Вернер Хайзенберг
gigatos | февруари 2, 2022
Резюме
Вернер Карл Хайзенберг (5 декември 1901 г., Вюрцбург – 1 февруари 1976 г., Мюнхен) е германски физик-теоретик, един от основателите на квантовата механика, носител на Нобелова награда за физика (1932 г.) и член на редица академии и научни дружества.
Хайзенберг е автор на редица фундаментални резултати в квантовата теория: той полага основите на матричната механика, формулира връзката на неопределеността, прилага формализма на квантовата механика към проблемите на феромагнетизма, аномалния ефект на Зееман и др. По-късно участва активно в развитието на квантовата електродинамика (теорията на Хайзенберг и Паули) и квантовата теория на полето (теорията на S-матрицата), а през последните десетилетия от живота си прави опити за създаване на единна теория на полето. Хайзенберг е автор на една от първите квантовомеханични теории за ядрените сили, а по време на Втората световна война е водещ теоретик на германския ядрен проект. Работи и върху физиката на космическите лъчи, теорията на турбулентността и философски проблеми на естествените науки. Хайзенберг изиграва важна роля в организацията на научните изследвания в следвоенна Германия.
Тийнейджърските години (1901-1920)
Вернер Хайзенберг е роден във Вюрцбург в семейството на Аугуст Хайзенберг, професор по средновековна и съвременна гръцка филология, и Ани Веклайн, дъщеря на директора на Максимилианската гимназия в Мюнхен. Той е второто дете в семейството, а по-големият му брат Ервин (1900-1965) по-късно става химик. Семейството се премества в Мюнхен през 1910 г., където Вернер посещава училище, където постига отлични резултати по математика, физика и граматика. Обучението му е прекъснато през пролетта на 1918 г., когато заедно с други 16-годишни младежи е изпратен във ферма за помощна работа. По това време той започва да се интересува сериозно от философия, като чете Платон и Кант. След края на Първата световна война страната и градът са в несигурно положение, властта се предава от една политическа група на друга. През пролетта на 1919 г. Хайзенберг служи за кратко като служител на ризницата, помагайки на войниците на новото баварско правителство, които са влезли в града. Тогава той се включва в младежко движение, част от което силно се противопоставя на статуквото, на старите традиции и предразсъдъци. Ето как самият Хайзенберг си спомня за една от срещите на тези млади хора:
Имаше много речи, чийто патос би ни се сторил чужд днес. Кое е по-важно – съдбата на нашия народ или съдбата на човечеството; дали жертвената смърт на падналите е безсмислена в поражението; дали младите хора имат право да формират собствения си живот според собствените си представи за ценности; кое е по-важно – верността към себе си или старите форми, които са подреждали живота на хората в продължение на векове – за всички тези неща се говореше и спореше със страст. Бях твърде нерешителен по всички въпроси, за да участвам в тези дебати, но ги слушах отново и отново…
Основните му интереси по това време обаче не са свързани с политиката, философията или музиката (Хайзенберг е бил талантлив пианист и, както си спомня Феликс Блох, е можел да свири на инструмента с часове), а с математиката и физиката. Той ги изучава предимно самостоятелно, а знанията му, които далеч надхвърлят училищния курс, са особено забележими на последните изпити в гимназията. По време на продължително боледуване той прочита книгата на Херман Вайл „Пространство, време и материя“ и е впечатлен от силата на математическите методи и техните приложения и решава да учи математика в Мюнхенския университет, където се записва през лятото на 1920 г. Въпреки това Фердинанд фон Линдеман, професор по математика, отказва да направи новодошлия член на своя семинар и по съвет на баща си Хайзенберг отива при известния теоретичен физик Арнолд Зомерфелд. Той веднага се съгласява да приеме Вернер в своята група, където вече работи младият Волфганг Паули, който скоро става близък приятел на Хайзенберг.
Мюнхен – Гьотинген – Копенхаген (1920-1927 г.)
Под ръководството на Зомерфелд Хайзенберг започва да работи в духа на така наречената „стара квантова теория“. Зимата на 1922-1923 г. Зомерфелд прекарва в Университета на Уисконсин (САЩ), като препоръчва на ученика си да работи в Гьотинген при Макс Борн. Така започва ползотворно сътрудничество между двамата учени. Трябва да се отбележи, че Хайзенберг вече е посетил Гьотинген през юни 1922 г. по време на така наречения „Борски фестивал“ – поредица от лекции по нова атомна физика, изнесени от Нилс Бор. Младият физик дори се запознава с известния датчанин и разговаря с него по време на една от разходките му. Както самият Хайзенберг по-късно си спомня, този разговор оказва голямо влияние върху формирането на възгледите му и подхода към научните проблеми. Той определя ролята на различните влияния в живота си по следния начин: „Научих се на оптимизъм от Зомерфелд, на математика – от Гьотинген, а на физика – от Бор.
Хайзенберг се връща в Мюнхен за летния семестър на 1923 г. По това време той вече е подготвил дисертация, посветена на някои фундаментални проблеми на хидродинамиката. Темата беше предложена от Зомерфелд, който смяташе, че една по-класическа тема ще опрости защитата. Освен дисертацията обаче за получаване на докторска степен е необходим и устен изпит по три предмета. Особено труден е един тест в областта на експерименталната физика, на който Хайзенберг не е обръщал особено внимание. В крайна сметка той не успява да отговори на нито един от въпросите на професор Вилхелм Виена (за разделителната способност на интерферометъра на Фабри-Перо, микроскопа, телескопа и принципа на оловната батерия), но благодарение на застъпничеството на Зомерфелд все пак получава най-ниската оценка, достатъчна за присъждане на степента.
Приличаше на обикновено селско момче с къса руса коса, ясни живи очи и очарователно изражение. Той изпълняваше задълженията си на асистент по-сериозно от Паули и ми беше от голяма полза. Непонятната му бързина и разбиране винаги му позволяваха да се справи с огромно количество работа без особени усилия.
В Гьотинген младият учен продължава работата си по теорията на ефекта на Зееман и други квантови проблеми, а през следващата година се хабилитира и получава официално разрешение да изнася лекции. През есента на 1924 г. Хайзенберг за първи път пристига в Копенхаген, за да работи при Нилс Бор. Започва да работи в тясно сътрудничество с Хендрик Крамерс, с когото написват съвместна статия за квантовата теория на дисперсията.
През пролетта на 1925 г. Хайзенберг се завръща в Гьотинген и през следващите няколко месеца постига решителен напредък в изграждането на първата логически последователна квантова теория – матричната механика. Впоследствие формализмът на теорията е усъвършенстван с помощта на Борн и Паскуал Джордан. Друга формулировка на теорията, вълновата механика, е дадена от Ервин Шрьодингер и стимулира както многобройни конкретни приложения, така и задълбочено разработване на физическите основи на теорията. Един от резултатите от тази дейност е принципът на неопределеност на Хайзенберг, формулиран в началото на 1927 г.
През май 1926 г. Хайзенберг се премества в Дания и започва да работи като доцент в Копенхагенския университет и асистент на Нилс Бор.
От Лайпциг до Берлин (1927-1945)
Признанието на научните заслуги на Хайзенберг води до покани за професура от Лайпциг и Цюрих. Ученият избира Лайпциг, където Петер Деби е директор на Физическия институт на университета, и през октомври 1927 г. заема поста професор по теоретична физика. Другите му колеги са Грегор Венцел и Фридрих Хунд, а първият му асистент е Гидо Бек. Хайзенберг изпълнява редица задължения в катедрата, изнася лекции по теоретична физика и организира ежеседмичен семинар по атомна теория, който е съпроводен не само с интензивни дискусии по научни проблеми, но и с приятелски чаени партита и от време на време състезания по тенис на маса (младият професор играе много добре и с голям хъс). Въпреки това, както отбелязват биографите Невил Мот и Рудолф Пейерлс, ранната слава на Хайзенберг не оказва голямо влияние върху личните му качества:
Никой не би го осъдил, ако беше започнал да се взема насериозно и да става малко надут, след като е направил поне две решаващи стъпки, които са променили облика на физиката, и след като е станал професор на толкова млада възраст, което е накарало и много по-възрастни и по-малко важни хора да се почувстват важни, но той си остана такъв, какъвто беше – непринуден и весел в поведението си, почти момчешки и притежаващ скромност, граничеща със срамежливост.
Първите ученици на Хайзенберг се появяват в Лайпциг и скоро тук се формира голяма научна школа. В различни периоди членовете на теоретичната група са Феликс Блох, Хуго Фано, Ерих Хюкел, Робърт Мюликен, Рудолф Пейерлс, Георг Плачек, Джон Слейтър и Едуард Телер, Ласло Тиса, Джон Хасбрук ван Флек, Виктор Вайскопф, Карл фон Вайцзекер, Кларънс Зенер, Исидор Раби, Глеб Ватагин, Ерих Баге, Ханс Ойлер, Зигфрид Флюге, Теодор Фьорстер. Теодор Фьорстер, Грета Херман, Херман Артур Ян, Фриц Заутер, Иван Супек, Харалд Вергеланд, Джанкарло Вик, Уилям Вермилион Хюстън и много други. Въпреки че професорът обикновено не навлизаше в математическите детайли на работата на студентите си, той често помагаше да се изясни физическата същност на изучавания проблем. Феликс Блох, първият ученик на Хайзенберг (и по-късен Нобелов лауреат), описва педагогическите и научните качества на своя ментор по следния начин
Ако трябва да отбележа само едно от великите му качества като учител, това ще бъде изключително позитивното му отношение към всеки напредък и насърчаването му в това отношение. …Една от най-забележителните черти на Хайзенберг беше почти безпогрешната интуиция, която проявяваше в подхода си към физическия проблем, и феноменалният начин, по който решенията сякаш падаха от небето.
През 1933 г. Хайзенберг получава Нобелова награда за физика за предходната година с формулировката „за създаването на квантовата механика, чието приложение, наред с други неща, доведе до откриването на алотропните форми на водорода“. Въпреки радостта си, ученият изразява недоумение от факта, че колегите му Пол Дирак и Ервин Шрьодингер получават същата награда (за 1933 г.) за двама, докато Макс Борн е напълно игнориран от Нобеловия комитет. През януари 1937 г. той се запознава с младата Елизабет Шумахер (1914-1998), дъщеря на берлински професор по икономика, и през април се жени за нея. През следващата година им се раждат близнаците Волфганг и Анна-Мария. Те имат общо седем деца, някои от които също проявяват интерес към науката: Мартин Хайзенберг става генетик, Йохен Хайзенберг – физик, а Анна-Мария и Верена – физиолози.
По това време политическата ситуация в Германия се е променила радикално: Хитлер идва на власт. Хайзенберг, който решава да остане в страната, скоро е нападнат от противниците на така наречената „еврейска физика“, която включва квантовата механика и относителността. Въпреки това през 30-те и началото на 40-те години на ХХ век ученият работи активно по проблеми на теорията на атомното ядро, физиката на космическите лъчи и квантовата теория на полето. От 1939 г. участва в германския ядрен проект като един от неговите ръководители, а през 1942 г. е назначен за професор по физика в Берлинския университет и ръководител на Института по физика към Обществото на кайзер Вилхелм.
Следвоенен период (1946-1976 г.)
По време на операция „Епсилон“ десет германски учени (включително Хайзенберг), които работят върху ядрени оръжия в нацистка Германия, са задържани от съюзническите сили. Учените са заловени между 1 май и 30 юни 1945 г. и са отведени във Farm Hall – подслушвана сграда в Годманчестър, близо до Кеймбридж, Англия. Те са държани там от 3 юли 1945 г. до 3 януари 1946 г., за да се установи колко близо са били германците до създаването на атомна бомба.
В началото на 1946 г. полковник Б. К. Блаунт, член на научния отдел на военното правителство на британската окупационна зона, кани Хайзенберг и Ото Хан в Гьотинген, където трябва да започне възраждането на науката в опустошената Германия. Учените отделят голямо внимание на организационната работа, първо в рамките на Съвета за наука, а след това и на Дружеството „Макс Планк“, което заменя Дружеството „Кайзер Вилхелм“. През 1949 г., след създаването на ФРГ, Хайзенберг става първият председател на Германската асоциация за научни изследвания, която трябва да насърчава научната дейност в страната. Като ръководител на Комитета по атомна физика той е един от инициаторите на работата по ядрените реактори в Германия. В същото време Хайзенберг се противопоставя на придобиването на ядрени оръжия от правителството на Аденауер. През 1955 г. той играе активна роля в появата на т.нар.Декларация от Майнау, подписана от шестнадесет Нобелови лауреати, а две години по-късно – на Гьотингенския манифест на осемнадесет германски учени. През 1958 г. той подписва апел, иницииран от Линус Полинг и адресиран до генералния секретар на ООН, в който се призовава за забрана на ядрените опити. Далечен резултат от тази дейност беше присъединяването на ФРГ към Договора за неразпространение на ядреното оръжие.
Хайзенберг активно подкрепя създаването на ЦЕРН, като участва в редица нейни комисии. По-специално той е първият председател на Комитета за научна политика и участва в определянето на посоката на развитие на ЦЕРН. По същото време Хайзенберг е директор на Института по физика „Макс Планк“, който през 1958 г. се премества от Гьотинген в Мюнхен и се преименува на Институт по физика „Макс Планк“. Ученият е начело на тази институция до пенсионирането си през 1970 г. Той използва влиянието си, за да създаде нови институти в рамките на Дружеството – Изследователския център в Карлсруе (днес част от Университета в Карлсруе), Института за плазмофизика на Макс Планк и Института за извънземна физика. През 1953 г. става първият следвоенен президент на фондация „Александър фон Хумболт“, която има за цел да насърчава чуждестранни учени, желаещи да работят в Германия. Заемайки този пост в продължение на две десетилетия, Хайзенберг осигурява автономност на фондацията и нейната структура, без бюрократичните недостатъци на правителствените агенции.
Въпреки многобройните си административни и социални задължения ученият продължава научната си работа, като през последните години се съсредоточава върху опитите за разработване на единна теория на полето. Сред съмишлениците му в групата в Гьотинген по различно време са Карл фон Вайцзекер, Казухико Нишиджима, Хари Леман, Герхарт Лудерс, Райнхард Оеме, Валтер Тиринг, Бруно Цумино, Ханс-Петер Дюр и др. След пенсионирането си Хайзенберг говори предимно по общи или философски въпроси на естествените науки. През 1975 г. здравето му започва да се влошава и на 1 февруари 1976 г. умира. Известният физик Юджийн Вигнер пише по този повод:
Няма жив физик теоретик, който да е допринесъл повече за нашата наука от него. В същото време той беше приятелски настроен към всички, лишен от високомерие и ни държеше в приятна компания.
Старата квантова теория
Началото на 20-те години на ХХ век в атомната физика е времето на така наречената „стара квантова теория“, която първоначално се основава на идеите на Нилс Бор, развити в работата на Зомерфелд и други учени. Един от основните методи за получаване на нови резултати е принципът на съответствие на Бор. Въпреки редица успехи, много въпроси все още не са решени по задоволителен начин, като например проблемът за няколко взаимодействащи си частици или проблемът за пространственото количествено определяне. Освен това самата теория е непоследователна: класическите закони на Нютон могат да се прилагат само за стационарни орбити на електрона, докато преходът между тях не може да се опише на тази основа.
Зомерфелд, добре запознат с всички тези трудности, ангажира Хайзенберг да работи върху теорията. Първата му статия, публикувана в началото на 1922 г., е посветена на феноменологичен модел на ефекта на Зееман. Тази работа, в която се предлага смел модел на атомната рамка, взаимодействаща с валентните електрони, и се въвеждат полуцялостни квантови числа, веднага превръща младия учен в един от лидерите в теоретичната спектроскопия. В следващите статии се разглеждат ширината и интензитетът на спектралните линии и техните зееманови компоненти въз основа на принципа на съответствието. В статиите, написани в сътрудничество с Макс Борн, се разглеждат общи проблеми на теорията на многоелектронните атоми (в рамките на класическата теория на смущенията), анализира се теорията на молекулите и се предлага йерархия на вътрешномолекулните движения, различаващи се по своята енергия (молекулни ротации и вибрации, електронни възбуждания), оценяват се стойностите на атомните поляризации и се стига до заключението, че е необходимо въвеждането на полуцели квантови числа. Друга модификация на квантовите отношения, състояща се в приписване на квантовите състояния на атома на две полуцели стойности на квантовите числа на ъгловия момент, е следствие от разглеждането на аномалния ефект на Зееман (тази модификация е обяснена по-късно с наличието на електронен спин). По предложение на Борн тази работа служи като Habilitationsschrift, т.е. като основа за хабилитацията, получена от Хайзенберг на 22-годишна възраст в университета в Гьотинген.
Съвместната работа с Хендрик Крамерс, написана в Копенхаген, съдържа формулировка на теорията на дисперсията, която обобщава последните резултати на Борн и Крамерс. Това доведе до квантовотеоретични аналози на дисперсионните формули за поляризуемостта на атома в дадено стационарно състояние, като се отчита възможността за преходи към по-високи и по-ниски състояния. Този важен труд, публикуван в началото на 1925 г., е непосредствен предшественик на първата формулировка на квантовата механика.
Създаване на матрична механика
Хайзенберг не е доволен от състоянието на теорията, която изисква решаването на всеки конкретен проблем в рамките на класическата физика и след това превеждането му на квантов език с помощта на принципа на съответствието. Подобен подход невинаги дава резултати и до голяма степен зависи от интуицията на изследователя. През пролетта на 1925 г., търсейки строг и логически последователен формализъм, Хайзенберг решава да изостави старото описание, заменяйки го с описание на така наречените наблюдаеми величини. Тази идея е повлияна от работата на Алберт Айнщайн, който дава релативистично определение на времето вместо ненаблюдаемото Нютоново абсолютно време. (Въпреки това още през април 1926 г. Айнщайн отбелязва в частен разговор с Хайзенберг, че теорията е тази, която определя кои величини са наблюдаеми и кои не.) Хайзенберг отхвърля класическите концепции за положението и импулса на електрона в атома и разглежда честотата и амплитудата на трептенията, които могат да се определят от оптичен експеримент. Той успява да представи тези величини като множества от комплексни числа и да даде правилото за тяхното умножение, което се оказва некомутативно, а след това да приложи разработения метод към проблема за анармоничния осцилатор. За конкретния случай на хармоничния осцилатор това естествено води до съществуването на така наречената „енергия на нулевата точка“. По този начин принципът на съответствието е включен в самите основи на разработената математическа схема.
Хайзенберг получава решението през юни 1925 г. на остров Хелголанд, където се възстановява от пристъп на сенна хрема. Когато се завръща в Гьотинген, той описва резултатите си в статия „За квантовотеоретичната интерпретация на кинематичните и механичните отношения“ и я изпраща на Волфганг Паули. След като получава одобрението на последния, Хайзенберг предава статията на Борн за публикуване в списанието Zeitschrift für Physik, където тя е получена на 29 юли 1925 г. Скоро Борн осъзнава, че множествата от числа, представящи физичните величини, не са нищо повече от матрици и че правилото на Хайзенберг за тяхното умножаване е правило за умножение на матрици.
Като цяло матричната механика се радва на доста пасивен прием от страна на физическата общност, която е слабо запозната с математическия формализъм на матриците и която е обезкуражена от изключителната абстрактност на теорията. Само няколко учени обръщат внимание на статията на Хайзенберг. Например Нилс Бор веднага го похвали и заяви, че „започва нова ера на взаимно стимулиране на механиката и математиката“. Първата строга формулировка на матричната механика е дадена от Борн и Паскуал Джордан в съвместния им труд „За квантовата механика“, завършен през септември 1925 г. Те получиха фундаменталното отношение на пермутация (квантово условие) за координатните и импулсните матрици. Хайзенберг скоро се включва в тези изследвания, чиято кулминация е известният „труд на тримата“ (Drei-Männer Arbeit), завършен през ноември 1925 г. В него е представен общ метод за решаване на задачи в рамките на матричната механика, по-специално разглеждане на системи с произволен брой степени на свобода, въвеждане на канонични трансформации, даване на основите на квантовомеханичната теория на смущенията, решаване на проблема за квантуване на ъгловия момент, обсъждане на правилата за избор и редица други въпроси.
По-нататъшните модификации на матричната механика се развиват в две основни насоки: обобщаване на матриците във вид на оператори, извършено от Борн и Норберт Винер, и представяне на теорията в алгебрична форма (в рамките на Хамилтоновия формализъм), разработено от Пол Дирак. Много години по-късно той си спомня колко стимулираща е била появата на матричната механика за по-нататъшното развитие на атомната физика:
Имам най-убедителната причина да съм почитател на Вернер Хайзенберг. Учехме по едно и също време, бяхме почти на една и съща възраст и работихме по един и същи проблем. Хайзенберг успя там, където аз не успях. Дотогава се е натрупало огромно количество спектроскопски материал и Хайзенберг е намерил правилния път през лабиринта. По този начин той поставя началото на златна ера на теоретичната физика и скоро дори второкласен студент може да работи на високо ниво.
Съотношение на несигурностите
В началото на 1926 г. започва да се отпечатва работата на Ервин Шрьодингер по вълнова механика, която описва атомните процеси в обичайната форма на непрекъснати диференциални уравнения и която, както скоро става ясно, е математически идентична с матричния формализъм. Хайзенберг се отнася критично към новата теория и особено към нейното първоначално тълкуване като разглеждаща реални вълни, носещи електрически заряд. И дори появата на вероятностното третиране на вълновата функция от Борн не решава проблема с интерпретацията на формализма, т.е. с изясняването на смисъла на използваните в него понятия. Необходимостта от решение на този проблем става особено ясна през септември 1926 г., след посещението на Шрьодингер в Копенхаген, където в дълга дискусия с Бор и Хайзенберг той защитава картината на непрекъснатост на атомните явления и критикува концепцията за дискретност и квантови скокове.
Отправната точка в анализа на Хайзенберг е осъзнаването на необходимостта от коригиране на класическите понятия (като „координата“ и „импулс“), за да могат да се използват в микрофизиката, точно както теорията на относителността е коригирала понятията за пространство и време, като по този начин е придала смисъл на формализма на трансформацията на Лоренц. Той намира изход от ситуацията, като налага ограничение на използването на класическите понятия, изразено математически под формата на зависимостта на неопределеност: „колкото по-точно е определено положението, толкова по-малко точно е известен импулсът, и обратно“. Той демонстрира заключенията си с известен умствен експеримент с гама-лъчев микроскоп. Хайзенберг излага резултатите си в писмо от 14 страници до Паули, който ги оценява високо. Бор, който се е върнал от почивка в Норвегия, не е напълно доволен и прави редица забележки, но Хайзенберг отказва да направи промени в текста си, като споменава предложенията на Бор в послепис. На 23 март 1927 г. в редакцията на Zeitschrift für Physik е получена статията „За нагледното съдържание на квантовотеоретичната кинематика и механика“, в която подробно е описан принципът на неопределеността.
Принципът на неопределеността не само изигра важна роля в развитието на интерпретацията на квантовата механика, но и повдигна редица философски проблеми. Бор го свързва с по-общото понятие за допълнителност, което развива по същото време: той тълкува отношенията на неопределеност като математически израз на границата, до която са възможни взаимно изключващи се (допълнителни) понятия. Освен това статията на Хайзенберг привлича вниманието на физиците и философите към концепцията за измерването, както и към едно ново, необичайно разбиране за причинността, предложено от автора: „… в силната формулировка на закона за причинността: „ако се знае точно настоящето, може да се предскаже бъдещето“, грешна е предпоставката, а не заключението. По принцип не можем да познаваме настоящето във всичките му подробности“. По-късно, през 1929 г., той въвежда в квантовата теория термина „колапс на вълновия пакет“, който се превръща в едно от основните понятия в така наречената „копенхагенска интерпретация“ на квантовата механика.
Приложения на квантовата механика
Появата на квантовата механика (първо в матрична, а след това и във вълнова форма), незабавно призната от научната общност, стимулира бързия напредък в развитието на квантовите концепции, решавайки редица специфични проблеми. Самият Хайзенберг през март 1926 г. завършва съвместна статия с Джордан, в която обяснява аномалния ефект на Зееман, като използва хипотезата на Гаудсмит и Уленбек за електронния спин. В по-късните си статии, които вече са написани с помощта на формализма на Шрьодингер, той разглежда многочастични системи и показва значението на симетрията на състоянията за разбирането на спектралните характеристики на хелия (термините пара- и ортохелий), литиевите йони и двухромните молекули, което води до заключението за съществуването на две алотропни форми на водорода – орто- и параводород. Всъщност Хайзенберг самостоятелно е достигнал до статистиката на Ферми-Дирак за системи, отговарящи на принципа на Паули.
През 1928 г. Хайзенберг създава квантовата теория на феромагнетизма (модел на Хайзенберг), като използва концепцията за обменните сили между електроните, за да обясни така нареченото „молекулярно поле“, въведено от Пиер Вайс през 1907 г. В този случай ключова роля играе относителната посока на електронните спинове, която определя симетрията на пространствената част на вълновата функция и по този начин влияе върху пространственото разпределение на електроните и електростатичното взаимодействие между тях. През втората половина на 40-те години на ХХ век Хайзенберг прави неуспешен опит да изгради теория на свръхпроводимостта, която отчита само електростатичното взаимодействие между електроните.
Квантова електродинамика
От края на 1927 г. основният проблем, който занимава Хайзенберг, е изграждането на квантова електродинамика, която да разглежда не само наличието на квантово електромагнитно поле, но и взаимодействието му с релативистки заредени частици. Уравнението на Дирак за релативисткия електрон, появило се в началото на 1928 г., от една страна, показва правилния път, но от друга, поражда редица проблеми, на пръв поглед неразрешими – проблемът за собствената енергия на електрона, свързан с появата на безкрайно голяма добавка към масата на частицата, и проблемът за състоянията с отрицателна енергия. Изследванията, които Хайзенберг провежда заедно с Паули, попадат в задънена улица и той временно ги изоставя, като се заема с теорията на феромагнетизма. Едва в началото на 1929 г. те успяват да стигнат по-далеч в изграждането на обща схема на релативистката теория, която е описана в статия, завършена през март същата година. Предложената схема се основава на процедура за квантуване на класическата теория на полето, съдържаща релативистки инвариантен Лагранж. Учените приложиха този формализъм към система, включваща електромагнитно поле и вълни от материя, които си взаимодействат помежду си. В следващия документ, публикуван през 1930 г., те значително опростяват теорията, като използват съображения за симетрия, получени при общуването с известния математик Херман Вайл. На първо място това се отнася до съображенията за инвариантност на габаритите, които позволяват да се отървем от някои изкуствени конструкции на първоначалната формулировка.
Въпреки че опитът на Хайзенберг и Паули да създадат квантова електродинамика значително разшири границите на атомната теория, включвайки редица известни резултати, той се оказа неспособен да премахне разминаванията, свързани с безкрайната собствена енергия на точковия електрон. Всички по-късни опити за решаване на този проблем, включително и такива радикални, като квантуването на пространството (модел на решетката), са неуспешни. Решението е намерено много по-късно в рамките на теорията на ренормализацията.
От 1932 г. Хайзенберг обръща голямо внимание на явлението космически лъчи, което според него дава възможност за сериозна проверка на теоретичните концепции. Именно в космическите лъчи Карл Андерсън открива позитрона, предсказан преди това от Дирак („дупката“ на Дирак). През 1934 г. Хайзенберг разработва теорията на дупките, като включва позитроните във формализма на квантовата електродинамика. В същото време, подобно на Дирак, той постулира съществуването на феномена на вакуумната поляризация и през 1936 г., заедно с Ханс Ойлер, изчислява квантовите корекции на уравненията на Максуел, свързани с този ефект (т.нар. Лагранж на Хайзенберг-Ойлер).
Ядрена физика
През 1932 г., скоро след откриването на неутрона от Джеймс Чадуик, Хайзенберг предлага идеята за протонно-неутронна структура на атомното ядро (малко по-рано тя е предложена независимо от Дмитрий Иваненко) и в три статии се опитва да изгради квантовомеханична теория на такова ядро. Въпреки че тази хипотеза разреши много от трудностите на предишния (протон-електронен) модел, произходът на електроните, излъчвани в процесите на бета-разпад, някои особености на статистиката на ядрените частици и природата на силите между нуклоните останаха неясни. Хайзенберг се опитва да изясни тези въпроси, като допуска съществуването на обменни взаимодействия между протоните и неутроните в ядрото, които са подобни на силите между протона и водородния атом, образуващи молекулярния йон на водорода. Предполага се, че това взаимодействие се осъществява чрез електрони, обменяни между неутрона и протона, но на тези ядрени електрони се приписват „погрешни“ свойства (по-специално те трябва да са безспинови, т.е. бозони). Взаимодействието между неутроните се описва подобно на взаимодействието между два неутрални атома във водородна молекула. Тук ученият за пръв път изказва идеята за изотопна инвариантност, свързана с обмена на заряди между нуклоните и със зарядовата независимост на ядрените сили. Допълнителни подобрения на този модел бяха направени от Еторе Майорана, който откри ефекта на насищане на ядрените сили.
След появата през 1934 г. на теорията за бета-разпадането, разработена от Енрико Ферми, Хайзенберг се заема с нейното разширяване и предполага, че ядрените сили не възникват от обмена на електрони, а от двойките електрон-неутрино (независимо от това тази идея е развита от Иваненко, Игор Тамм и Арнолд Нордик). Въпреки това величината на това взаимодействие е много по-малка, отколкото показва експериментът. Въпреки това този модел (с някои допълнения) остава доминиращ до появата на теорията на Хидеки Юкава, която постулира съществуването на по-тежки частици, позволяващи взаимодействието на неутрони и протони в ядрото. През 1938 г. Хайзенберг и Ойлер разработват методи за анализ на данните за поглъщане на космически лъчи и успяват да дадат първата оценка на времето на живот на частица („мезотрон“ или мезон, както е наречена по-късно), принадлежаща към твърдата компонента на лъчите, която първоначално се свързва с хипотетичната частица на Юкава. През следващата година Хайзенберг анализира ограниченията на съществуващите квантови теории за взаимодействията между елементарните частици, основани на теорията на смущенията, и обсъжда възможността за излизане извън рамките на тези теории в диапазона на високите енергии, достижими при космическите лъчи. В тази област е възможно раждането на множество частици в космическите лъчи, което той разглежда в рамките на теорията на векторните мезони.
Квантова теория на полето
В поредица от три статии, написани между септември 1942 г. и май 1944 г., Хайзенберг предлага радикален начин да се отърве от дивергенцията в квантовата теория на полето. Идеята за фундаментална дължина (квант на пространството) го подтиква да се откаже от описанието чрез непрекъснато уравнение на Шрьодингер. Той се връща към концепцията за наблюдаемите обекти, отношенията между които трябва да бъдат в основата на една бъдеща теория. За връзките между тези величини, към които той недвусмислено отнася енергиите на стационарните състояния и асимптотичното поведение на вълновата функция в процесите на разсейване, поглъщане и излъчване, той въвежда (независимо от Джон Уилър, който го прави през 1937 г.) понятието S-матрица (матрица на разсейване), а именно оператор, преобразуващ падаща вълнова функция в разсеяна вълнова функция. Според идеята на Хайзенберг S-матрицата трябваше да замени Хамилтониана в бъдещата теория. Въпреки трудностите при обмена на научна информация в условията на война, теорията на матриците на разсейване скоро е възприета от редица учени (Ернст Щукелберг в Женева, Хендрик Крамерс в Лайден, Кристиан Мьолер в Копенхаген, Паули в Принстън), които се заемат да доразвият формализма и да изяснят физичните му аспекти. С течение на времето обаче стана ясно, че тази теория в чист вид не може да се превърне в алтернатива на обикновената квантова теория на полето, но може да бъде един от полезните математически инструменти в нея. По-специално, той се използва (в модифицирана форма) във формализма на Файнман в квантовата електродинамика. Концепцията за S-матрицата, допълнена от редица условия, заема централно място при формулирането на т.нар. аксиоматична квантова теория на полето, а по-късно и при разработването на теорията на струните.
В следвоенния период, с увеличаването на броя на новооткритите елементарни частици, възниква проблемът за описанието им с възможно най-малко полета и взаимодействия, в най-простия случай – с едно единствено поле (тогава може да се говори за „единна теория на полето“). От около 1950 г. проблемът за намиране на правилното уравнение за описание на едно поле е в основата на научната работа на Хайзенберг. Подходът му се основава на нелинейно обобщение на уравнението на Дирак и на наличието на някаква фундаментална дължина (от порядъка на радиуса на класическия електрон), която ограничава приложимостта на обикновената квантова механика. Като цяло тази насока, която веднага се сблъсква с огромни математически проблеми и необходимостта да се съобрази с огромно количество експериментални данни, е приета скептично от научната общност и се развива почти изцяло в групата на Хайзенберг. Въпреки че успехът не е постигнат и развитието на квантовата теория върви предимно по други пътища, някои идеи и методи, появили се в трудовете на немския учен, са изиграли своята роля в това по-нататъшно развитие. По-специално, идеята за представяне на неутриното като частица от Голдстоун, възникваща в резултат на спонтанно нарушаване на симетрията, оказа влияние върху развитието на концепцията за суперсиметрията.
Хидродинамика
Хайзенберг започва да се занимава с фундаменталните проблеми на хидродинамиката в началото на 20-те години на ХХ век, като в първата си статия той се опитва, следвайки Теодор фон Карман, да определи параметрите на вихровата опашка, която се появява зад движеща се плоча. В докторската си дисертация той изследва стабилността на ламинарния поток и естеството на турбулентността на примера на флуиден поток между две успоредни на равнината плочи. Той успява да покаже, че ламинарният поток, който е стабилен при ниски числа на Рейнолдс (под критична стойност), отначало става нестабилен, но при много високи стойности стабилността му се увеличава (нестабилни са само дълговълновите смущения). Хайзенберг се връща към проблема за турбулентността през 1945 г., когато е интерниран в Англия. Той разработва подход, основан на статистическата механика, който в голяма степен съвпада с идеите, разработени от Джефри Тейлър, Андрей Колмогоров и други учени. По-специално той успя да покаже как се обменя енергия между вихри с различни размери.
Връзка с нацисткия режим
Скоро след идването на Хитлер на власт през януари 1933 г. започва грубо нахлуване на политиката в утвърдения университетски живот с цел „прочистване“ на науката и образованието от евреи и други нежелани елементи. Хайзенберг, както и много негови колеги, е шокиран от антиинтелектуализма на новия режим, който със сигурност ще отслаби германската наука. Първоначално обаче той все още е склонен да изтъква положителните черти на промените, които се случват в страната. Нацистката реторика на немския ренесанс и немската култура изглежда го привлича заради близостта ѝ с романтичните идеали, изповядвани от младежкото движение след Първата световна война. Освен това, както отбелязва биографът на учения Дейвид Касиди, пасивността, с която Хайзенберг и колегите му възприемат промените, вероятно е свързана с традицията да се гледа на науката като на институция извън политиката.
Опитите на Хайзенберг, Макс Планк и Макс фон Лауе да променят политиката спрямо учените евреи или поне да смекчат последиците от нея чрез лични контакти и петиции по официалните бюрократични канали са неуспешни. От есента на 1933 г. на „неарийците“, жените и хората с леви убеждения е забранено да преподават. От 1938 г. бъдещите преподаватели трябва да доказват своята политическа пригодност. В тази ситуация Хайзенберг и колегите му, считайки запазването на германската физика за приоритет, правят опити да заменят овакантените позиции с германски или дори чуждестранни учени, което е прието негативно от научната общност и също не постига целта си. Крайната мярка е да подаде оставка в знак на протест, но Планк разубеждава Хайзенберг, като изтъква важността на оцеляването на физиката въпреки катастрофата, която очаква Германия в бъдеще.
Стремежът да запазят аполитичната си позиция не само пречи на Хайзенберг и другите учени да се противопоставят на нарастващия антисемитизъм в университетските среди, но скоро и самите те са подложени на сериозни атаки от страна на „арийските физици“. През 1935 г. атаките срещу „еврейската физика“, която включва теорията на относителността и квантовата механика, се засилват. Тези действия, подкрепени от официалната преса, са ръководени от активни поддръжници на нацисткия режим – Нобеловите лауреати Йоханес Щарк и Филип Ленард. Оставката на Арнолд Зомерфелд, който избира известния си ученик за свой наследник като професор в Мюнхенския университет, предизвиква нападки срещу Хайзенберг, заклеймен от Щарк през декември 1935 г. като „Geist von Einsteins Geist“ (на немски: Geist von Einsteins Geist). Ученият публикува отговор във вестника на нацистката партия Völkischer Beobachter, в който призовава да се обърне повече внимание на фундаменталните физични теории. През пролетта на 1936 г. Хайзенберг, заедно с Ханс Гайгер и Макс Вин, успява да събере подписите на 75 професори под петиция в подкрепа на този призив. Тези контрамерки сякаш притискат Имперското министерство на образованието на страната на учените, но на 15 юли 1937 г. ситуацията отново се променя. На същия ден официалният вестник на СС Das Schwarze Korps публикува голяма статия на Щарк, озаглавена „Белите евреи в науката“ („Weisse Juden“ in der Wissenschaft), в която се обявява необходимостта от премахване на „еврейския дух“ от германската физика. Лично Хайзенберг е заплашен, че ще бъде изпратен в концентрационен лагер и ще бъде наречен „Осецки на физиката“. Въпреки че по това време получава редица покани от чужбина, Хайзенберг не желае да напусне страната и решава да преговаря с правителството. Дейвид Касиди даде следната представа за този труден избор
Ако режимът беше възстановил статута му на висшестоящ, той щеше да приеме изискваните компромиси, като освен това се убеди в справедливостта на новото оправдание: с личната жертва да остане на поста си, той всъщност защитаваше правилната немска физика от изкривяването ѝ от националсоциализма.
Следвайки избрания от него курс, Хайзенберг изготвя две официални писма – до Министерството на образованието на Райха и до Райхсфюрера на СС Хайнрих Химлер – с искане за официален отговор на действията на Щарк и неговите поддръжници. В писмата той заявява, че ако нападенията са официално одобрени от властите, ще подаде оставка от поста си, а в противен случай ще се нуждае от правителствена защита. Благодарение на познанството на майката на учения с майката на Химлер писмото стига до местоназначението си. Въпреки това минава почти година, през която Хайзенберг е разпитван от Гестапо, подслушвани са домашните му разговори и са шпионирани действията му, преди да получи положителен отговор от висш служител на Райха. Въпреки това професорското място в Мюнхен все пак е дадено на друг, по-лоялен към партията кандидат.
Началото на проекта за уран. Пътуване до Копенхаген
Компромисът, постигнат между Хайзенберг и нацисткото ръководство, е образно описан от Касиди като фаустовска сделка. От една страна, успехът срещу „арийските физици“ и публичната реабилитация на учените означават признание на значението му (и това на колегите му) за поддържането на високо ниво на образованието и изследванията по физика в страната. Другата страна на този компромис е готовността на германските учени (включително Хайзенберг) да сътрудничат на властите и да участват във военните разработки на Третия райх. Значението на последното особено нараства с избухването на Втората световна война, не само за армията, но и за самите учени, тъй като сътрудничеството с армията служи като надеждна защита срещу призоваване на фронта. Съгласието на Хайзенберг да работи за нацисткото правителство има и друга страна, изразена по следния начин от Мот и Пейерлс:
…Разумно е да се предположи, че той е искал Германия да спечели войната. Той не приема много аспекти на нацисткия режим, но е патриот. Желанието страната му да бъде победена би означавало много по-бунтарски възгледи от тези, които той е имал.
Още през септември 1939 г. ръководството на армията подкрепя създаването на така наречения „Уранов клуб“ (Uranverein), за да се проучат по-задълбочено перспективите за използване на ядреното делене на урана, открито от Ото Хан и Фриц Щрасман в края на 1938 г. Хайзенберг е сред поканените на едно от първите обсъждания на проблема на 26 септември 1939 г., на което са очертани планът на проекта и възможността за военни приложения на ядрената енергия. Ученият трябва да изследва теоретично работата на „урановата машина“, както тогава наричат ядрения реактор. През декември 1939 г. той представя първия си засекретен доклад с теоретичен анализ на възможността за генериране на енергия чрез ядрено делене. В този доклад като забавители са предложени въглерод и тежка вода, но от лятото на 1940 г. е решено да се използва последната като по-икономичен и достъпен вариант (тя вече е произведена в окупирана Норвегия).
След реабилитацията му от нацисткото ръководство на Хайзенберг е разрешено да изнася лекции не само в Германия, но и в други европейски страни (включително окупираните). От гледна точка на партийните бюрократи той трябваше да служи като олицетворение на просперитета на германската наука. Марк Уокър, известен специалист по история на германската наука през този период, пише по темата:
Ясно е, че Хайзенберг е работил за нацистката пропаганда несъзнателно, а може би и без да знае. Също толкова ясно е обаче, че съответните националсоциалистически служители са го използвали за пропагандни цели, че дейността му е била ефективна в това отношение и че чуждестранните му колеги са имали основание да смятат, че той пропагандира нацизма… Подобни лекционни пътувания в чужбина, може би повече от всичко друго, са отровили отношенията му с много чуждестранни колеги и бивши приятели извън Германия.
Може би най-известният пример за такова пътуване е срещата с Нилс Бор в Копенхаген през септември 1941 г. Подробностите за разговора между двамата учени не са известни и интерпретациите за него се различават значително. Според самия Хайзенберг той е искал да узнае мнението на своя учител за моралния аспект на създаването на нови оръжия, но тъй като не е можел да говори открито, Бор го е разбрал погрешно. Датчанинът тълкува срещата по съвсем различен начин. Прави му впечатление, че германците работят интензивно по темата за урана и Хайзенберг иска да разбере какво знае за нея. Освен това Бор смята, че гостът му е предложил да сътрудничи на нацистите. Мненията на датския учен бяха отразени в проектописма, публикувани за първи път през 2002 г. и широко обсъждани в пресата.
През 1998 г. в Лондон се състоя премиерата на пиесата „Копенхаген“ от английския драматург Майкъл Фрейн, посветена на не напълно изяснен епизод от отношенията между Бор и Хайзенберг. Успехът на филма в Обединеното кралство, а след това и на Бродуей, стимулира дебати сред физиците и историците на науката относно ролята на немския учен в създаването на „бомбата за Хитлер“ и съдържанието на разговора с Бор. Предполага се, че Хайзенберг е искал да съобщи чрез Бор на съюзническите физици да не се занимават с ядрени оръжия или да се съсредоточат върху мирен реактор, както са направили германските учени. Според Уокър Хайзенберг казва в разговора „три неща: 1) германците работят над атомната бомба; 2) самият той е нееднозначно настроен към тази работа; 3) Бор трябва да си сътрудничи с Германския научен институт и с окупационните власти. Затова не е изненадващо, че след като през есента на 1943 г. датчанинът се премества в Англия, а след това и в САЩ, той подкрепя бързото развитие на ядрената бомба в тези страни.
Опити за изграждане на реактор
В началото на 1942 г., въпреки недостига на уран и тежка вода, различни групи учени в Германия успяват да проведат лабораторни експерименти с обнадеждаващи резултати по отношение на създаването на „уранова машина“. По-специално, в Лайпциг Роберт Дьопел успява да постигне положително увеличение на броя на неутроните в сферичната геометрия на подреждане на урановите слоеве, предложена от Хайзенберг. Общо 70-100 учени в Германия работят по проблема с урана в различни групи, обединени от общо ръководство. От голямо значение за съдбата на проекта е конференцията, организирана от Военния научен съвет през февруари 1942 г. (един от лекторите е Хайзенберг). Въпреки че на тази среща се признава военният потенциал на ядрената енергия, но с оглед на настоящата икономическа и военна ситуация в Германия се решава, че използването ѝ в разумен срок (около година) няма да бъде постигнато и следователно това ново оръжие няма да може да повлияе на войната. Въпреки това ядрените изследвания се смятат за важни за бъдещето (както във военно, така и в мирно отношение) и е решено да продължат да се финансират, но цялостното ръководство е прехвърлено от военните на Имперския съвет за изследвания. Това решение е потвърдено през юни 1942 г. на среща на учени с министъра на въоръженията Алберт Шпеер, а основната цел е да се построи ядрен реактор. Както посочва Уокър, решението да не се пристъпи към промишлено производство се оказва ключово за съдбата на целия германски уранов проект:
Въпреки че дотогава американските и германските изследвания вървяха паралелно, американците скоро изпревариха германците… Сравнявайки работата, извършена от зимата на 1941 г.
През юли 1942 г., за да се организира работата по „урановата машина“, Институтът по физика в Берлин е върнат на Обществото на кайзер Вилхелм и Хайзенберг е назначен за ръководител на Института (той е назначен и за професор в Берлинския университет). Тъй като Питър Деби, който не се е завърнал от САЩ, остава формално директор на Института, длъжността на Хайзенберг е „директор на Института“. Въпреки недостига на материали, през следващите години в Берлин са проведени няколко експеримента с цел получаване на самоподдържаща се верижна реакция в ядрени котли с различна геометрия. Тази цел е почти постигната през февруари 1945 г., последният експеримент, който вече е бил в евакуация, в стая, издълбана в скала в село Хайгерлох (самият институт се намира наблизо, в Хехинген.) Именно тук учените и инсталацията са заловени от тайната мисия „Алсос“ през април 1945 г.
Малко преди пристигането на американските войски Хайзенберг заминава с велосипед за баварското село Урфелд, където се намира семейството му и където скоро е открит от съюзниците. През юли 1945 г. той е един от десетте големи германски учени, участващи в нацисткия ядрен проект, които са интернирани във Farm Hall, близо до Кеймбридж. В продължение на шест месеца физиците са били под постоянно наблюдение, а разговорите им са били записвани със скрити микрофони. Записите са разсекретени от британското правителство през февруари 1992 г. и представляват ценен документ за историята на германския ядрен проект.
Следвоенни дискусии
Малко след края на световната война започва разгорещен дебат за причините за неуспеха на германските физици да създадат атомна бомба. През ноември 1946 г. в Die Naturwissenschaften е публикувана статия на Хайзенберг за нацисткия ядрен проект. Марк Уокър подчертава няколко характерни неточности в интерпретацията на събитията от немския учен: омаловажаване на ролята на физиците, които са били тясно свързани с военните кръгове и не са крили това (акцентиране върху експериментална грешка, довела до избора на тежка вода (вместо графит) като забавител, въпреки че този избор е бил продиктуван предимно от икономически съображения; замъгляване на разбирането на германските учени за ролята на ядрения реактор за производството на плутоний за оръжия; приписва на срещата на учените с министър Шпеер решаващата роля за осъзнаването на невъзможността за създаване на ядрено оръжие преди края на войната, въпреки че това е било осъзнато още по-рано от ръководството на армията, което е решило да не индустриализира изследванията и да не хаби ценни ресурси за тях. В същата статия Хайзенберг за първи път се появява намек, че немските физици (поне тези около Хайзенберг) контролират хода на работата и по морални съображения се опитват да я отклонят от разработването на ядрени оръжия. Въпреки това, както отбелязва Уокър,
Първо, Хайзенберг и неговото обкръжение не само не контролират германските усилия за овладяване на ядрената енергия, но и не биха могли да го направят, ако дори се бяха опитали, и второ, благодарение на решението на армейските власти през 1942 г. и на общата ситуация по време на войната, Хайзенберг и другите учени, работещи по ядрения проблем, никога не се сблъскват с трудната морална дилема, която възниква при мисълта за създаване на ядрени оръжия за нацистите. Защо биха поели риска да се опитат да променят посоката на изследванията, ако са сигурни, че не могат да повлияят на изхода от войната?
Другата страна на дебата беше представена от Сам Гудсмит, който в края на войната беше научен ръководител на мисията „Алсос“ (в по-ранни времена той и Хайзенберг бяха доста близки приятели). В емоционален спор, продължил няколко години, Гудсмит твърди, че пречка за успеха в Германия са недостатъците на науката в едно тоталитарно общество, но всъщност обвинява немските учени в некомпетентност, като смята, че те не разбират напълно физиката на бомбата. Хайзенберг категорично възразява срещу последното твърдение. Според Уокър „накърняването на репутацията му на физик вероятно го е притеснявало повече от критиките за това, че е служил на нацистите.
Тезата на Хайзенберг за „моралната съпротива“ е доразвита от Робърт Юнг в бестселъра му „По-ярко от хиляда слънца“, който всъщност вече твърди, че германските учени съзнателно саботират разработването на нови оръжия. По-късно тази версия е отразена и в книгата на Томас Пауърс. От друга страна, идеята на Гудсмит за некомпетентността на физиците, изведена на преден план по времето на нацистите, е възприета от генерал Лесли Гроувс, ръководител на проекта „Манхатън“, и по-късно изразена от Пол Лорънс Роуз в неговата книга. Според Уокър, който смята, че основната причина за неуспеха са икономическите затруднения през годините на войната, и двете противоположни тези са далеч от историческата точност и са отражение на нуждите на времето: тезата на Хайзенберг е да се възстановят правата на германската наука и да се реабилитират учените, сътрудничили на нацистите, докато изявлението на Гудмит служи за оправдаване на страха от нацистките ядрени оръжия и усилията на съюзниците да ги създадат. Мот и Пиърлс също така споделят мнението, че техническите трудности са от решаващо значение и че е невъзможно Германия да положи толкова големи усилия при съществуващите обстоятелства.
И двете противоположни мнения (за саботаж и некомпетентност) не се потвърждават напълно от записите на разговорите на немските физици, направени по време на интернирането им във Farm Hall. Нещо повече, именно във Farm Hall те за първи път се сблъскват с въпроса за причините за неуспеха, тъй като до бомбардировката на Хирошима са убедени, че са много по-напред от американците и британците в ядреното развитие. В хода на тази дискусия Карл фон Вайцзекер за първи път изказва идеята, че те не са създали бомбата, защото „не са искали да я създадат“. Както отбелязва историкът Хорст Кант, това е логично, тъй като самите Хайзенберг и Вайцзекер, за разлика от участниците в проекта „Манхатън“, не посвещават цялото си време на ядрената разработка. По-специално, Хайзенберг само през 1942-1944 г., активно развива теорията на S-матрицата, и може би просто не се чувства специален интерес към чисто военни изследвания. Ханс Бете, който по време на войната е ръководител на теоретичния отдел в лабораторията в Лос Аламос, също стига до заключението, че Хайзенберг не е работил по атомната бомба въз основа на филмите на Ферма Хол. Дебатът продължава и до днес и далеч не е приключил, но Касиди смята, че е безопасно да се смята, че Хайзенберг
…не като герой или жесток злодей, а като дълбоко талантлив, образован човек, който за съжаление се оказва безпомощен в ужасните обстоятелства на своето време, за които той, както и повечето хора, е бил напълно неподготвен.
През целия си живот Хайзенберг отделя особено внимание на философските основи на науката, на които посвещава редица свои публикации и речи. В края на 50-те години на миналия век той публикува „Физика и философия“, текст на лекциите на Гифорд в университета в Сейнт Андрюс, а десет години по-късно – автобиографичната си книга „Част и цяло“, която Карл фон Вайцзекер нарича единствения платонов диалог на нашето време. Хайзенберг се запознава с философията на Платон като ученик в класическата гимназия в Мюнхен, където получава висококачествено образование в областта на хуманитарните науки. Освен това той е силно повлиян от баща си, който е важен учен-философ. През целия си живот Хайзенберг се интересува от Платон и други древни философи и дори смята, че „човек трудно може да напредне в съвременната атомна физика, ако не познава гръцката философия. В развитието на теоретичната физика през втората половина на ХХ век той вижда завръщане (на различно ниво) към някои от атомистичните идеи на Платон:
Ако искаме да сравним резултатите от съвременната физика на елементарните частици с идеите на някой от старите философи, Платоновата философия изглежда най-подходяща: частиците на съвременната физика са представители на симетрични групи и в това отношение те приличат на симетричните фигури от Платоновата философия.
Именно симетриите, определящи свойствата на елементарните частици, а не самите частици, Хайзенберг смята за нещо първично и един от критериите за истинност на теорията, търсеща тези симетрии и свързаните с тях закони за запазване, вижда в нейната красота и логическа последователност. Влиянието на философията на Платон може да се види и в по-ранната му работа върху квантовата механика. Друг източник на вдъхновение за мислителя Хайзенберг е творчеството на Имануел Кант, особено концепцията му за априорното знание и анализът му на експерименталното мислене, отразени в интерпретацията на квантовата теория. Влиянието на Кант може да се види както в модификацията на Хайзенберг на значението на причинността, така и в концепцията му за наблюдаемостта на физичните величини, която води до установяването на принципа на неопределеността и формулирането на проблема за измерването в микрофизиката. Ранната работа на Хайзенберг върху квантовата механика е косвено повлияна от позитивистките идеи на Ернст Мах (чрез трудовете на Айнщайн).
Освен от Айнщайн, Хайзенберг е силно повлиян от приятелството и сътрудничеството си с Нилс Бор, който обръща особено внимание на тълкуването на теорията, изяснявайки значението на използваните в нея понятия. Хайзенберг, когото Волфганг Паули отначало нарича чист формалист, скоро усвоява идеологията на Бор и в прочутата си работа за отношенията на неопределеност допринася значително за предефинирането на класическите понятия в микрокосмоса. По-късно той е не само едно от главните действащи лица в окончателното формиране на т.нар. копенхагенска интерпретация на квантовата механика, но и многократно се насочва към исторически и концептуален анализ на съвременната физика. Философът Анатолий Ахутин идентифицира идеята за границата в широк смисъл (концепцията за организиращ център, около който се изгражда единна картина на света и науката; проблемът за излизането извън рамките на съществуващото знание и изграждането на нова картина на реалността („стъпки отвъд хоризонта“) като основен мотив в разсъжденията на Хайзенберг.
Някои статии в областта на руския превод
Източници
