

Selv om amerikansk og tysk forskning indtil da havde kørt parallelt, var amerikanerne snart foran tyskerne... Sammenligner man det arbejde, der blev udført siden vinteren 1941

For at kunne organisere arbejdet med "uranmaskinen" blev det fysiske institut i Berlin i juli 1942 overdraget til Kaiser Wilhelm-selskabet, og Heisenberg blev udnævnt til leder af instituttet (han blev også udnævnt til professor ved Berlins universitet). Da Peter Debye, der ikke var vendt tilbage fra USA, formelt set fortsat var instituttets direktør, var titlen på Heisenbergs stilling "direktør ved instituttet". På trods af materialemangel blev der i de følgende år i Berlin gennemført adskillige eksperimenter med henblik på at opnå en selvbærende kædereaktion i kernekedler af forskellig geometri. Dette mål blev næsten nået i februar 1945, det sidste eksperiment, som allerede var under evakuering, i et rum, der var hugget ud i en klippe i landsbyen Heigerloch (selve instituttet ligger i nærheden, i Hehingen). Det var her, at forskerne og anlægget blev taget til fange af den hemmelige Alsos-mission i april 1945.

Kort før de amerikanske tropper ankom, cyklede Heisenberg til den bayerske landsby Urfeld, hvor hans familie boede, og hvor han snart blev fundet af de allierede. I juli 1945 var han en af de ti store tyske videnskabsmænd, der var involveret i det nazistiske atomprojekt, og som blev interneret på Farm Hall i nærheden af Cambridge. Fysikerne blev holdt under konstant overvågning i seks måneder, og deres samtaler blev optaget med skjulte mikrofoner. Optagelserne blev frigivet af den britiske regering i februar 1992 og er et værdifuldt dokument om det tyske atomprojekts historie.

Drøftelser efter krigen

Kort efter afslutningen af verdenskrigen begyndte en ophedet debat om årsagerne til, at det ikke lykkedes tyske fysikere at bygge atombomben. I november 1946 offentliggjorde Die Naturwissenschaften en artikel af Heisenberg om det nazistiske atomprojekt i november 1946. Mark Walker fremhævede flere karakteristiske unøjagtigheder i den tyske videnskabsmands behandling af begivenhederne: nedtoning af den rolle, som fysikere med tætte forbindelser til militære kredse spillede, og som ikke lagde skjul på dette (vægt på en eksperimentel fejl, som førte til valget af tungt vand (i stedet for grafit) som moderator, selv om dette valg primært var drevet af økonomiske overvejelser); sløring af de tyske videnskabsmænds forståelse af atomreaktorens rolle i forbindelse med produktion af plutonium til våbenbrug; at tilskrive videnskabsfolkenes møde med minister Speer den afgørende rolle, der spillede en afgørende rolle for erkendelsen af, at det var umuligt at bygge atomvåben, før krigen var slut, selv om dette allerede tidligere var blevet erkendt af hærens ledelse, som havde besluttet ikke at industrialisere forskningen og ikke at spilde værdifulde ressourcer på den. I samme artikel optrådte Heisenbergs første antydning af, at de tyske fysikere (i hvert fald dem omkring Heisenberg) kontrollerede arbejdets forløb og af moralske grunde forsøgte at styre det væk fra udviklingen af atomvåben. Men som Walker bemærker

For det første kontrollerede Heisenberg og hans omgivelser ikke blot ikke den tyske indsats for at beherske kerneenergi, men de kunne heller ikke have gjort det, hvis de havde forsøgt, og for det andet var det takket være hærmyndighedernes beslutning i 1942 og den generelle krigssituation, at Heisenberg og andre videnskabsmænd, der arbejdede med kerneenergiproblemet, aldrig blev konfronteret med det vanskelige moralske dilemma, der opstår ved tanken om at fremstille kernevåben til nazisterne. Hvorfor ville de risikere at forsøge at ændre forskningens retning, hvis de var sikre på, at de ikke kunne påvirke krigens udfald?

Den anden side af debatten blev repræsenteret af Sam Goudsmit, der ved krigens slutning havde været videnskabelig leder af Alsos-missionen (tidligere havde han og Heisenberg været ret tætte venner). I en følelsesladet strid, der varede i flere år, hævdede Goudsmit, at hindringen for succes i Tyskland var videnskabens mangler i et totalitært samfund, men anklagede i virkeligheden de tyske videnskabsmænd for inkompetence, idet han mente, at de ikke fuldt ud forstod bombens fysik. Heisenberg protesterede kraftigt mod sidstnævnte påstand. Ifølge Walker "generede den skade, der blev påført hans omdømme som fysiker ham sandsynligvis mere end kritikken for at have tjent nazisterne.

Heisenbergs tese om "moralsk modstand" blev videreudviklet af Robert Jung i hans bestseller "Brighter than a Thousand Suns", hvor det faktisk blev hævdet, at tyske videnskabsmænd bevidst saboterede udviklingen af nye våben. Senere blev denne version også afspejlet i en bog af Thomas Powers. På den anden side blev Goudsmits idé om fysikeres inkompetence, der kom til udtryk under nazisterne, opfanget af general Leslie Groves, lederen af Manhattan-projektet, og senere udtrykt af Paul Lawrence Rose i hans bog. Ifølge Walker, der anså hovedårsagen til fiaskoen for at være de økonomiske vanskeligheder i krigsårene, var begge modsatrettede teser langt fra historisk korrekthed og afspejlede tidens behov: Heisenbergs tese skulle genoprette den tyske videnskabs rettigheder og rehabilitere videnskabsfolk, der samarbejdede med nazisterne, mens Goudsmits udtalelse tjente til at retfærdiggøre frygten for nazisternes atomvåben og de allieredes bestræbelser på at bygge dem. Mott og Pyerls delte også effektivt det synspunkt, at de tekniske vanskeligheder var afgørende, og at det var umuligt for Tyskland at gøre en så stor indsats under de herskende omstændigheder.

Begge modsatrettede synspunkter (sabotage og inkompetence) bekræftes ikke fuldt ud af de optagelser af de tyske fysikeres samtaler, der blev optaget under deres internering i Farm Hall. Desuden var det i Farm Hall, at de for første gang blev konfronteret med spørgsmålet om årsagerne til fiaskoen, for indtil Hiroshima-bombningen var de overbevist om, at de var langt foran amerikanerne og briterne inden for atomudvikling. I løbet af denne diskussion foreslog Karl von Weizsäcker for første gang netop den tanke, at de ikke byggede bomben, fordi "de ikke ville". Som historikeren Horst Kant påpeger, giver dette mening, fordi Heisenberg og Weizsäcker, i modsætning til Manhattan-projektet, ikke brugte al deres tid på atomudvikling. Især Heisenberg udviklede netop i 1942-1944 aktivt teorien om S-matrixen og følte måske bare ikke en særlig interesse for en rent militær forskning. Hans Bethe, der var leder af den teoretiske afdeling på Los Alamos Laboratory under krigen, konkluderede også på baggrund af Farm Hall-filmene, at Heisenberg ikke arbejdede på atombomben. Debatten fortsætter den dag i dag og er langt fra afsluttet, men Cassidy mener, at det er sikkert at betragte Heisenberg

...ikke som en helt eller en grusom skurk, men som en dybt talentfuld og veluddannet mand, der desværre fandt sig selv hjælpeløs under de frygtelige omstændigheder i sin tid, som han, ligesom de fleste mennesker, var fuldstændig uforberedt på.

Gennem hele sit liv var Heisenberg særlig opmærksom på videnskabens filosofiske grundlag, som han dedikerede en række af sine publikationer og taler til. I slutningen af 1950'erne udgav han Physics and Philosophy, en tekst til Gifford Lectures ved University of St Andrews, og ti år senere udgav han sin selvbiografiske Part and the Whole, som Carl von Weizsäcker kaldte den eneste platoniske dialog i vor tid. Heisenberg blev introduceret til Platons filosofi som elev på det klassiske gymnasium i München, hvor han fik en humanistisk uddannelse af høj kvalitet. Desuden blev han stærkt påvirket af sin far, en vigtig filosofisk videnskabsmand. Heisenberg bevarede hele sit liv sin interesse for Platon og andre gamle filosoffer og mente endda, at "man kan næppe komme videre i den moderne atomfysik uden at kende den græske filosofi". I udviklingen af den teoretiske fysik i anden halvdel af det 20. århundrede så han en tilbagevenden (på et andet niveau) til nogle af Platons atomistiske ideer:

Hvis vi ønsker at sammenligne resultaterne af moderne partikelfysik med ideer fra en af de gamle filosoffer, synes Platons filosofi at være den mest passende: Partikler i moderne fysik er repræsentanter for symmetriske grupper, og i denne henseende ligner de symmetriske figurer i Platons filosofi.

Det var de symmetrier, der bestemmer elementarpartiklernes egenskaber - ikke partiklerne selv - som Heisenberg betragtede som noget primært, og et af kriterierne for sandheden af en teori, der søger disse symmetrier og de tilhørende bevarelseslove, så han i dens skønhed og logiske konsistens. Indflydelsen fra Platons filosofi kan også ses i hans tidligere arbejde med kvantemekanikken. En anden inspirationskilde for tænkeren Heisenberg var Immanuel Kants arbejde, især hans begreb om a priori-viden og hans analyse af eksperimentel tænkning, som afspejles i fortolkningen af kvanteteorien. Kants indflydelse kan ses både i Heisenbergs ændring af kausalitetens betydning og i hans opfattelse af de fysiske størrelsers observerbarhed, som førte til fastlæggelsen af usikkerhedsprincippet og formuleringen af måleproblemet i mikrofysikken. Heisenbergs tidlige arbejde med kvantemekanikken blev indirekte påvirket af Ernst Machs positivistiske idéer (gennem Einsteins skrifter).

Ud over Einstein blev Heisenberg dybt påvirket af sit venskab og samarbejde med Niels Bohr, som lagde særlig vægt på fortolkningen af teorien og afklarede betydningen af de begreber, der blev brugt i den. Heisenberg, som Wolfgang Pauli i begyndelsen kaldte en ren formalist, tilegnede sig hurtigt Bohrs ideologi og bidrog i sit berømte arbejde om usikkerhedsrelationer i høj grad til en omdefinering af de klassiske begreber i mikrokosmos. Senere var han ikke blot en af hovedaktørerne i den endelige udformning af den såkaldte københavnske fortolkning af kvantemekanikken, men han vendte sig også gentagne gange mod en historisk og begrebsmæssig analyse af den moderne fysik. Filosoffen Anatolij Akhutin identificerede ideen om grænsen i bred forstand (begrebet om et organiserende centrum, omkring hvilket et samlet billede af verden og videnskaben bygges; problemet med at gå ud over den eksisterende viden og konstruere et nyt billede af virkeligheden ("skridt ud over horisonten") som et hovedmotiv i Heisenbergs ræsonnementer.

Kilder

1. Werner Heisenberg
2. Гейзенберг, Вернер
3. 1 2 Архив по истории математики Мактьютор — 1994.
4. 1 2 Beyler R. Werner Heisenberg // Encyclopædia Britannica (англ.)
5. Гейзенберг Вернер // Большая советская энциклопедия: [в 30 т.] / под ред. А. М. Прохорова — 3-е изд. — М.: Советская энциклопедия, 1969.
6. ^ a b Heisenberg's work on quantum physics was preceded by a quarter century of research by other authors on the old quantum theory.
7. Werner Heisenberg: Der Teil und das Ganze. R. Piper & Co. Verlag, München 1969, S. 30.
8. Cassidy: Heisenberg, physics and the bomb. Bellevue Literary Press, 2009, S. 119.
9. Heisenberg: The Physical Principles of Quantum Mechanics. University of Chicago Press, 1930, S. 21.
10. Die Grade waren summa cum laude, magna cum laude, cum laude und als schlechteste Note ein einfaches bestanden.
11. ^ Werner Karl Heisenberg | MATEpristem, su matematica.unibocconi.eu. URL consultato il 1º giugno 2024.