Streszczenie

Werner Carl Heisenberg (5 grudnia 1901, Würzburg - 1 lutego 1976, Monachium) był niemieckim fizykiem teoretycznym, jednym z twórców mechaniki kwantowej, laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki (1932) oraz członkiem wielu akademii i towarzystw naukowych.

Heisenberg jest autorem wielu fundamentalnych wyników w teorii kwantowej: położył podwaliny pod mechanikę macierzową, sformułował relację nieoznaczoności, zastosował formalizm mechaniki kwantowej do problemów ferromagnetyzmu, anomalnego efektu Zeemana i innych. Później aktywnie uczestniczył w rozwoju elektrodynamiki kwantowej (teoria Heisenberga-Pauliego) i kwantowej teorii pola (teoria macierzy S), a w ostatnich dekadach życia próbował stworzyć zunifikowaną nieliniową spinorową teorię pola. Heisenberg jest autorem jednej z pierwszych kwantowo-mechanicznych teorii sił jądrowych, podczas II wojny światowej był głównym teoretykiem niemieckiego projektu nuklearnego. Pracował również nad fizyką promieniowania kosmicznego, teorią turbulencji i filozoficznymi problemami nauk przyrodniczych. Heisenberg odegrał ważną rolę w organizacji badań naukowych w powojennych Niemczech.

Lata młodzieńcze (1901-1920)

Werner Heisenberg urodził się w Würzburgu jako syn Augusta Heisenberga, profesora średniowiecznej i nowożytnej filologii greckiej, oraz Annie Wecklein, córki dyrektora Maximilian Gymnasium w Monachium. Był drugim dzieckiem w rodzinie, jego starszy brat Erwin (1900-1965) został później chemikiem. Rodzina przeprowadziła się do Monachium w 1910 roku, gdzie Werner uczęszczał do szkoły, wyróżniając się w matematyce, fizyce i gramatyce. Jego nauka została przerwana wiosną 1918 roku, kiedy wraz z innymi 16-latkami został wysłany na farmę do prac pomocniczych. W tym czasie poważnie zainteresował się filozofią, czytając Platona i Kanta. Po zakończeniu I wojny światowej kraj i miasto znajdowały się w niepewnej sytuacji, władza zmieniała się z jednej grupy politycznej na drugą. Wiosną 1919 r. Heisenberg krótko służył jako zakrystianin, pomagając oddziałom nowego bawarskiego rządu, który wkroczył do miasta. Następnie zaangażował się w ruch młodzieżowy, którego część zdecydowanie sprzeciwiała się status quo, starym tradycjom i uprzedzeniom. Oto jak sam Heisenberg wspominał jedno ze spotkań tych młodych ludzi:

Było wiele przemówień, których patos wydawałby się nam dziś obcy. Co jest ważniejsze, los naszego narodu czy los ludzkości; czy ofiarna śmierć poległych nie ma sensu w obliczu klęski; czy młodzi ludzie mają prawo do kształtowania własnego życia według własnych wyobrażeń o wartościach; co jest ważniejsze, wierność sobie czy starym formom, które od wieków porządkowały życie ludzi - o tym wszystkim mówiono i spierano się z pasją. Byłem zbyt niezdecydowany we wszystkich kwestiach, by wziąć udział w tych debatach, ale słuchałem ich raz za razem...

Jednak jego głównym zainteresowaniem w tym czasie nie była polityka, filozofia czy muzyka (Heisenberg był utalentowanym pianistą i, jak wspomina Felix Bloch, mógł grać na instrumencie godzinami), ale raczej matematyka i fizyka. Studiował je głównie niezależnie, a jego wiedza, która wykraczała daleko poza szkolny kurs, została szczególnie zauważona podczas egzaminów końcowych w gimnazjum. Podczas długiej choroby przeczytał książkę Hermanna Weilla "Przestrzeń, czas i materia" i był pod wrażeniem potęgi metod matematycznych i ich zastosowań, i zdecydował się studiować matematykę na Uniwersytecie w Monachium, gdzie zapisał się latem 1920 roku. Jednak Ferdinand von Lindemann, profesor matematyki, odmówił przyjęcia nowicjusza na swoje seminarium i za radą ojca Heisenberg udał się do znanego fizyka teoretycznego Arnolda Sommerfelda. Ten natychmiast zgodził się przyjąć Wernera do swojej grupy, w której pracował już młody Wolfgang Pauli, który wkrótce stał się bliskim przyjacielem Heisenberga.

Monachium - Getynga - Kopenhaga (1920-1927)

Pod kierunkiem Sommerfelda Heisenberg zaczął pracować w duchu tak zwanej "starej teorii kwantowej". Sommerfeld spędził zimę 1922-1923 na Uniwersytecie Wisconsin (USA), zalecając swojemu uczniowi pracę w Getyndze pod kierunkiem Maxa Borna. W ten sposób rozpoczęła się owocna współpraca między dwoma naukowcami. Należy zauważyć, że Heisenberg odwiedził Getyngę już w czerwcu 1922 roku podczas tak zwanego "Festiwalu Bohra", serii wykładów na temat nowej fizyki atomowej prowadzonych przez Nielsa Bohra. Młody fizyk poznał nawet słynnego Duńczyka i rozmawiał z nim podczas jednego z jego spacerów. Jak wspominał później sam Heisenberg, rozmowa ta miała ogromny wpływ na ukształtowanie jego poglądów i podejścia do problemów naukowych. Rolę różnych wpływów w swoim życiu określił następująco: "Optymizmu nauczyłem się od Sommerfelda, matematyki od Getyngi, a fizyki od Bohra.

Heisenberg powrócił do Monachium na semestr letni 1923 roku. Do tego czasu przygotował pracę magisterską dotyczącą podstawowych problemów hydrodynamiki. Temat ten został zasugerowany przez Sommerfelda, który uważał, że bardziej klasyczny temat uprości obronę. Jednakże, oprócz pracy magisterskiej, do uzyskania tytułu doktora konieczny był egzamin ustny z trzech przedmiotów. Szczególnie trudny był test z fizyki eksperymentalnej, któremu Heisenberg nie poświęcił zbyt wiele uwagi. Ostatecznie nie był w stanie odpowiedzieć na żadne z pytań prof. Wilhelma Wiena (dotyczących rozdzielczości interferometru Fabry'ego-Perota, mikroskopu, teleskopu i zasady działania akumulatora ołowiowego), ale dzięki wstawiennictwu Sommerfelda i tak otrzymał najniższą ocenę, wystarczającą do nadania stopnia naukowego.

Jesienią 1923 roku Heisenberg powrócił do Getyngi, aby spotkać się z Bornem, który zapewnił mu dodatkowe stanowisko asystenta. Born opisał swojego nowego pracownika w następujący sposób:

Wyglądał jak prosty wieśniak, z krótkimi blond włosami, jasnymi żywymi oczami i czarującym wyrazem twarzy. Wykonywał swoje obowiązki asystenta poważniej niż Pauli i był dla mnie wielką pomocą. Jego niezrozumiała szybkość i przenikliwe zrozumienie zawsze pozwalały mu przejść przez kolosalną ilość pracy bez większego wysiłku.

W Getyndze młody naukowiec kontynuował pracę nad teorią efektu Zeemana i innymi problemami kwantowymi, a w następnym roku przeszedł habilitację i został oficjalnie upoważniony do prowadzenia wykładów. Jesienią 1924 roku Heisenberg po raz pierwszy przyjechał do Kopenhagi, by pracować pod kierunkiem Nielsa Bohra. Rozpoczął również bliską współpracę z Hendrikiem Kramersem, pisząc wspólną pracę na temat kwantowej teorii dyspersji.

Wiosną 1925 roku Heisenberg powrócił do Getyngi i w ciągu następnych kilku miesięcy poczynił decydujące postępy w konstruowaniu pierwszej logicznie spójnej teorii kwantowej, mechaniki macierzowej. Formalizm tej teorii został następnie udoskonalony z pomocą Borna i Pascuala Jordana. Inne sformułowanie teorii, mechanika falowa, zostało podane przez Erwina Schrödingera i stymulowało zarówno liczne konkretne zastosowania, jak i dogłębne opracowanie fizycznych podstaw teorii. Jednym z rezultatów tej działalności była zasada nieoznaczoności Heisenberga, sformułowana na początku 1927 roku.

W maju 1926 roku Heisenberg przeniósł się do Danii, gdzie objął stanowisko profesora nadzwyczajnego na Uniwersytecie Kopenhaskim i asystenta Nielsa Bohra.

Od Lipska do Berlina (1927-1945)

Uznanie zasług naukowych Heisenberga zaowocowało zaproszeniami na stanowiska profesorskie z Lipska i Zurychu. Naukowiec wybrał Lipsk, gdzie Peter Debye był dyrektorem uniwersyteckiego Instytutu Fizyki, i w październiku 1927 r. objął stanowisko profesora fizyki teoretycznej. Jego współpracownikami byli Gregor Wentzel i Friedrich Hund, a pierwszym asystentem był Guido Beck. Heisenberg pełnił wiele obowiązków na wydziale, prowadził wykłady z fizyki teoretycznej i organizował cotygodniowe seminarium na temat teorii atomowej, któremu towarzyszyły nie tylko intensywne dyskusje na temat problemów naukowych, ale także przyjacielskie spotkania przy herbacie, a czasem płynnie przechodziły w zawody tenisa stołowego (młody profesor grał bardzo dobrze i z wielkim zapałem). Jednak, jak wskazują biografowie Neville Mott i Rudolf Peierls, wczesna sława Heisenberga miała niewielki wpływ na jego cechy osobiste:

Nikt by go nie osądzał, gdyby zaczął traktować siebie poważnie i stał się nieco pompatyczny po podjęciu co najmniej dwóch kluczowych kroków, które zmieniły oblicze fizyki, i po zostaniu profesorem w tak młodym wieku, co sprawiło, że wielu starszych i mniej ważnych ludzi również poczuło się ważnymi, ale pozostał taki, jaki był - nieformalny i wesoły w swoim traktowaniu, niemal chłopięcy i posiadający skromność graniczącą z nieśmiałością.

W Lipsku pojawili się pierwsi uczniowie Heisenberga i wkrótce powstała główna szkoła naukowa. W różnych okresach członkami grupy teoretycznej byli Felix Bloch, Hugo Fano, Erich Hückel, Robert Mulliken, Rudolf Peierls, Georg Placzek, John Slater i Edward Teller, 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 i wielu innych. Chociaż profesor zwykle nie zagłębiał się w matematyczne szczegóły pracy swoich studentów, często pomagał wyjaśnić fizyczną naturę badanego problemu. Felix Bloch, pierwszy uczeń Heisenberga (i późniejszy laureat Nagrody Nobla), opisał pedagogiczne i naukowe cechy swojego mentora w następujący sposób

Gdybym miał wybrać tylko jedną z jego wielkich zalet jako nauczyciela, byłoby to jego niezwykle pozytywne nastawienie do wszelkiego postępu i jego zachęta w tym względzie. ... Jedną z najbardziej uderzających cech Heisenberga była niemal niewątpliwa intuicja, jaką wykazywał w swoim podejściu do problemu fizycznego, oraz fenomenalny sposób, w jaki rozwiązania zdawały się spadać z nieba.

W 1933 r. Heisenberg otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za rok poprzedni ze sformułowaniem "za stworzenie mechaniki kwantowej, której zastosowania doprowadziły m.in. do odkrycia alotropowych form wodoru". Pomimo swojej radości, naukowiec wyraził zdumienie faktem, że jego koledzy Paul Dirac i Erwin Schrödinger otrzymali tę samą nagrodę (za rok 1933) dla dwóch osób, podczas gdy Max Born został całkowicie zignorowany przez Komitet Noblowski. W styczniu 1937 roku poznał młodą kobietę, Elisabeth Schumacher (1914-1998), córkę berlińskiego profesora ekonomii, a w kwietniu ożenił się z nią. W następnym roku urodziły im się bliźnięta Wolfgang i Anna-Maria. Mieli w sumie siedmioro dzieci, z których część również zainteresowała się nauką: Martin Heisenberg został genetykiem, Jochen Heisenberg fizykiem, a Anna-Marie i Verena fizjologami.

W tym czasie sytuacja polityczna w Niemczech uległa radykalnej zmianie: Hitler doszedł do władzy. Heisenberg, który zdecydował się pozostać w kraju, został wkrótce zaatakowany przez przeciwników tak zwanej "żydowskiej fizyki", która obejmowała mechanikę kwantową i teorię względności. Niemniej jednak w latach 30. i na początku lat 40. naukowiec pracował owocnie nad problemami teorii jądra atomowego, fizyki promieni kosmicznych i kwantowej teorii pola. Od 1939 roku brał udział w niemieckim projekcie nuklearnym jako jeden z jego liderów, a w 1942 roku został mianowany profesorem fizyki na Uniwersytecie Berlińskim i szefem Instytutu Fizyki Towarzystwa Cesarza Wilhelma.

Okres powojenny (1946-1976)

Podczas operacji Epsilon, dziesięciu niemieckich naukowców (w tym Heisenberg), którzy pracowali nad bronią jądrową w nazistowskich Niemczech, zostało zatrzymanych przez siły alianckie. Naukowcy zostali schwytani między 1 maja a 30 czerwca 1945 roku i przewiezieni do Farm Hall, podsłuchiwanego budynku w Godmanchester, niedaleko Cambridge w Anglii. Byli tam przetrzymywani od 3 lipca 1945 r. do 3 stycznia 1946 r. w celu ustalenia, jak blisko Niemcy byli zbudowania bomby atomowej.

Na początku 1946 r. pułkownik B.K. Blount, członek departamentu nauki brytyjskiego rządu wojskowego strefy okupacyjnej, zaprosił Heisenberga i Otto Hahna do Getyngi, gdzie miało się rozpocząć odrodzenie nauki w zniszczonych Niemczech. Naukowcy poświęcili wiele uwagi pracy organizacyjnej, najpierw w ramach Rady Nauki, a następnie Towarzystwa Maxa Plancka, które zastąpiło Towarzystwo Cesarza Wilhelma. W 1949 roku, po utworzeniu RFN, Heisenberg został pierwszym przewodniczącym Niemieckiego Stowarzyszenia Badawczego, które miało promować pracę naukową w kraju. Jako szef Komitetu Fizyki Atomowej był jednym z inicjatorów prac nad reaktorami jądrowymi w Niemczech. Jednocześnie Heisenberg sprzeciwiał się zakupowi broni jądrowej przez rząd Adenauera. W 1955 r. odegrał aktywną rolę w powstaniu tzw. Deklaracji z Mainau, podpisanej przez szesnastu laureatów Nagrody Nobla, a dwa lata później - Manifestu z Getyngi osiemnastu niemieckich naukowców. W 1958 r. podpisał apel zainicjowany przez Linusa Paulinga i skierowany do Sekretarza Generalnego ONZ, wzywający do zakazu prób jądrowych. Odległym efektem tej działalności było przystąpienie RFN do Układu o nierozprzestrzenianiu broni jądrowej.

Heisenberg aktywnie wspierał utworzenie CERN, uczestnicząc w wielu jego komitetach. W szczególności był pierwszym przewodniczącym Komitetu Polityki Naukowej i był zaangażowany w określanie kierunku rozwoju CERN. W tym samym czasie Heisenberg był dyrektorem Instytutu Fizyki Maxa Plancka, który w 1958 r. przeniósł się z Getyngi do Monachium i został przemianowany na Instytut Fizyki Maxa Plancka. Naukowiec stał na czele tej instytucji aż do przejścia na emeryturę w 1970 roku. Wykorzystał swoje wpływy do założenia nowych instytutów w ramach Towarzystwa - Centrum Badawczego Karlsruhe (obecnie część Uniwersytetu w Karlsruhe), Instytutu Fizyki Plazmy i Instytutu Fizyki Pozaziemskiej. W 1953 r. został pierwszym powojennym prezesem Fundacji Alexandra von Humboldta, której celem było promowanie zagranicznych naukowców chcących pracować w Niemczech. Piastując to stanowisko przez dwie dekady, Heisenberg zapewnił Fundacji i jej strukturze autonomię, wolną od biurokratycznych niedociągnięć agencji rządowych.

Pomimo wielu obowiązków administracyjnych i społecznych kontynuował pracę naukową, koncentrując się w ostatnich latach na próbach opracowania zunifikowanej teorii pola. Członkami jego grupy w Getyndze w różnych okresach byli Karl von Weizsäcker, Kazuhiko Nishijima, Harry Lehmann (Physiker), Gerhart Lüders, Reinhard Oehme, Walter Thierring, Bruno Zumino, Hans-Peter Dürr i inni. Po przejściu na emeryturę Heisenberg wypowiadał się głównie na temat ogólnych lub filozoficznych zagadnień nauk przyrodniczych. W 1975 roku jego stan zdrowia zaczął się pogarszać, a 1 lutego 1976 roku zmarł. Znany fizyk Eugene Wigner napisał z tej okazji:

Nie ma żyjącego fizyka teoretycznego, który wniósłby większy wkład do naszej nauki niż on. Jednocześnie był przyjazny dla wszystkich, pozbawiony arogancji i utrzymywał nas w miłym towarzystwie.

Stara teoria kwantowa

Wczesne lata dwudzieste XX wieku w fizyce atomowej to czas tak zwanej "starej teorii kwantowej", która pierwotnie opierała się na ideach Nielsa Bohra, rozwijanych w pracach Sommerfelda i innych naukowców. Jedną z głównych metod uzyskiwania nowych wyników była zasada korespondencji Bohra. Pomimo szeregu sukcesów, wiele kwestii nie zostało jeszcze rozwiązanych w zadowalający sposób, w szczególności problem kilku oddziałujących cząstek i problem kwantowania przestrzennego. Ponadto sama teoria była niespójna: klasyczne prawa Newtona mogły być stosowane tylko do stacjonarnych orbit elektronu, podczas gdy przejścia między nimi nie mogły być opisane na tej podstawie.

Sommerfeld, świadomy wszystkich tych trudności, zaangażował Heisenberga do pracy nad teorią. Jego pierwsza praca, opublikowana na początku 1922 roku, dotyczyła fenomenologicznego modelu efektu Zeemana. Praca ta, w której zaproponowano odważny model ramy atomowej oddziałującej z elektronami walencyjnymi i wprowadzono półintegralne liczby kwantowe, natychmiast uczyniła młodego naukowca jednym z liderów spektroskopii teoretycznej. Kolejne prace omawiały szerokość i intensywność linii widmowych oraz ich składowe zeemanowskie w oparciu o zasadę korespondencji. W pracach napisanych we współpracy z Maxem Bornem rozważano ogólne problemy teorii atomów wieloelektronowych (w ramach klasycznej teorii perturbacji), analizowano teorię molekuł i zaproponowano hierarchię ruchów wewnątrzcząsteczkowych różniących się energią (rotacje i wibracje molekularne, wzbudzenia elektronowe), oszacowano wartości polaryzowalności atomowej i stwierdzono, że konieczne jest wprowadzenie półintegerowych liczb kwantowych. Kolejna modyfikacja relacji kwantowych polegająca na przypisaniu stanom kwantowym atomu dwóch półintegralnych wartości liczb kwantowych momentu pędu wynikała z uwzględnienia anomalnego efektu Zeemana (modyfikację tę wyjaśniono później obecnością spinu elektronu). Praca ta, za sugestią Borna, posłużyła jako Habilitationsschrift, czyli podstawa habilitacji uzyskanej przez Heisenberga w wieku 22 lat na Uniwersytecie w Getyndze.

Wspólna praca z Hendrikiem Kramersem, napisana w Kopenhadze, zawierała sformułowanie teorii dyspersji, które uogólniało ostatnie wyniki Borna i samego Kramersa. Zaowocowało to kwantowo-teoretycznymi analogami wzorów dyspersyjnych dla polaryzowalności atomu w danym stanie stacjonarnym, z uwzględnieniem możliwości przejść do wyższych i niższych stanów. Ta ważna praca, opublikowana na początku 1925 roku, była bezpośrednim prekursorem pierwszego sformułowania mechaniki kwantowej.

Tworzenie mechaniki macierzy

Heisenberg nie był zadowolony ze stanu teorii, która wymagała rozwiązania każdego konkretnego problemu w ramach fizyki klasycznej, a następnie przetłumaczenia go na język kwantowy przy użyciu zasady korespondencji. Takie podejście nie zawsze przynosiło rezultaty i w dużej mierze zależało od intuicji badacza. Wiosną 1925 roku, poszukując rygorystycznego i logicznie spójnego formalizmu, Heisenberg zdecydował się porzucić stary opis, zastępując go opisem w kategoriach tak zwanych wielkości obserwowalnych. Na pomysł ten wpłynęły prace Alberta Einsteina, który podał relatywistyczną definicję czasu zamiast nieobserwowalnego newtonowskiego czasu absolutnego. (Jednak już w kwietniu 1926 roku Einstein zauważył w prywatnej rozmowie z Heisenbergiem, że to teoria określa, które wielkości są obserwowalne, a które nie). Heisenberg odrzucił klasyczne koncepcje położenia i pędu elektronu w atomie i rozważył częstotliwość i amplitudę oscylacji, które można określić na podstawie eksperymentu optycznego. Udało mu się przedstawić te wielkości jako zbiory liczb zespolonych i podać regułę ich mnożenia, która okazała się niekomutatywna, a następnie zastosować opracowaną metodę do problemu oscylatora anharmonicznego. Dla szczególnego przypadku oscylatora harmonicznego w naturalny sposób wynikało istnienie tak zwanej "energii punktu zerowego". W ten sposób zasada korespondencji została włączona do samych podstaw opracowanego schematu matematycznego.

Heisenberg uzyskał rozwiązanie w czerwcu 1925 r. na wyspie Helgoland, gdzie przechodził rekonwalescencję po ataku kataru siennego. Po powrocie do Getyngi opisał swoje wyniki w pracy "On the quantum-theoretic interpretation of kinematic and mechanical relations" i wysłał ją do Wolfganga Pauliego. Po uzyskaniu zgody tego ostatniego, Heisenberg przekazał artykuł Bornowi do publikacji w czasopiśmie Zeitschrift für Physik, gdzie został przyjęty 29 lipca 1925 roku. Born szybko zdał sobie sprawę, że zbiory liczb reprezentujących wielkości fizyczne to nic innego jak macierze, a reguła Heisenberga dotycząca ich mnożenia to reguła mnożenia macierzy.

Ogólnie rzecz biorąc, mechanika macierzowa spotkała się z raczej biernym przyjęciem ze strony społeczności fizyków, która była słabo zaznajomiona z matematycznym formalizmem macierzy i którą zniechęcała skrajna abstrakcyjność teorii. Tylko kilku naukowców zwróciło szczególną uwagę na artykuł Heisenberga. Na przykład Niels Bohr natychmiast go pochwalił i stwierdził, że "rozpoczęła się nowa era wzajemnej stymulacji mechaniki i matematyki". Pierwsze rygorystyczne sformułowanie mechaniki macierzowej zostało podane przez Borna i Pascuala Jordana w ich wspólnej pracy "On Quantum Mechanics", ukończonej we wrześniu 1925 roku. Uzyskali oni fundamentalną relację permutacji (warunek kwantowy) dla macierzy współrzędnych i pędu. Heisenberg wkrótce zaangażował się w te badania, których kulminacją była słynna "praca trzech" (Drei-Männer Arbeit), ukończona w listopadzie 1925 roku. Przedstawiono w niej ogólną metodę rozwiązywania problemów w ramach mechaniki macierzowej, w szczególności rozważając układy o dowolnej liczbie stopni swobody, wprowadzając transformacje kanoniczne, podając podstawy kwantowo-mechanicznej teorii perturbacji, rozwiązując problem kwantowania momentu pędu, omawiając zasady wyboru i szereg innych kwestii.

Dalsze modyfikacje mechaniki macierzowej przebiegały wzdłuż dwóch głównych linii: uogólnienia macierzy w postaci operatorów, przeprowadzonego przez Borna i Norberta Wienera, oraz reprezentacji teorii w postaci algebraicznej (w ramach formalizmu hamiltonowskiego), opracowanej przez Paula Diraca. Ten ostatni wiele lat później wspominał, jak stymulujące dla dalszego rozwoju fizyki atomowej było pojawienie się mechaniki macierzowej:

Mam najważniejszy powód, by być wielbicielem Wernera Heisenberga. Studiowaliśmy w tym samym czasie, byliśmy prawie w tym samym wieku i pracowaliśmy nad tym samym problemem. Heisenberg odniósł sukces tam, gdzie ja poniosłem porażkę. Do tego czasu zgromadzono ogromną ilość materiału spektroskopowego, a Heisenberg znalazł właściwą drogę przez swój labirynt. W ten sposób zapoczątkował złotą erę fizyki teoretycznej i wkrótce nawet drugorzędny student był w stanie wykonać pierwszorzędną pracę.

Stosunek niepewności

Na początku 1926 roku prace Erwina Schrödingera nad mechaniką falową, która opisywała procesy atomowe w zwykłej formie ciągłych równań różniczkowych i która, jak wkrótce stało się jasne, była matematycznie identyczna z formalizmem macierzowym, zaczęły pojawiać się w druku. Heisenberg był krytycznie nastawiony do nowej teorii, a zwłaszcza do jej pierwotnej interpretacji jako zajmującej się falami rzeczywistymi przenoszącymi ładunek elektryczny. Nawet pojawienie się probabilistycznego ujęcia funkcji falowej Borna nie rozwiązało problemu interpretacji formalizmu, tj. wyjaśnienia znaczenia używanych w nim pojęć. Potrzeba rozwiązania tego problemu stała się szczególnie wyraźna we wrześniu 1926 roku, po wizycie Schrödingera w Kopenhadze, gdzie w długiej dyskusji z Bohrem i Heisenbergiem bronił on obrazu ciągłości zjawisk atomowych i krytykował koncepcję nieciągłości i skoków kwantowych.

Punktem wyjścia w analizie Heisenberga było uświadomienie sobie potrzeby dostosowania klasycznych pojęć (takich jak "współrzędna" i "pęd"), tak aby można je było wykorzystać w mikrofizyce, podobnie jak teoria względności dostosowała pojęcia przestrzeni i czasu, nadając w ten sposób znaczenie formalizmowi transformacji Lorentza. Znalazł wyjście z sytuacji, nakładając ograniczenie na użycie klasycznych pojęć, wyrażone matematycznie w postaci relacji niepewności: "im dokładniej zdefiniowana jest pozycja, tym mniej dokładnie znany jest pęd i odwrotnie". Swoje wnioski zademonstrował za pomocą słynnego eksperymentu umysłowego z mikroskopem promieniowania gamma. Heisenberg przedstawił swoje wyniki w 14-stronicowym liście do Pauliego, który je pochwalił. Bohr, który wrócił z wakacji w Norwegii, nie był w pełni usatysfakcjonowany i zgłosił szereg uwag, ale Heisenberg odmówił wprowadzenia zmian w swoim tekście, wspominając o sugestiach Bohra w postscriptum. Artykuł "On the illustrative content of quantum-theoretic kinematics and mechanics" szczegółowo opisujący zasadę nieoznaczoności został przyjęty przez redakcję Zeitschrift für Physik 23 marca 1927 roku.

Zasada nieoznaczoności nie tylko odegrała ważną rolę w rozwoju interpretacji mechaniki kwantowej, ale także wywołała szereg problemów filozoficznych. Bohr powiązał ją z bardziej ogólną koncepcją dodatkowości, którą rozwijał w tym samym czasie: zinterpretował relacje niepewności jako matematyczne wyrażenie granicy, do której możliwe są wzajemnie wykluczające się (dodatkowe) koncepcje. Co więcej, artykuł Heisenberga zwrócił uwagę fizyków i filozofów na koncepcję pomiaru, a także na nowe, niezwykłe rozumienie przyczynowości zaproponowane przez autora: "... w mocnym sformułowaniu prawa przyczynowości: "jeśli ktoś dokładnie zna teraźniejszość, może przewidzieć przyszłość", przesłanka jest błędna, a nie wniosek. W zasadzie nie możemy znać teraźniejszości we wszystkich jej szczegółach". Później, w 1929 roku, wprowadził do teorii kwantowej termin "kolaps pakietu falowego", który stał się jednym z podstawowych pojęć w ramach tak zwanej "interpretacji kopenhaskiej" mechaniki kwantowej.

Zastosowania mechaniki kwantowej

Pojawienie się mechaniki kwantowej (najpierw w postaci macierzy, a następnie w postaci falowej), natychmiast uznane przez społeczność naukową, stymulowało szybki postęp w rozwoju koncepcji kwantowych, rozwiązując szereg konkretnych problemów. Sam Heisenberg w marcu 1926 roku ukończył wspólną pracę z Jordanem, wyjaśniając anomalny efekt Zeemana za pomocą hipotezy Gaudsmita i Uhlenbecka dotyczącej spinu elektronu. W swoich późniejszych pracach, napisanych już przy użyciu formalizmu Schrödingera, rozważał układy wielocząsteczkowe i wykazał znaczenie symetrii stanów dla zrozumienia cech spektralnych helu (terminy para- i ortohel), jonów litu i cząsteczek dwuchromowych, co doprowadziło do wniosku o istnieniu dwóch alotropowych form wodoru, orto- i para-wodoru. W rzeczywistości Heisenberg niezależnie doszedł do statystyki Fermiego-Diraca dla układów spełniających zasadę Pauliego.

W 1928 roku Heisenberg położył podwaliny pod kwantową teorię ferromagnetyzmu (model Heisenberga), wykorzystując koncepcję sił wymiany między elektronami do wyjaśnienia tak zwanego "pola molekularnego", wprowadzonego przez Pierre'a Weissa w 1907 roku. W tym przypadku kluczową rolę odgrywał względny kierunek spinów elektronów, który determinował symetrię przestrzennej części funkcji falowej, a tym samym wpływał na przestrzenny rozkład elektronów i oddziaływania elektrostatyczne między nimi. W drugiej połowie lat 40. ubiegłego wieku Heisenberg podjął nieudaną próbę skonstruowania teorii nadprzewodnictwa, która uwzględniałaby jedynie oddziaływania elektrostatyczne między elektronami.

Elektrodynamika kwantowa

Od końca 1927 roku głównym problemem zajmującym Heisenberga była konstrukcja elektrodynamiki kwantowej, która uwzględniałaby nie tylko obecność skwantowanego pola elektromagnetycznego, ale także jego oddziaływanie z relatywistycznymi cząstkami naładowanymi. Pojawiające się na początku 1928 roku równanie Diraca dla relatywistycznego elektronu z jednej strony wskazywało właściwą drogę, z drugiej jednak rodziło szereg problemów, wydawałoby się nierozwiązywalnych - problem energii właściwej elektronu, związany z pojawieniem się nieskończenie dużego dodatku do masy cząstki, oraz problem stanów o ujemnej energii. Badania prowadzone przez Heisenberga wspólnie z Paulim utknęły w martwym punkcie i chwilowo porzucił je, zajmując się teorią ferromagnetyzmu. Dopiero na początku 1929 roku udało im się pójść dalej w konstruowaniu ogólnego schematu teorii relatywistycznej, który został nakreślony w pracy ukończonej w marcu tego samego roku. Zaproponowany schemat opierał się na procedurze kwantyzacji klasycznej teorii pola zawierającej relatywistycznie niezmienniczy Lagrangian. Naukowcy zastosowali ten formalizm do układu zawierającego pole elektromagnetyczne i oddziałujące ze sobą fale materii. W kolejnym artykule, opublikowanym w 1930 roku, znacznie uprościli teorię, wykorzystując rozważania symetrii zaczerpnięte z komunikacji ze słynnym matematykiem Hermannem Weylem. Przede wszystkim dotyczyło to rozważań nad niezmienniczością miernika, co pozwoliło pozbyć się niektórych sztucznych konstrukcji oryginalnego sformułowania.

Chociaż próba skonstruowania elektrodynamiki kwantowej przez Heisenberga i Pauliego znacznie rozszerzyła granice teorii atomowej, obejmując szereg znanych wyników, okazała się ona niezdolna do wyeliminowania rozbieżności związanych z nieskończoną energią własną punktowego elektronu. Wszystkie podjęte później próby rozwiązania tego problemu, w tym tak radykalne, jak kwantowanie przestrzeni (model sieciowy), zakończyły się niepowodzeniem. Rozwiązanie znaleziono znacznie później w ramach teorii renormalizacji.

Od 1932 roku Heisenberg poświęcał wiele uwagi zjawisku promieniowania kosmicznego, które jego zdaniem stanowiło okazję do poważnego przetestowania koncepcji teoretycznych. To właśnie w promieniach kosmicznych Carl Anderson odkrył pozyton przewidziany wcześniej przez Diraca ("dziura" Diraca). W 1934 roku Heisenberg rozwinął teorię dziury, włączając pozytony do formalizmu elektrodynamiki kwantowej. Jednocześnie, podobnie jak Dirac, postulował istnienie zjawiska polaryzacji próżni i w 1936 roku, wraz z Hansem Eulerem, obliczył kwantowe poprawki do równań Maxwella związane z tym efektem (tzw. Lagrangian Heisenberga-Eulera).

Fizyka jądrowa

W 1932 roku, wkrótce po odkryciu neutronu przez Jamesa Chadwicka, Heisenberg zaproponował ideę protonowo-neutronowej struktury jądra atomowego (nieco wcześniej niezależnie zaproponował ją Dmitrij Iwanenko) i w trzech artykułach próbował skonstruować kwantowo-mechaniczną teorię takiego jądra. Chociaż hipoteza ta rozwiązała wiele trudności poprzedniego modelu (protonowo-elektronowego), pochodzenie elektronów emitowanych w procesach rozpadu beta, niektóre cechy statystyki cząstek jądrowych i natura sił między nukleonami pozostały niejasne. Heisenberg próbował wyjaśnić te kwestie, zakładając istnienie oddziaływań wymiennych między protonami i neutronami w jądrze, które są podobne do sił między protonem a atomem wodoru tworzącym jon molekularny wodoru. Oddziaływanie to miałoby zachodzić za pośrednictwem elektronów wymienianych między neutronem a protonem, ale tym elektronom jądrowym trzeba było przypisać "niewłaściwe" właściwości (w szczególności powinny one być bezspinowe, czyli bozonami). Interakcja między neutronami została opisana podobnie do interakcji między dwoma neutralnymi atomami w cząsteczce wodoru. Tutaj naukowiec po raz pierwszy zasugerował ideę niezmienniczości izotopowej związanej z wymianą ładunków między nukleonami i niezależnością ładunkową sił jądrowych. Dalsze ulepszenia tego modelu zostały wprowadzone przez Ettore Majoranę, który odkrył efekt nasycenia sił jądrowych.

Po pojawieniu się w 1934 roku teorii rozpadu beta, opracowanej przez Enrico Fermiego, Heisenberg zaangażował się w jej rozwój i zasugerował, że siły jądrowe nie powstają w wyniku wymiany elektronów, ale par elektron-neutrino (niezależnie ten pomysł został opracowany przez Ivanenko, Igor Tamm i Arnold Nordsik). Jednak wielkość tego oddziaływania była znacznie mniejsza niż wykazał eksperyment. Niemniej jednak model ten (z pewnymi dodatkami) pozostał dominujący aż do pojawienia się teorii Hideki Yukawy, która postulowała istnienie cięższych cząstek umożliwiających oddziaływanie neutronów i protonów w jądrze. W 1938 roku Heisenberg i Euler opracowali metody analizy danych absorpcyjnych promieni kosmicznych i byli w stanie podać pierwsze oszacowanie czasu życia cząstki ("mezotronu" lub mezonu, jak go później nazwano) należącej do twardego składnika promieni, który początkowo był kojarzony z hipotetyczną cząstką Yukawy. W następnym roku Heisenberg przeanalizował ograniczenia istniejących teorii kwantowych oddziaływań cząstek elementarnych opartych na teorii perturbacji i omówił możliwość wyjścia poza te teorie do zakresu wysokich energii osiąganych w promieniach kosmicznych. W tej dziedzinie możliwe są narodziny wielu cząstek w promieniach kosmicznych, które rozważał w ramach teorii mezonów wektorowych.

Kwantowa teoria pola

W serii trzech artykułów napisanych między wrześniem 1942 r. a majem 1944 r. Heisenberg zaproponował radykalny sposób na pozbycie się rozbieżności w kwantowej teorii pola. Idea fundamentalnej długości (kwantu przestrzeni) skłoniła go do porzucenia opisu za pomocą ciągłego równania Schrödingera. Powrócił do koncepcji obserwabli, których relacje muszą stanowić podstawę przyszłej teorii. Dla relacji między tymi wielkościami, do których jednoznacznie odnosił energie stanów stacjonarnych i asymptotyczne zachowanie funkcji falowej w procesach rozpraszania, absorpcji i emisji, wprowadził (niezależnie od Johna Wheelera, który zrobił to w 1937 roku) pojęcie macierzy S (scattering matrix), czyli operatora przekształcającego padającą funkcję falową w rozproszoną funkcję falową. Według pomysłu Heisenberga macierz S miała zastąpić Hamiltonian w przyszłej teorii. Pomimo trudności w wymianie informacji naukowych w warunkach wojennych, teoria macierzy rozproszenia została wkrótce podjęta przez wielu naukowców (Ernst Stückelberg w Genewie, Hendrik Kramers w Lejdzie, Christian Møller w Kopenhadze, Pauli w Princeton), którzy przystąpili do dalszego rozwijania formalizmu i wyjaśniania jego aspektów fizycznych. Z czasem stało się jednak jasne, że teoria ta w czystej postaci nie może stać się alternatywą dla zwykłej kwantowej teorii pola, ale może być jednym z użytecznych narzędzi matematycznych w jej ramach. W szczególności jest ona wykorzystywana (w zmodyfikowanej formie) w Feynmanowskim formalizmie elektrodynamiki kwantowej. Koncepcja macierzy S, uzupełniona o szereg warunków, zajęła centralne miejsce w sformułowaniu tak zwanej aksjomatycznej kwantowej teorii pola, a później w rozwoju teorii strun.

W okresie powojennym, wraz z rosnącą liczbą nowo odkrytych cząstek elementarnych, pojawił się problem opisania ich za pomocą jak najmniejszej liczby pól i oddziaływań, w najprostszym przypadku - pojedynczego pola (wtedy możemy mówić o "zunifikowanej teorii pola"). Od około 1950 roku problem znalezienia odpowiedniego równania opisującego pojedyncze pole był w centrum pracy naukowej Heisenberga. Jego podejście opierało się na nieliniowym uogólnieniu równania Diraca i obecności pewnej fundamentalnej długości (rzędu promienia klasycznego elektronu) ograniczającej stosowalność zwykłej mechaniki kwantowej. Ogólnie rzecz biorąc, kierunek ten, natychmiast skonfrontowany z ogromnymi problemami matematycznymi i koniecznością uwzględnienia ogromnej ilości danych eksperymentalnych, został sceptycznie przyjęty przez społeczność naukową i rozwijany niemal wyłącznie w grupie Heisenberga. Choć sukces nie został osiągnięty, a rozwój teorii kwantowej przebiegał głównie innymi ścieżkami, niektóre idee i metody pojawiające się w pracach niemieckiego uczonego odegrały swoją rolę w tym dalszym rozwoju. W szczególności pomysł przedstawienia neutrina jako cząstki Goldstone'a, powstającej w wyniku spontanicznego łamania symetrii, wpłynął na rozwój koncepcji supersymetrii.

Hydrodynamika

Heisenberg zaczął zajmować się podstawowymi problemami hydrodynamiki we wczesnych latach dwudziestych XX wieku, w swojej pierwszej pracy próbował, podążając za Theodorem von Karmanem, określić parametry ogona wirowego, który pojawia się za poruszającą się płytą. W swojej pracy doktorskiej badał stabilność przepływu laminarnego i naturę turbulencji na przykładzie przepływu płynu między dwiema płasko-równoległymi płytami. Udało mu się wykazać, że przepływ laminarny, stabilny przy niskich liczbach Reynoldsa (poniżej wartości krytycznej), staje się początkowo niestabilny, ale przy bardzo wysokich wartościach jego stabilność wzrasta (niestabilne są tylko perturbacje długofalowe). Heisenberg powrócił do problemu turbulencji w 1945 roku, kiedy był internowany w Anglii. Opracował podejście oparte na mechanice statystycznej, które było bardzo zbliżone do pomysłów opracowanych przez Geoffreya Taylora, Andrieja Kołmogorowa i innych naukowców. W szczególności był w stanie pokazać, w jaki sposób energia jest wymieniana między wirami o różnych rozmiarach.

Relacje z reżimem nazistowskim

Wkrótce po dojściu Hitlera do władzy w styczniu 1933 r. rozpoczęła się brutalna inwazja polityki na ustalone życie uniwersyteckie w celu "oczyszczenia" nauki i edukacji z Żydów i innych niepożądanych elementów. Heisenberg, podobnie jak wielu jego kolegów, był zszokowany czystym antyintelektualizmem nowego reżimu, który musiał osłabić niemiecką naukę. Początkowo był jednak skłonny podkreślać pozytywne cechy zmian zachodzących w kraju. Wydaje się, że nazistowska retoryka niemieckiego renesansu i niemieckiej kultury przyciągnęła go ze względu na jej bliskość do romantycznych ideałów głoszonych przez ruch młodzieżowy po I wojnie światowej. Ponadto, jak zauważa David Cassidy, biograf naukowca, bierność, z jaką Heisenberg i jego koledzy postrzegali zmiany, była prawdopodobnie związana z tradycją postrzegania nauki jako instytucji poza polityką.

Próby Heisenberga, Maxa Plancka i Maxa von Laue, aby zmienić politykę wobec żydowskich naukowców lub przynajmniej złagodzić jej skutki poprzez osobiste kontakty i petycje za pośrednictwem oficjalnych kanałów biurokratycznych, zakończyły się niepowodzeniem. Od jesieni 1933 r. "nie-Aryjczycy", kobiety i osoby o lewicowych przekonaniach miały zakaz nauczania, a od 1938 r. przyszli wykładowcy musieli udowodnić swoją polityczną przydatność. W tej sytuacji Heisenberg i jego koledzy, uznając zachowanie niemieckiej fizyki za priorytet, podjęli próby zastąpienia wakujących stanowisk niemieckimi lub nawet zagranicznymi naukowcami, co spotkało się z negatywnym odbiorem środowiska naukowego i również nie osiągnęło zamierzonego celu. Ostatnią deską ratunku była rezygnacja w proteście, ale Planck odwiódł od tego Heisenberga, wskazując na znaczenie przetrwania fizyki pomimo katastrofy, która czekała Niemcy w przyszłości.

Pragnienie utrzymania apolitycznego stanowiska nie tylko uniemożliwiło Heisenbergowi i innym naukowcom przeciwstawienie się rosnącemu antysemityzmowi w kręgach uniwersyteckich, ale wkrótce sami stali się przedmiotem poważnego ataku ze strony "aryjskich fizyków". W 1935 r. nasiliły się ataki na "żydowską fizykę", która obejmowała teorię względności i mechanikę kwantową. Działania te, wspierane przez oficjalną prasę, były kierowane przez aktywnych zwolenników nazistowskiego reżimu, laureatów Nagrody Nobla Johannesa Starka i Philippa Lenarda. Rezygnacja Arnolda Sommerfelda, który wybrał swojego słynnego ucznia na następcę profesora na Uniwersytecie w Monachium, wywołała ataki na Heisenberga, nazwanego przez Starka w grudniu 1935 r. "Geist von Einsteins Geist" (niem.: Geist von Einsteins Geist). Naukowiec opublikował odpowiedź w nazistowskiej gazecie partyjnej Völkischer Beobachter, wzywając do zwrócenia większej uwagi na podstawowe teorie fizyczne. Wiosną 1936 roku Heisenberg, wraz z Hansem Geigerem i Maxem Wienem, zdołał zebrać podpisy 75 profesorów pod petycją popierającą to wezwanie. Te środki zaradcze zdawały się przechylać Cesarskie Ministerstwo Edukacji na stronę naukowców, ale 15 lipca 1937 r. sytuacja ponownie się zmieniła. Tego dnia oficjalna gazeta SS Das Schwarze Korps opublikowała duży artykuł Starka zatytułowany "Biali Żydzi w nauce" ("Weisse Juden" in der Wissenschaft), głoszący potrzebę wyeliminowania "żydowskiego ducha" z niemieckiej fizyki. Heisenbergowi osobiście grożono deportacją do obozu koncentracyjnego i nazwano go "Ossietzkim fizyki". Pomimo wielu zaproszeń z zagranicy w tym czasie, Heisenberg nie chciał opuścić kraju i zdecydował się negocjować z rządem. David Cassidy przedstawił następujący obraz tego trudnego wyboru

Gdyby reżim przywrócił jego wyższy status, zaakceptowałby wymagane kompromisy, co więcej, przekonałby się o sprawiedliwości nowego uzasadnienia: z osobistym poświęceniem pozostania na swoim stanowisku, w rzeczywistości bronił poprawnej niemieckiej fizyki przed wypaczeniem przez narodowy socjalizm.

Podążając wybranym przez siebie kursem, Heisenberg sporządził dwa oficjalne listy - do Ministerstwa Edukacji Rzeszy i do Reichsführera SS Heinricha Himmlera - w których domagał się oficjalnej odpowiedzi na działania Starka i jego zwolenników. W listach stwierdził, że jeśli ataki zostaną oficjalnie zatwierdzone przez władze, zrezygnuje ze stanowiska; jeśli nie, zażąda ochrony rządowej. Dzięki znajomości matki naukowca z matką Himmlera, list dotarł do celu, jednak minął prawie rok, podczas którego Heisenberg był przesłuchiwany przez Gestapo, jego rozmowy w domu były podsłuchiwane, a jego działania szpiegowane, zanim otrzymał pozytywną odpowiedź od wysokiego rangą urzędnika Rzeszy. Niemniej jednak stanowisko profesora w Monachium zostało przyznane innemu, bardziej lojalnemu wobec partii kandydatowi.

Początek projektu uranowego. Podróż do Kopenhagi

Kompromis osiągnięty między Heisenbergiem a nazistowskim przywództwem został obrazowo opisany przez Cassidy'ego jako faustowski targ. Z jednej strony sukces w walce z "aryjskimi fizykami" i publiczna rehabilitacja naukowca oznaczały uznanie jego znaczenia (i jego kolegów) w utrzymaniu wysokiego poziomu edukacji i badań w dziedzinie fizyki w kraju. Drugą stroną tego kompromisu była gotowość niemieckich naukowców (w tym Heisenberga) do współpracy z władzami i uczestniczenia w rozwoju militarnym III Rzeszy. Znaczenie tego ostatniego szczególnie wzrosło wraz z wybuchem II wojny światowej, nie tylko dla armii, ale także dla samych naukowców, ponieważ współpraca z wojskiem służyła jako niezawodna ochrona przed poborem na front. Zgoda Heisenberga na pracę dla nazistowskiego rządu miała jeszcze jedną stronę, wyrażoną w następujący sposób przez Motta i Peierlsa:

...Można założyć, że chciał, aby Niemcy wygrały wojnę. Nie akceptował wielu aspektów nazistowskiego reżimu, ale był patriotą. Chęć pokonania swojego kraju oznaczałaby znacznie bardziej buntownicze poglądy niż te, które wyznawał.

Już we wrześniu 1939 roku dowództwo armii poparło utworzenie tak zwanego "Klubu Uranowego" (Uranverein) w celu dokładniejszego zbadania perspektyw wykorzystania rozszczepienia jądra uranu, odkrytego przez Otto Hahna i Fritza Strassmanna pod koniec 1938 roku. Heisenberg był jednym z zaproszonych na jedną z pierwszych dyskusji na ten temat, 26 września 1939 r., podczas której przedstawiono zarys projektu i możliwości wojskowego zastosowania energii jądrowej. Naukowiec miał teoretycznie zbadać działanie "maszyny uranowej", jak wówczas nazywano reaktor jądrowy. W grudniu 1939 roku przedstawił swój pierwszy tajny raport z teoretyczną analizą możliwości generowania energii poprzez rozszczepienie jądra atomowego. W raporcie tym jako moderatory zaproponowano węgiel i ciężką wodę, ale od lata 1940 r. zdecydowano się na użycie tej ostatniej jako bardziej ekonomicznej i przystępnej opcji (była już produkowana w okupowanej Norwegii).

Po rehabilitacji przez nazistowskie kierownictwo Heisenberg mógł wykładać nie tylko w Niemczech, ale także w innych krajach europejskich (w tym okupowanych). Z punktu widzenia partyjnych biurokratów miał być ucieleśnieniem dobrobytu niemieckiej nauki. Mark Walker, znany ekspert w dziedzinie historii niemieckiej nauki w tym okresie, napisał na ten temat:

Jest oczywiste, że Heisenberg pracował dla nazistowskiej propagandy nieświadomie, być może nawet nieświadomie. Jest jednak równie jasne, że zainteresowani narodowosocjalistyczni urzędnicy wykorzystywali go do celów propagandowych, że jego działania były skuteczne w tym zakresie i że jego zagraniczni koledzy mieli powody, by sądzić, że promuje nazizm... Takie zagraniczne wyjazdy na wykłady, być może bardziej niż cokolwiek innego, zatruły jego relacje z wieloma zagranicznymi kolegami i byłymi przyjaciółmi spoza Niemiec.

Być może najbardziej znanym przykładem takiej podróży było spotkanie z Nielsem Bohrem w Kopenhadze we wrześniu 1941 roku. Szczegóły rozmowy między dwoma naukowcami nie są znane, a interpretacje są bardzo różne. Według samego Heisenberga, chciał on poznać opinię swojego nauczyciela na temat moralnego aspektu tworzenia nowej broni, ale ponieważ nie mógł mówić otwarcie, Bohr źle go zrozumiał. Duńczyk przedstawił zupełnie inną interpretację spotkania. Odniósł wrażenie, że Niemcy intensywnie pracują nad tematem uranu, a Heisenberg chciał się dowiedzieć, co on wie na ten temat. Co więcej, Bohr uważał, że jego gość zasugerował mu współpracę z nazistami. Poglądy duńskiego naukowca znalazły odzwierciedlenie w szkicach listów, opublikowanych po raz pierwszy w 2002 roku i szeroko omawianych w prasie.

W 1998 roku w Londynie odbyła się premiera sztuki Copenhagen angielskiego dramaturga Michaela Frayna, skupiającej się na nie do końca wyjaśnionym epizodzie relacji Bohra i Heisenberga. Jej sukces w Wielkiej Brytanii, a następnie na Broadwayu, pobudził debatę wśród fizyków i historyków nauki na temat roli niemieckiego naukowca w stworzeniu "bomby dla Hitlera" i treści rozmowy z Bohrem. Zasugerowano, że Heisenberg chciał przekazać za pośrednictwem Bohra fizykom alianckim, aby nie kontynuowali prac nad bronią jądrową lub skupili się na pokojowym reaktorze, tak jak zrobili to niemieccy naukowcy. Według Walkera, Heisenberg powiedział w rozmowie "trzy rzeczy: 1) Niemcy pracują nad bombą atomową; 2) on sam ma ambiwalentny stosunek do tych prac; 3) Bohr powinien współpracować z Niemieckim Instytutem Naukowym i władzami okupacyjnymi". Nic więc dziwnego, że Duńczyk, przeniósłszy się jesienią 1943 r. do Anglii, a następnie do USA, wspierał szybki rozwój bomby atomowej w tych krajach.

Próby budowy reaktora

Do początku 1942 r., pomimo niedoboru uranu i ciężkiej wody, różne grupy naukowców w Niemczech zdołały przeprowadzić eksperymenty laboratoryjne z zachęcającymi wynikami w zakresie budowy "maszyny uranowej". W szczególności w Lipsku Robert Döpel był w stanie osiągnąć dodatni wzrost liczby neutronów w sferycznej geometrii układu warstw uranu, zaproponowanej przez Heisenberga. W sumie 70-100 naukowców w Niemczech pracowało nad problemem uranu w różnych grupach, zjednoczonych wspólnym kierownictwem. Ogromne znaczenie dla losów projektu miała konferencja zorganizowana przez Wojskową Radę Naukową w lutym 1942 r. (jednym z prelegentów był Heisenberg). Choć na spotkaniu tym dostrzeżono militarny potencjał energii jądrowej, to w obliczu aktualnej sytuacji gospodarczej i militarnej Niemiec uznano, że jej wykorzystanie w rozsądnym czasie (około roku) nie zostanie osiągnięte, a zatem ta nowa broń nie będzie w stanie wpłynąć na przebieg wojny. Niemniej jednak badania nuklearne uznano za ważne dla przyszłości (zarówno militarnej, jak i pokojowej) i zdecydowano o ich dalszym finansowaniu, ale ogólne przywództwo zostało przeniesione z wojska do Imperialnej Rady Badawczej. Decyzja ta została potwierdzona w czerwcu 1942 roku na spotkaniu naukowców z ministrem uzbrojenia Albertem Speerem, a głównym celem było zbudowanie reaktora jądrowego. Jak wskazuje Walker, decyzja o niepodejmowaniu prac na poziomie przemysłowym okazała się kluczowa dla losów całego niemieckiego projektu uranowego:

Chociaż do tego czasu amerykańskie i niemieckie badania były prowadzone równolegle, Amerykanie wkrótce wyprzedzili Niemców... Porównując prace prowadzone od zimy 1941 roku

W lipcu 1942 r., w celu zorganizowania prac nad "maszyną uranową", Instytut Fizyki w Berlinie został zwrócony Towarzystwu Cesarza Wilhelma, a Heisenberg został mianowany szefem Instytutu (został również mianowany profesorem na Uniwersytecie Berlińskim). Ponieważ Peter Debye, który nie wrócił z USA, pozostał formalnie dyrektorem instytutu, tytuł stanowiska Heisenberga brzmiał "dyrektor w instytucie". Pomimo braku materiałów, w kolejnych latach w Berlinie przeprowadzono kilka eksperymentów mających na celu uzyskanie samopodtrzymującej się reakcji łańcuchowej w kotłach jądrowych o różnej geometrii. Cel ten został prawie osiągnięty w lutym 1945 roku, w ostatnim eksperymencie, który był już w trakcie ewakuacji, w pomieszczeniu wykutym w skale w wiosce Heigerloch (sam instytut znajduje się w pobliżu, w Hehingen). To właśnie tutaj naukowcy i instalacja zostali schwytani przez tajną misję Alsos w kwietniu 1945 roku.

Krótko przed przybyciem wojsk amerykańskich Heisenberg udał się na rowerze do bawarskiej wioski Urfeld, gdzie znajdowała się jego rodzina i gdzie wkrótce został odnaleziony przez aliantów. W lipcu 1945 roku był jednym z dziesięciu głównych niemieckich naukowców zaangażowanych w nazistowski projekt nuklearny, którzy zostali internowani w Farm Hall, niedaleko Cambridge. Fizycy byli pod stałym nadzorem przez sześć miesięcy, a ich rozmowy były nagrywane za pomocą ukrytych mikrofonów. Nagrania zostały odtajnione przez brytyjski rząd w lutym 1992 roku i stanowią cenny dokument dotyczący historii niemieckiego projektu nuklearnego.

Powojenne dyskusje

Wkrótce po zakończeniu wojny światowej rozpoczęła się gorąca debata na temat przyczyn niepowodzenia niemieckich fizyków w budowie bomby atomowej. W listopadzie 1946 roku Die Naturwissenschaften opublikowało artykuł Heisenberga na temat nazistowskiego projektu nuklearnego. Mark Walker zwrócił uwagę na kilka charakterystycznych nieścisłości w opisie wydarzeń przez niemieckiego naukowca: bagatelizowanie roli fizyków blisko powiązanych z kręgami wojskowymi, którzy nie robili z tego tajemnicy (nacisk na błąd eksperymentalny, który doprowadził do wyboru ciężkiej wody (a nie grafitu) jako moderatora, choć wybór ten był podyktowany przede wszystkim względami ekonomicznymi; zaciemnianie zrozumienia przez niemieckich naukowców roli reaktora jądrowego w produkcji plutonu do celów zbrojeniowych; przypisywanie spotkaniu naukowców z ministrem Speerem kluczowej roli w uświadomieniu sobie niemożności zbudowania broni jądrowej przed zakończeniem wojny, chociaż zostało to uznane jeszcze wcześniej przez dowództwo armii, które zdecydowało się nie uprzemysławiać badań i nie marnować na nie cennych zasobów. W tym samym artykule Heisenberga po raz pierwszy pojawiła się wskazówka, że niemieccy fizycy (przynajmniej ci z otoczenia Heisenberga) kontrolowali przebieg prac i ze względów moralnych próbowali odciągnąć je od rozwoju broni jądrowej. Jednak, jak zauważa Walker,

Po pierwsze, Heisenberg i jego otoczenie nie tylko nie kontrolowali niemieckich wysiłków na rzecz opanowania energii jądrowej, ale nie mogliby tego zrobić, gdyby nawet próbowali, a po drugie, dzięki decyzji władz armii w 1942 roku i ogólnej sytuacji wojennej, Heisenberg i inni naukowcy pracujący nad problemem jądrowym nigdy nie musieli stawić czoła trudnemu dylematowi moralnemu, który pojawia się na myśl o stworzeniu broni jądrowej dla nazistów. Dlaczego mieliby ryzykować próbę zmiany kierunku badań, skoro byli pewni, że nie mogą wpłynąć na wynik wojny?

Drugą stronę debaty reprezentował Sam Goudsmit, który pod koniec wojny pełnił funkcję dyrektora naukowego misji Alsos (wcześniej on i Heisenberg byli dość bliskimi przyjaciółmi). W emocjonalnym sporze, który trwał kilka lat, Goudsmit argumentował, że przeszkodą dla sukcesu w Niemczech były niedociągnięcia nauki w totalitarnym społeczeństwie, ale w rzeczywistości oskarżył niemieckich naukowców o niekompetencję, wierząc, że nie w pełni rozumieją fizykę bomby. Heisenberg zdecydowanie sprzeciwił się temu ostatniemu twierdzeniu. Według Walkera "szkody wyrządzone jego reputacji jako fizyka prawdopodobnie martwiły go bardziej niż krytyka za służenie nazistom.

Teza Heisenberga o "moralnym oporze" została rozwinięta przez Roberta Junga w jego bestsellerze "Jaśniejsza niż tysiąc słońc", gdzie argumentowano, że niemieccy naukowcy świadomie sabotowali rozwój nowych broni. Później ta wersja znalazła również odzwierciedlenie w książce Thomasa Powersa. Z drugiej strony, koncepcja Goudsmita o niekompetencji fizyków wysuniętej na pierwszy plan przez nazistów została podchwycona przez generała Leslie Grovesa, szefa Projektu Manhattan, a później wyrażona przez Paula Lawrence'a Rose'a w jego książce. Według Walkera, który za główną przyczynę niepowodzenia uznał trudności gospodarcze lat wojny, obie przeciwstawne tezy były dalekie od historycznej ścisłości i stanowiły odzwierciedlenie ówczesnych potrzeb: teza Heisenberga miała przywrócić prawa niemieckiej nauce i zrehabilitować naukowców, którzy współpracowali z nazistami, podczas gdy stwierdzenie Goudsmita służyło uzasadnieniu strachu przed nazistowską bronią jądrową i wysiłków aliantów na rzecz jej budowy. Mott i Pyerls również skutecznie podzielali pogląd, że trudności techniczne były kluczowe i że niemożliwe było, aby Niemcy podjęły tak wielki wysiłek w panujących okolicznościach.

Oba przeciwstawne poglądy (o sabotażu i niekompetencji) nie znajdują pełnego potwierdzenia w nagraniach rozmów niemieckich fizyków wykonanych podczas ich internowania w Farm Hall. Co więcej, to właśnie w Farm Hall zostali oni po raz pierwszy skonfrontowani z pytaniem o przyczyny niepowodzenia, ponieważ aż do zrzucenia bomby na Hiroszimę byli przekonani, że znacznie wyprzedzają Amerykanów i Brytyjczyków w rozwoju broni jądrowej. W trakcie tej dyskusji Karl von Weizsäcker po raz pierwszy zasugerował, że nie zbudowali bomby, ponieważ "nie chcieli". Jak wskazuje historyk Horst Kant, ma to sens, ponieważ Heisenberg i Weizsäcker, w przeciwieństwie do Projektu Manhattan, nie poświęcili całego swojego czasu na rozwój nuklearny. W szczególności Heisenberg właśnie w latach 1942-1944 aktywnie rozwijał teorię macierzy S i być może po prostu nie czuł szczególnego zainteresowania badaniami czysto wojskowymi. Hans Bethe, który był szefem wydziału teoretycznego w Los Alamos Laboratory podczas wojny, również doszedł do wniosku z filmów Farm Hall, że Heisenberg nie pracował nad bombą atomową. Debata na ten temat trwa do dziś i jest daleka od zakończenia, ale Cassidy uważa, że można bezpiecznie uznać Heisenberga za osobę, która nie pracowała nad bombą atomową.

...nie jako bohater czy okrutny złoczyńca, ale jako głęboko utalentowany, wykształcony człowiek, który niestety znalazł się bezradny w strasznych okolicznościach swoich czasów, na które, jak większość ludzi, był zupełnie nieprzygotowany.

Przez całe życie Heisenberg zwracał szczególną uwagę na filozoficzne podstawy nauki, którym poświęcił szereg swoich publikacji i przemówień. Pod koniec lat pięćdziesiątych opublikował Physics and Philosophy, tekst wykładów Gifforda na Uniwersytecie St Andrews, a dziesięć lat później swoją autobiograficzną pracę Part and the Whole, którą Carl von Weizsäcker nazwał jedynym platońskim dialogiem naszych czasów. Heisenberg zapoznał się z filozofią Platona jako uczeń gimnazjum klasycznego w Monachium, gdzie otrzymał wysokiej jakości wykształcenie humanistyczne. Ponadto duży wpływ wywarł na niego jego ojciec, ważny naukowiec zajmujący się filozofią. Heisenberg przez całe życie interesował się Platonem i innymi starożytnymi filozofami, a nawet uważał, że "nie można iść naprzód w nowoczesnej fizyce atomowej, nie znając greckiej filozofii". W rozwoju fizyki teoretycznej w drugiej połowie XX wieku dostrzegł powrót (na innym poziomie) do niektórych atomistycznych idei Platona:

Jeśli chcemy porównać wyniki współczesnej fizyki cząstek elementarnych z ideami któregokolwiek ze starych filozofów, filozofia Platona wydaje się najbardziej odpowiednia: cząstki współczesnej fizyki są przedstawicielami grup symetrii i pod tym względem przypominają symetryczne figury filozofii Platona.

To właśnie symetrie określające właściwości cząstek elementarnych - a nie same cząstki - Heisenberg uważał za coś pierwotnego, a jedno z kryteriów prawdziwości teorii poszukującej tych symetrii i związanych z nimi praw zachowania widział w jej pięknie i logicznej spójności. Wpływ filozofii Platona widać także w jego wcześniejszych pracach nad mechaniką kwantową. Innym źródłem inspiracji dla myśliciela Heisenberga była praca Immanuela Kanta, zwłaszcza jego koncepcja wiedzy apriorycznej i jego analiza myślenia eksperymentalnego, odzwierciedlona w interpretacji teorii kwantowej. Wpływ Kanta można dostrzec zarówno w modyfikacji przez Heisenberga znaczenia przyczynowości, jak i w jego koncepcji obserwowalności wielkości fizycznych, która doprowadziła do ustanowienia zasady nieoznaczoności i sformułowania problemu pomiaru w mikrofizyce. Wczesne prace Heisenberga nad mechaniką kwantową były pośrednio pod wpływem pozytywistycznych idei Ernsta Macha (poprzez pisma Einsteina).

Oprócz Einsteina, na Heisenberga głęboki wpływ wywarła jego przyjaźń i współpraca z Nielsem Bohrem, który zwrócił szczególną uwagę na interpretację teorii, wyjaśniając znaczenie używanych w niej pojęć. Heisenberg, którego Wolfgang Pauli początkowo nazywał czystym formalistą, wkrótce przyswoił sobie ideologię Bohra i w swojej słynnej pracy na temat relacji niepewności wniósł znaczący wkład w redefinicję klasycznych pojęć w mikrokosmosie. Później był nie tylko jednym z głównych aktorów w ostatecznym ukształtowaniu tak zwanej kopenhaskiej interpretacji mechaniki kwantowej, ale także wielokrotnie zwracał się do historycznej i konceptualnej analizy współczesnej fizyki. Filozof Anatolij Achutin zidentyfikował ideę granicy w szerokim znaczeniu (koncepcja organizującego centrum, wokół którego budowany jest jednolity obraz świata i nauki; problem wyjścia poza istniejącą wiedzę i skonstruowania nowego obrazu rzeczywistości ("kroki poza horyzont") jako główny motyw w rozumowaniu Heisenberga.

Źródła

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. Прохоров — 3-е изд. — М.: Советская энциклопедия, 1969.
6. В. Гейзенберг. Физика и философия. Часть и целое. — М.: Наука, 1990. — С. 142.
7. ^ a b Heisenberg's work on quantum physics was preceded by a quarter century of research by other authors on the old quantum theory.
8. Werner Heisenberg: Der Teil und das Ganze. R. Piper & Co. Verlag, München 1969, S. 30.
9. Cassidy: Heisenberg, physics and the bomb. Bellevue Literary Press, 2009, S. 119.
10. ^ La famiglia e i primi anni di vita, su xoomer.virgilio.it. URL consultato il 2 ottobre 2022.
11. ^ (EN) Family matters, su history.aip.org. URL consultato il 2 ottobre 2022.
12. ^ Il ginnasio e l’impegno nella Prima Guerra mondiale, su xoomer.virgilio.it. URL consultato il 2 ottobre 2022.
13. ^ Cattaneo, pp. 5-7.
14. ^ Werner Karl Heisenberg, su aif.it. URL consultato il 2 ottobre 2022.