Werner Heisenberg
gigatos | 24 tammikuun, 2022
Yhteenveto
Werner Carl Heisenberg (5. joulukuuta 1901, Würzburg – 1. helmikuuta 1976, München) oli saksalainen teoreettinen fyysikko, yksi kvanttimekaniikan perustajista, fysiikan Nobel-palkinnon saaja (1932) ja useiden akatemioiden ja tieteellisten seurojen jäsen.
Heisenberg on useiden kvanttiteorian perustulosten tekijä: hän loi matriisimekaniikan perustan, muotoili epävarmuussuhteen, sovelsi kvanttimekaniikan formalismia ferromagnetismin ongelmiin, anomaaliseen Zeeman-ilmiöön ja muihin. Myöhemmin hän osallistui aktiivisesti kvanttisähködynamiikan (Heisenberg-Pauli-teoria) ja kvanttikenttäteorian (S-matriisiteoria) kehittämiseen, ja elämänsä viimeisinä vuosikymmeninä hän yritti luoda yhtenäisen kenttäteorian. Heisenberg on yksi ensimmäisistä kvanttimekaanisista ydinvoimateorioista, ja toisen maailmansodan aikana hän oli Saksan ydinhankkeen johtava teoreetikko. Hän työskenteli myös kosmisen säteilyn fysiikan, turbulenssiteorian ja luonnontieteiden filosofisten ongelmien parissa. Heisenbergillä oli merkittävä rooli tieteellisen tutkimuksen organisoinnissa sodanjälkeisessä Saksassa.
Lue myös, elamakerrat – Philippe Pétain
Teinivuodet (1901-1920)
Werner Heisenberg syntyi Würzburgissa keskiajan ja uuden ajan kreikkalaisen filologian professorille August Heisenbergille ja Münchenin Maximilian Gymnasiumin johtajan tyttärelle Annie Weckleinille. Hän oli perheen toinen lapsi, ja hänen vanhemmasta veljestään Erwinistä (1900-1965) tuli myöhemmin kemisti. Perhe muutti Müncheniin vuonna 1910, jossa Werner kävi koulua ja menestyi erinomaisesti matematiikassa, fysiikassa ja kieliopissa. Hänen opintonsa keskeytyivät keväällä 1918, kun hänet ja muut 16-vuotiaat lähetettiin maatilalle aputöihin. Tuolloin hän kiinnostui vakavasti filosofiasta ja luki Platonia ja Kantia. Ensimmäisen maailmansodan päätyttyä maa ja kaupunki olivat epävarmassa tilanteessa, ja valta vaihtui poliittiselta ryhmältä toiselle. Keväällä 1919 Heisenberg toimi hetken aikaa kirkkoherrana ja auttoi kaupunkiin saapuneita Baijerin uuden hallituksen joukkoja. Silloin hän oli mukana nuorisoliikkeessä, jonka osa vastusti voimakkaasti vallitsevaa tilannetta, vanhoja perinteitä ja ennakkoluuloja. Näin Heisenberg itse muisteli erästä näiden nuorten tapaamista:
Monien puheiden paatoksellisuus tuntuisi meille nykyään vieraalta. Kumpi on tärkeämpää, kansamme kohtalo vai ihmiskunnan kohtalo; onko kaatuneiden uhrautuva kuolema merkityksettömäksi tappiossa; onko nuorilla oikeus muokata omaa elämäänsä omien arvomaailmojensa mukaan; kumpi on tärkeämpää, uskollisuus itselle vai vanhat muodot, jotka ovat vuosisatojen ajan järjestäneet ihmisten elämää – kaikista näistä asioista puhuttiin ja kiisteltiin intohimoisesti. Olin liian epäröivä kaikissa asioissa osallistuakseni näihin keskusteluihin, mutta kuuntelin niitä yhä uudelleen ja uudelleen….
Hänen pääkiinnostuksen kohteensa ei kuitenkaan ollut tuolloin politiikka, filosofia tai musiikki (Heisenberg oli lahjakas pianisti, ja Felix Bloch muistelee, että hän pystyi soittamaan soitinta tuntikausia) vaan matematiikka ja fysiikka. Hän opiskeli niitä enimmäkseen itsenäisesti, ja hänen tietämyksensä, joka ylitti huomattavasti koulun oppimäärän, huomattiin erityisesti lukion loppukokeissa. Pitkän sairauden aikana hän luki Hermann Weillin kirjan ”Avaruus, aika ja aine” ja oli vaikuttunut matemaattisten menetelmien ja niiden sovellusten voimasta ja päätti opiskella matematiikkaa Münchenin yliopistossa, jonne hän kirjoittautui kesällä 1920. Matematiikan professori Ferdinand von Lindemann kieltäytyi kuitenkin ottamasta uutta tulokasta seminaarinsa jäseneksi, ja isänsä neuvosta Heisenberg meni tunnetun teoreettisen fyysikon Arnold Sommerfeldin luo. Hän suostui heti ottamaan Wernerin ryhmäänsä, jossa työskenteli jo nuori Wolfgang Pauli, josta tuli pian Heisenbergin läheinen ystävä.
Lue myös, tarkeita_tapahtumia – Karl Marx
München – Göttingen – Kööpenhamina (1920-1927)
Sommerfeldin johdolla Heisenberg alkoi työskennellä niin sanotun ”vanhan kvanttiteorian” pohjalta. Sommerfeld vietti talven 1922-1923 Wisconsinin yliopistossa (USA) ja suositteli, että hänen oppilaansa työskentelisi Göttingenissä Max Bornin johdolla. Näin alkoi näiden kahden tutkijan hedelmällinen yhteistyö. On huomattava, että Heisenberg oli jo kesäkuussa 1922 vieraillut Göttingenissä niin sanotun ”Bohrin festivaalin” aikana, joka oli Niels Bohrin pitämä luentosarja uudesta atomifysiikasta. Nuori fyysikko jopa tutustui kuuluisaan tanskalaiseen ja jutteli hänen kanssaan eräällä kävelyretkellään. Kuten Heisenberg itse myöhemmin muisteli, tämä keskustelu vaikutti suuresti hänen näkemyksiinsä ja lähestymistapaansa tieteellisiin ongelmiin. Hän määritteli eri vaikutteiden roolin elämässään seuraavasti: ”Opin optimismia Sommerfeldiltä, matematiikkaa Göttingenistä ja fysiikkaa Bohrilta.
Heisenberg palasi Müncheniin kesälukukaudeksi 1923. Tähän mennessä hän oli laatinut väitöskirjan, jossa käsiteltiin joitakin hydrodynamiikan perusongelmia. Sommerfeld oli ehdottanut aihetta, sillä hän oli sitä mieltä, että klassisempi aihe yksinkertaistaisi puolustusta. Väitöskirjan lisäksi tohtorintutkinnon saamiseksi oli kuitenkin suoritettava suullinen koe kolmesta oppiaineesta. Erityisen vaikea oli kokeellisen fysiikan koe, johon Heisenberg ei ollut kiinnittänyt paljon huomiota. Lopulta hän ei kyennyt vastaamaan yhteenkään professori Wilhelm Wienin kysymyksistä (Fabry-Perot-interferometrin, mikroskoopin, kaukoputken ja lyijyakun periaatteesta), mutta Sommerfeldin esirukoilun ansiosta hän sai silti alimman arvosanan, joka riitti tutkinnon myöntämiseen.
Syksyllä 1923 Heisenberg palasi Göttingeniin tapaamaan Bornia, joka varmisti hänelle ylimääräisen assistentin paikan. Born kuvaili uutta työntekijäänsä seuraavasti:
Hän näytti yksinkertaiselta talonpoikapojalta, jolla oli lyhyet vaaleat hiukset, kirkkaat eloisat silmät ja viehättävä ilme. Hän hoiti avustajan tehtäviään vakavammin kuin Pauli, ja hän oli minulle suureksi avuksi. Hänen käsittämättömän nopeutensa ja terävän ymmärryksensä ansiosta hän pystyi aina selviytymään valtavasta määrästä työtä ilman suurempia ponnistuksia.
Göttingenissä nuori tiedemies jatkoi Zeeman-ilmiön teorian ja muiden kvanttiongelmien parissa työskentelyä, ja seuraavana vuonna hän habilitaatiokoulutettiin ja sai virallisesti luvan pitää luentoja. Syksyllä 1924 Heisenberg tuli ensimmäistä kertaa Kööpenhaminaan työskentelemään Niels Bohrin alaisuudessa. Hän alkoi myös tehdä tiivistä yhteistyötä Hendrik Kramersin kanssa ja kirjoitti yhteisen artikkelin kvanttidispersioteoriasta.
Keväällä 1925 Heisenberg palasi Göttingeniin ja edistyi seuraavien kuukausien aikana ratkaisevasti ensimmäisen loogisesti johdonmukaisen kvanttiteorian, matriisimekaniikan, rakentamisessa. Myöhemmin teorian formalismia kehitettiin Bornin ja Pascual Jordanin avulla. Erwin Schrödinger esitti teorian toisen muotoilun, aaltomekaniikan, joka sai aikaan sekä lukuisia konkreettisia sovelluksia että teorian fysikaalisten perusteiden syvällisen kehittämisen. Yksi tämän toiminnan tuloksista oli Heisenbergin epävarmuusperiaate, joka muotoiltiin vuoden 1927 alussa.
Toukokuussa 1926 Heisenberg muutti Tanskaan ja aloitti työt Kööpenhaminan yliopiston apulaisprofessorina ja Niels Bohrin avustajana.
Lue myös, taistelut – Gerhardus Mercator
Leipzigistä Berliiniin (1927-1945)
Heisenbergin tieteellisten ansioiden tunnustaminen johti kutsuihin professuuriin Leipzigista ja Zürichistä. Tutkija valitsi Leipzigin, jossa Peter Debye oli yliopiston fysiikan laitoksen johtaja, ja lokakuussa 1927 hän aloitti teoreettisen fysiikan professorin virassa. Hänen muita kollegoitaan olivat Gregor Wentzel ja Friedrich Hund, ja Guido Beck oli hänen ensimmäinen avustajansa. Heisenberg hoiti useita tehtäviä osastolla, luennoi teoreettisesta fysiikasta ja järjesti viikoittaisen atomiteoriaa käsittelevän seminaarin, johon liittyi paitsi intensiivisiä keskusteluja tieteellisistä ongelmista myös ystävällisiä teekutsuja ja satunnaisia pöytätenniskilpailuja (nuori professori pelasi erittäin hyvin ja innokkaasti). Kuten elämäkertakirjoittajat Neville Mott ja Rudolf Peierls toteavat, Heisenbergin varhaisella kuuluisuudella ei kuitenkaan ollut juurikaan vaikutusta hänen henkilökohtaisiin ominaisuuksiinsa:
Kukaan ei olisi tuominnut häntä, jos hän olisi alkanut ottaa itseään vakavasti ja muuttunut hieman mahtipontiseksi otettuaan ainakin kaksi ratkaisevaa askelta, jotka muuttivat fysiikan kasvot, ja tultuaan professoriksi niin nuorena, mikä sai monet vanhemmat ja vähemmän tärkeät ihmiset tuntemaan itsensä myös tärkeiksi, mutta hän pysyi sellaisena kuin oli – epävirallisena ja iloisena kohtelussaan, melkein poikamaisen oloisena, ja hänellä oli ujouden rajamailla oleva vaatimattomuus.
Heisenbergin ensimmäiset oppilaat ilmestyivät Leipzigiin, ja pian Leipzigiin muodostui merkittävä tieteellinen koulu. Teoreettiseen ryhmään kuuluivat eri aikoina Felix Bloch, Hugo Fano, Erich Hückel, Robert Mulliken, Rudolf Peierls, Georg Placzek, John Slater ja 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, Grete Hermann, Hermann Arthur Jahn, Fritz Sauter, Ivan Supek, Harald Wergeland, Giancarlo Wieck, William Vermillion Houston ja monet muut. Vaikka professori ei yleensä perehtynyt opiskelijoidensa töiden matemaattisiin yksityiskohtiin, hän auttoi usein selventämään opiskeltavan ongelman fysikaalista luonnetta. Felix Bloch, Heisenbergin ensimmäinen oppilas (ja myöhempi Nobel-palkittu) kuvasi mentorinsa pedagogisia ja tieteellisiä ominaisuuksia seuraavasti
Jos minun pitäisi valita vain yksi hänen suurista ominaisuuksistaan opettajana, se olisi hänen poikkeuksellisen myönteinen asenteensa kaikkia edistysaskeleita kohtaan ja hänen rohkaisunsa tässä suhteessa. …Yksi Heisenbergin silmiinpistävimmistä piirteistä oli lähes erehtymätön intuitio, jota hän osoitti lähestyessään fysikaalista ongelmaa, ja ilmiömäinen tapa, jolla ratkaisut näyttivät putoavan taivaalta.
Vuonna 1933 Heisenbergille myönnettiin edellisen vuoden fysiikan Nobel-palkinto sanamuodolla ”kvanttimekaniikan luomisesta, jonka sovellukset johtivat muun muassa vedyn allotrooppisten muotojen löytämiseen”. Iloisuudestaan huolimatta tiedemies ilmaisi hämmennyksensä siitä, että hänen kollegansa Paul Dirac ja Erwin Schrödinger saivat saman palkinnon (vuodelta 1933) kahdelle, kun taas Nobel-komitea jätti Max Bornin täysin huomiotta. Tammikuussa 1937 hän tapasi nuoren naisen, berliiniläisen taloustieteen professorin tyttären Elisabeth Schumacherin (1914-1998), ja huhtikuussa hän meni naimisiin tämän kanssa. Seuraavana vuonna he saivat kaksoset Wolfgang ja Anna-Maria. He saivat yhteensä seitsemän lasta, joista osa kiinnostui myös tieteestä: Martin Heisenbergistä tuli geneetikko, Jochen Heisenbergistä fyysikko ja Anna-Mariasta ja Verenasta fysiologit.
Siihen mennessä Saksan poliittinen tilanne oli muuttunut radikaalisti: Hitler oli noussut valtaan. Heisenberg, joka päätti jäädä maahan, joutui pian niin sanotun ”juutalaisen fysiikan” vastustajien hyökkäyksen kohteeksi, johon kuuluivat kvanttimekaniikka ja suhteellisuusteoria. Siitä huolimatta tiedemies työskenteli 1930-luvulla ja 1940-luvun alussa tuotteliaasti atomiydinteorian, kosmisen säteilyn fysiikan ja kvanttikenttäteorian ongelmien parissa. Vuodesta 1939 lähtien hän osallistui Saksan ydinhankkeeseen yhtenä sen johtajista, ja vuonna 1942 hänet nimitettiin Berliinin yliopiston fysiikan professoriksi ja Keisari Vilhelm -seuran fysiikan instituutin johtajaksi.
Lue myös, elamakerrat – Julianus
Sodan jälkeinen aika (1946-1976)
Liittoutuneet pidättivät operaatio Epsilonin aikana kymmenen saksalaista tiedemiestä (Heisenberg mukaan lukien), jotka työskentelivät ydinaseiden parissa natsi-Saksassa. Tutkijat otettiin kiinni 1. toukokuuta ja 30. kesäkuuta 1945 välisenä aikana, ja heidät vietiin kuuntelulaitteilla varustettuun Farm Hall -rakennukseen Godmanchesterissa, lähellä Cambridgeä, Englannissa. Heidät pidettiin siellä 3. heinäkuuta 1945-3. tammikuuta 1946, jotta voitaisiin selvittää, kuinka lähellä saksalaiset olivat atomipommin rakentamista.
Vuoden 1946 alussa eversti B. K. Blount, brittiläisen miehitysvyöhykkeen sotilashallituksen tiedeosaston jäsen, kutsui Heisenbergin ja Otto Hahnin Göttingeniin, jossa tieteen uudestisyntyminen tuhoutuneessa Saksassa oli määrä aloittaa. Tutkijat kiinnittivät paljon huomiota järjestötyöhön ensin tiedeneuvostossa ja sitten Max Planck -seurassa, joka korvasi Keisari Vilhelm -seuran. Vuonna 1949, Saksan liittotasavallan perustamisen jälkeen, Heisenbergistä tuli Saksan tutkimusyhdistyksen ensimmäinen puheenjohtaja, jonka tehtävänä oli edistää tieteellistä työtä maassa. Atomifysiikan komitean johtajana hän oli yksi Saksan ydinreaktorityön käynnistäjistä. Samaan aikaan Heisenberg vastusti Adenauerin hallituksen ydinaseiden hankintaa. Vuonna 1955 hän osallistui aktiivisesti kuudentoista Nobel-palkitun allekirjoittaman niin sanotun Mainaun julistuksen ja kaksi vuotta myöhemmin kahdeksantoista saksalaisen tiedemiehen allekirjoittaman Göttingenin manifestin laatimiseen. Vuonna 1958 hän allekirjoitti Linus Paulingin aloitteesta Yhdistyneiden Kansakuntien pääsihteerille osoitetun vetoomuksen, jossa vaadittiin ydinkokeiden kieltämistä. Tämän toiminnan kaukainen tulos oli Saksan liittyminen ydinaseiden leviämisen estämistä koskevaan sopimukseen.
Heisenberg tuki aktiivisesti CERNin perustamista ja osallistui useisiin sen komiteoihin. Hän oli erityisesti tiedepoliittisen komitean ensimmäinen puheenjohtaja ja osallistui CERNin kehityksen suunnan määrittämiseen. Samaan aikaan Heisenberg toimi johtajana Max Planckin fysiikan instituutissa, joka muutti Göttingenistä Müncheniin vuonna 1958 ja jonka nimi muutettiin Max-Planck-Institut für Physikiksi. Tutkija toimi laitoksen johdossa eläkkeelle siirtymiseensä asti vuonna 1970. Hän käytti vaikutusvaltaansa perustamaan seuran yhteyteen uusia laitoksia – Karlsruhen tutkimuskeskuksen (nykyään osa Karlsruhen yliopistoa), Max-Planck-Institut für Plasmaphysik ja Maan ulkopuolisen fysiikan instituutin. Vuonna 1953 hänestä tuli ensimmäinen sodanjälkeinen puheenjohtaja Alexander von Humboldtin säätiölle, jonka tarkoituksena oli edistää ulkomaisia tutkijoita, jotka halusivat työskennellä Saksassa. Heisenberg toimi tehtävässään kaksi vuosikymmentä, ja hän varmisti säätiön itsenäisyyden ja sen rakenteen, joka oli vapaa valtion virastojen byrokraattisista puutteista.
Monista hallinnollisista ja yhteiskunnallisista tehtävistään huolimatta tutkija jatkoi tieteellistä työtään ja keskittyi viime vuosina pyrkimyksiin kehittää yhtenäinen kenttäteoria. Hänen työtovereihinsa Göttingenin ryhmässä kuuluivat eri aikoina muun muassa Karl von Weizsäcker, Kazuhiko Nishijima, Harry Lehmann, Gerhart Lueders, Reinhard Oehme, Walter Thierring, Bruno Zumino ja Hans-Peter Dürr. Eläkkeelle jäätyään Heisenberg puhui pääasiassa luonnontieteiden yleisistä tai filosofisista kysymyksistä. Vuonna 1975 hänen terveytensä alkoi heikentyä, ja 1. helmikuuta 1976 hän kuoli. Tunnettu fyysikko Eugene Wigner kirjoitti asiasta:
Yksikään elossa oleva teoreettinen fyysikko ei ole antanut suurempaa panosta tieteellemme kuin hän. Samalla hän oli ystävällinen kaikkien kanssa, vailla ylimielisyyttä ja piti meidät miellyttävässä seurassa.
Lue myös, sivilisaatiot – Valakia
Vanha kvanttiteoria
Atomifysiikassa 1920-luvun alussa vallitsi niin sanottu ”vanha kvanttiteoria”, joka alun perin perustui Niels Bohrin ajatuksiin, joita Sommerfeld ja muut tutkijat kehittivät. Yksi tärkeimmistä menetelmistä uusien tulosten saamiseksi oli Bohrin vastaavuusperiaate. Monista onnistumisista huolimatta monia kysymyksiä ei ollut vielä ratkaistu tyydyttävällä tavalla, kuten useiden vuorovaikutuksessa olevien hiukkasten ongelmaa tai avaruudellisen kvantifioinnin ongelmaa. Lisäksi teoria itsessään oli epäjohdonmukainen: Newtonin klassisia lakeja voitiin soveltaa vain elektronin paikallaan oleviin ratoihin, kun taas niiden välistä siirtymistä ei voitu kuvata tällä perusteella.
Sommerfeld, joka oli hyvin tietoinen kaikista näistä vaikeuksista, palkkasi Heisenbergin työstämään teoriaa. Hänen ensimmäinen artikkelinsa, joka julkaistiin vuoden 1922 alussa, käsitteli Zeeman-ilmiön fenomenologista mallia. Tämä työ, jossa ehdotettiin rohkeaa mallia valenssielektronien kanssa vuorovaikutuksessa olevasta atomirungosta ja otettiin käyttöön puolikokonaiskvanttiluvut, teki nuoresta tutkijasta välittömästi yhden teoreettisen spektroskopian johtavista tekijöistä. Myöhemmissä artikkeleissa käsiteltiin spektriviivojen leveyttä ja intensiteettiä sekä niiden zeemanisia komponentteja vastaavuusperiaatteen perusteella. Yhteistyössä Max Bornin kanssa kirjoitetuissa artikkeleissa käsiteltiin monielektronisten atomien teorian yleisiä ongelmia (klassisen häiriöteorian puitteissa), analysoitiin molekyylien teoriaa ja ehdotettiin energialtaan erilaisten molekyylinsisäisten liikkeiden hierarkiaa (molekyylien rotaatiot ja värähtelyt, elektroniset herätteet), arvioitiin atomien polarisoituvuusarvoja ja päädyttiin siihen tulokseen, että oli tarpeen ottaa käyttöön puolikokonaiskvanttiluvut. Toinen kvanttisuhteiden muutos, jossa atomin kvanttitiloille annetaan kaksi puolikeskiarvoista kvanttimomentin kvanttilukua, seurasi anomaalisen Zeeman-ilmiön huomioon ottamisesta (tämä muutos selitettiin myöhemmin elektronin spinin läsnäololla). Tämä työ toimi Bornin ehdotuksesta Habilitationsschriftinä eli perustana Heisenbergin 22-vuotiaana Göttingenin yliopistossa saamalle habilitoinnille.
Kööpenhaminassa Hendrik Kramersin kanssa yhdessä kirjoitettu teos sisälsi dispersioteorian muotoilun, jossa yleistettiin Bornin ja Kramersin viimeaikaisia tuloksia. Sen tuloksena saatiin kvanttiteoreettiset analogit dispersiokaavoille atomin polarisoituvuudelle tietyssä stationaarisessa tilassa ottaen huomioon siirtymien mahdollisuuden korkeampiin ja matalampiin tiloihin. Tämä vuoden 1925 alussa julkaistu tärkeä teos oli kvanttimekaniikan ensimmäisen muotoilun välitön edeltäjä.
Lue myös, elamakerrat – Ginger Rogers
Matriisimekaniikan luominen
Heisenberg ei ollut tyytyväinen teorian nykytilaan, joka edellytti jokaisen klassisen fysiikan ongelman ratkaisemista ja sen kääntämistä kvanttikielelle vastaavuusperiaatteen avulla. Tällainen lähestymistapa ei aina tuottanut tuloksia, ja se riippui pitkälti tutkijan intuitiosta. Keväällä 1925 Heisenberg, joka etsi tiukkaa ja loogisesti johdonmukaista formalismia, päätti luopua vanhasta kuvauksesta ja korvata sen niin sanottujen havaittavien suureiden kuvauksella. Tähän ajatukseen vaikutti Albert Einsteinin työ, joka antoi relativistisen määritelmän ajalle havaitsemattoman Newtonin absoluuttisen ajan sijasta. (Kuitenkin jo huhtikuussa 1926 Einstein huomautti yksityisessä keskustelussaan Heisenbergin kanssa, että teoria määrää, mitkä suureet ovat havaittavissa ja mitkä eivät.) Heisenberg hylkäsi klassiset käsitteet elektronin sijainnista ja impulssista atomissa ja otti huomioon värähtelyjen taajuuden ja amplitudin, jotka voidaan määrittää optisen kokeen avulla. Hän onnistui esittämään nämä suureet kompleksilukujen joukkoina ja antamaan niiden kertomisen säännön, joka osoittautui ei-kommutatiiviseksi, ja soveltamaan kehitettyä menetelmää anharmonisen oskillaattorin ongelmaan. Harmonisen oskillaattorin erityistapauksessa siitä seurasi luonnollisesti niin sanotun ”nollapiste-energian” olemassaolo. Vastaavuusperiaate sisällytettiin näin ollen kehitetyn matemaattisen järjestelmän perustuksiin.
Heisenberg sai ratkaisun kesäkuussa 1925 Helgolandin saarella, jossa hän oli toipumassa heinänuhasta. Kun hän palasi Göttingeniin, hän kuvaili tuloksensa artikkelissa ”On the quantum-theoretic interpretation of kinematic and mechanical relations” ja lähetti sen Wolfgang Pauliin. Saatuaan jälkimmäisen hyväksynnän Heisenberg antoi artikkelin Bornille julkaistavaksi Zeitschrift für Physik -lehdessä, jossa se julkaistiin 29. heinäkuuta 1925. Born tajusi pian, että fysikaalisia suureita kuvaavat lukujoukot olivat pelkkiä matriiseja ja että Heisenbergin sääntö niiden kertomiseen oli matriisien kertomissääntö.
Matriisimekaniikka sai yleisesti ottaen melko passiivisen vastaanoton fysiikan piirissä, joka ei juurikaan tuntenut matriisien matemaattista formalismia ja jota teorian äärimmäinen abstraktius lannisti. Vain harvat tutkijat kiinnittivät huomiota Heisenbergin artikkeliin. Esimerkiksi Niels Bohr kehui sitä välittömästi ja totesi, että ”mekaniikan ja matematiikan keskinäisen stimuloinnin uusi aikakausi on alkanut”. Born ja Pascual Jordan esittivät matriisimekaniikan ensimmäisen tiukan muotoilun syyskuussa 1925 valmistuneessa yhteisessä artikkelissaan ”Kvanttimekaniikasta”. He saivat perustavanlaatuisen permutaatiosuhteen (kvanttiehto) koordinaatti- ja momenttimatriiseille. Heisenberg osallistui pian tähän tutkimukseen, joka huipentui marraskuussa 1925 valmistuneeseen kuuluisaan ”kolmen miehen työhön” (Drei-Männer Arbeit). Siinä esiteltiin yleinen menetelmä matriisimekaniikkaan liittyvien ongelmien ratkaisemiseksi erityisesti tarkastelemalla järjestelmiä, joilla on mielivaltainen määrä vapausasteita, ottamalla käyttöön kanoniset muunnokset, antamalla perusteet häiriöiden kvanttimekaanisesta teoriasta, ratkaisemalla kulmamomentin kvantittumisen ongelma, keskustelemalla valintasäännöistä ja monista muista kysymyksistä.
Matriisimekaniikan lisämuutokset etenivät kahta päälinjaa pitkin: Bornin ja Norbert Wienerin toteuttama matriisien yleistäminen operaattoreiden muotoon ja Paul Diracin kehittämä teorian esittäminen algebrallisessa muodossa (Hamiltonin formalismin puitteissa). Jälkimmäinen muisteli vuosia myöhemmin, kuinka innostava vaikutus matriisimekaniikan syntymisellä oli ollut atomifysiikan jatkokehitykseen:
Minulla on erittäin painava syy olla Werner Heisenbergin ihailija. Opiskelimme samaan aikaan, olimme lähes samanikäisiä ja työskentelimme saman ongelman parissa. Heisenberg onnistui siinä, missä minä olin epäonnistunut. Siihen mennessä oli kertynyt valtava määrä spektroskooppista materiaalia, ja Heisenberg oli löytänyt oikean polun sokkelonsa läpi. Näin hän aloitti teoreettisen fysiikan kulta-ajan, ja pian jopa toisen luokan opiskelija pystyi tekemään ensiluokkaista työtä.
Lue myös, elamakerrat – Andreas (Kreikan ja Tanskan prinssi)
Epävarmuuksien suhde
Vuoden 1926 alussa Erwin Schrödingerin aaltomekaniikkaa käsittelevä teos, joka kuvasi atomiprosesseja tavanomaisessa muodossa jatkuvilla differentiaaliyhtälöillä ja joka, kuten pian kävi ilmi, oli matemaattisesti identtinen matriisimuodon kanssa, alkoi ilmestyä painettuna. Heisenberg suhtautui kriittisesti uuteen teoriaan ja erityisesti sen alkuperäiseen tulkintaan, jonka mukaan se käsitteli sähkövarausta kantavia reaaliaaltoja. Edes Bornin aaltofunktion todennäköisyyskäsittely ei ratkaissut formalismin tulkintaongelmaa eli siinä käytettyjen käsitteiden merkityksen selventämistä. Ongelman ratkaisun tarve kävi erityisen selväksi syyskuussa 1926 Schrödingerin vierailun jälkeen Kööpenhaminassa, jossa hän pitkässä keskustelussa Bohrin ja Heisenbergin kanssa puolusti kuvaa atomi-ilmiöiden jatkuvuudesta ja kritisoi diskreettisyyden käsitettä ja kvanttihyppyjä.
Heisenbergin analyysin lähtökohtana oli ymmärrys tarpeesta mukauttaa klassisia käsitteitä (kuten ”koordinaatti” ja ”impulssi”), jotta niitä voitaisiin käyttää mikrofysiikassa, aivan kuten suhteellisuusteoria oli mukauttanut avaruuden ja ajan käsitteitä ja siten antanut merkityksen Lorentz-muunnoksen formalismille. Hän löysi ulospääsyn tilanteesta asettamalla klassisten käsitteiden käytölle rajoituksen, joka ilmaistiin matemaattisesti epävarmuussuhteen muodossa: ”mitä tarkemmin sijainti määritellään, sitä epätarkemmin tunnetaan impulssi, ja päinvastoin”. Hän osoitti johtopäätöksensä kuuluisalla henkisellä kokeella, jossa käytettiin gammasäteilymikroskooppia. Heisenberg esitti tuloksensa 14-sivuisessa kirjeessä Pauli, joka kehui niitä. Bohr, joka oli palannut lomaltaan Norjasta, ei ollut täysin tyytyväinen ja esitti useita huomautuksia, mutta Heisenberg kieltäytyi tekemästä muutoksia tekstiinsä ja mainitsi Bohrin ehdotukset jälkikirjoituksessa. Zeitschrift für Physik -lehden toimitus sai 23. maaliskuuta 1927 artikkelin ”Kvanttiteoreettisen kinematiikan ja mekaniikan havainnollistavasta sisällöstä”, jossa esiteltiin yksityiskohtaisesti epävarmuusperiaate.
Epävarmuusperiaatteella oli tärkeä rooli kvanttimekaniikan tulkinnan kehittämisessä, mutta se herätti myös useita filosofisia ongelmia. Bohr yhdisti sen samaan aikaan kehittämänsä yleisempään täydentävyyden käsitteeseen: hän tulkitsi epävarmuussuhteet matemaattiseksi ilmaisuksi rajasta, johon asti toisensa poissulkevat (täydentävät) käsitteet ovat mahdollisia. Lisäksi Heisenbergin artikkeli kiinnitti fyysikoiden ja filosofien huomion mittauksen käsitteeseen sekä kirjailijan ehdottamaan uuteen, epätavalliseen käsitykseen kausaalisuudesta: ”… kausaalisuuslain vahvassa muotoilussa: ”jos tietää nykyhetken tarkkaan, voi ennustaa tulevaisuuden”, lähtökohta on väärässä, ei johtopäätös”. Emme voi periaatteessa tuntea nykyhetkeä sen kaikissa yksityiskohdissa”. Myöhemmin, vuonna 1929, hän otti kvanttiteoriaan käyttöön termin ”aaltopaketin romahtaminen”, josta tuli yksi kvanttimekaniikan niin sanotun ”Kööpenhaminan tulkinnan” peruskäsitteistä.
Lue myös, elamakerrat – Johannes Argyropulos
Kvanttimekaniikan sovellukset
Kvanttimekaniikan (ensin matriisi- ja sitten aaltomuodossa) syntyminen, jonka tiedeyhteisö tunnusti välittömästi, vauhditti nopeaa kehitystä kvanttikäsitteiden kehittämisessä ja ratkaisi useita erityisongelmia. Heisenberg itse sai maaliskuussa 1926 valmiiksi Jordanin kanssa yhteisen artikkelin, jossa hän selitti Zeemanin poikkeavan ilmiön käyttämällä Gaudsmitin ja Uhlenbeckin hypoteesia elektronin spinistä. Myöhemmissä, jo Schrödingerin formalismin avulla kirjoitetuissa artikkeleissaan hän tarkasteli monihiukkasjärjestelmiä ja osoitti tilojen symmetrian merkityksen heliumin (termit para- ja ortohelium), litiumionien ja kaksikromimolekyylien spektriominaisuuksien ymmärtämisessä, mikä johti päätelmään vedyn kahden allotrooppisen muodon, orto- ja paravetyjen, olemassaolosta. Itse asiassa Heisenberg päätyi itsenäisesti Fermi-Diracin tilastoihin Pauli-periaatteen mukaisille systeemeille.
Vuonna 1928 Heisenberg loi perustan ferromagnetismin kvanttiteorialle (Heisenbergin malli) käyttämällä elektronien välisten vaihtovoimien käsitettä selittääkseen Pierre Weissin vuonna 1907 esittelemän niin sanotun ”molekyylikentän”. Tässä tapauksessa avainasemassa oli elektronien spinien suhteellinen suunta, joka määräsi aaltofunktion avaruudellisen osan symmetrian ja vaikutti siten elektronien avaruudelliseen jakautumiseen ja niiden väliseen sähköstaattiseen vuorovaikutukseen. 1940-luvun jälkipuoliskolla Heisenberg yritti epäonnistuneesti rakentaa suprajohtavuuden teorian, jossa otettaisiin huomioon vain elektronien välinen sähköstaattinen vuorovaikutus.
Lue myös, historia-fi – Tutankhamon
Kvanttielektrodynamiikka
Vuoden 1927 lopusta lähtien Heisenbergin pääongelma oli kvanttisähködynamiikan rakentaminen, jossa otettaisiin huomioon paitsi kvantifioidun sähkömagneettisen kentän olemassaolo myös sen vuorovaikutus relativististen varattujen hiukkasten kanssa. Vuoden 1928 alussa ilmestynyt Diracin yhtälö relativistiselle elektronille osoitti toisaalta oikean tien, mutta toisaalta synnytti useita ongelmia, jotka näyttivät ratkaisemattomilta – elektronin oman energian ongelma, joka liittyi äärettömän suuren lisäosan esiintymiseen hiukkasen massaan, ja negatiivisen energian omaavien tilojen ongelma. Heisenbergin yhdessä Paulin kanssa tekemä tutkimus ajautui umpikujaan, ja hän luopui siitä väliaikaisesti ja ryhtyi tutkimaan ferromagnetismin teoriaa. Vasta vuoden 1929 alussa he pääsivät pidemmälle ja rakensivat relativistisen teorian yleisen järjestelmän, joka esiteltiin saman vuoden maaliskuussa valmistuneessa artikkelissa. Ehdotettu järjestelmä perustui klassisen kenttäteorian kvantifiointimenettelyyn, joka sisältää relativistisesti muuttumattoman Lagrangen. Tutkijat sovelsivat tätä formalismia järjestelmään, jossa sähkömagneettinen kenttä ja aineen aallot ovat vuorovaikutuksessa keskenään. Seuraavassa, vuonna 1930 julkaistussa artikkelissa he yksinkertaistivat teoriaa huomattavasti käyttämällä symmetriapohdintoja, jotka olivat peräisin yhteydenpidosta kuuluisan matemaatikon Hermann Weilin kanssa. Tämä koski ensinnäkin mittasuhdevarianssin huomioon ottamista, minkä ansiosta päästiin eroon joistakin alkuperäisen muotoilun keinotekoisista rakenteista.
Vaikka Heisenbergin ja Paulin yritys rakentaa kvanttielektrodynamiikka laajensi atomiteorian rajoja merkittävästi ja sisällytti siihen useita tunnettuja tuloksia, se ei kyennyt poistamaan piste-elektronin äärettömään omaenergiaan liittyviä eroavaisuuksia. Kaikki myöhemmin tehdyt yritykset ratkaista tämä ongelma, mukaan lukien niinkin radikaalit yritykset kuin avaruuden kvantifiointi (ristikkomalli), eivät onnistuneet. Ratkaisu löytyi paljon myöhemmin renormalisointiteorian puitteissa.
Vuodesta 1932 lähtien Heisenberg kiinnitti paljon huomiota kosmisen säteilyn ilmiöön, joka hänen mielestään tarjosi mahdollisuuden teoreettisten käsitteiden vakavaan todentamiseen. Carl Anderson löysi kosmisen säteilyn avulla Positronin, jonka Dirac oli aiemmin ennustanut (Diracin ”reikä”). Vuonna 1934 Heisenberg kehitti reikäteorian sisällyttämällä positronit kvanttielektrodynamiikan formalismin piiriin. Samaan aikaan hän esitti Diracin tavoin tyhjiön polarisaatioilmiön olemassaolon ja laski vuonna 1936 yhdessä Hans Eulerin kanssa Maxwellin yhtälöiden kvanttikorjaukset, jotka liittyvät tähän ilmiöön (niin sanottu Heisenberg-Eulerin Lagrangian).
Lue myös, sivilisaatiot – Dneprin-Donetskin kulttuuri
Ydinfysiikka
Vuonna 1932, pian sen jälkeen, kun James Chadwick oli löytänyt neutronin, Heisenberg esitti ajatuksen atomiytimen protoni-neutronirakenteesta (hieman aiemmin sitä oli ehdottanut Dmitri Ivanenko), ja kolmessa artikkelissa hän yritti rakentaa kvanttimekaanisen teorian tällaisesta ytimestä. Vaikka tämä hypoteesi ratkaisi monia aikaisemman (protoni-elektroni) mallin ongelmia, beetahajoamisprosesseissa emittoituvien elektronien alkuperä, eräät ydinhiukkasten tilastolliset ominaisuudet ja nukleonien välisten voimien luonne jäivät epäselviksi. Heisenberg yritti selventää näitä kysymyksiä olettamalla, että ytimen protonien ja neutronien välillä on vaihtovuorovaikutuksia, jotka ovat samanlaisia kuin protonin ja vetyatomin väliset voimat, jotka muodostavat vetymolekyyli-ionin. Tämän vuorovaikutuksen oletetaan tapahtuvan neutronin ja protonin välillä vaihtuvien elektronien välityksellä, mutta näille ydinelektroneille on jouduttu antamaan ”vääriä” ominaisuuksia (erityisesti niiden pitäisi olla spinittömiä eli bosoneja). Neutronien välinen vuorovaikutus kuvattiin samalla tavalla kuin kahden neutraalin atomin välinen vuorovaikutus vetymolekyylissä. Tässä yhteydessä tutkija ilmaisi ensimmäistä kertaa ajatuksen isotooppi-invarianssista, joka liittyy nukleonien väliseen varausten vaihtoon ja ydinvoimien varauksista riippumattomuuteen. Ettore Majorana paransi tätä mallia entisestään ja löysi ydinvoimien kyllästymisvaikutuksen.
Enrico Fermin vuonna 1934 kehittämän beetahajoamisteorian ilmestyttyä Heisenberg osallistui sen laajentamiseen ja ehdotti, että ydinvoimat eivät synny elektronien vaihdosta vaan elektroni-neutriinopareista (itsenäisesti tätä ajatusta kehittivät Ivanenko, Igor Tamm ja Arnold Nordsik). Tämän vuorovaikutuksen suuruus oli kuitenkin paljon pienempi kuin kokeessa havaittiin. Tämä malli (muutamin lisäyksin) pysyi kuitenkin vallitsevana, kunnes Hideki Yukawan teoria ilmestyi, jossa väitettiin raskaampien hiukkasten olemassaolosta, mikä mahdollistaa neutronien ja protonien vuorovaikutuksen ytimessä. Vuonna 1938 Heisenberg ja Euler kehittivät menetelmiä kosmisten säteiden absorptiotietojen analysoimiseksi ja pystyivät antamaan ensimmäisen arvion säteiden kovaan komponenttiin kuuluvan hiukkasen (”mesotronin” tai mesonin, kuten sitä myöhemmin kutsuttiin) eliniästä, joka aluksi yhdistettiin hypoteettiseen Yukawan hiukkaseen. Seuraavana vuonna Heisenberg analysoi olemassa olevien, häiriöteoriaan perustuvien alkeishiukkasvuorovaikutusten kvanttiteorioiden rajoituksia ja keskusteli mahdollisuudesta ylittää nämä teoriat kosmisen säteilyn avulla saavutettavissa olevaan korkeaan energia-alueeseen. Tällä alalla monihiukkasten syntyminen kosmisissa säteissä on mahdollista, mitä hän tarkasteli vektorimesoniteorian puitteissa.
Lue myös, elamakerrat – Akhenaten
Kvanttikenttäteoria
Syyskuun 1942 ja toukokuun 1944 välisenä aikana kirjoitetuissa kolmessa artikkelissa Heisenberg ehdotti radikaalia tapaa päästä eroon kvanttikenttäteorian divergenssistä. Ajatus perustavanlaatuisesta pituudesta (avaruuden kvanttia) sai hänet luopumaan kuvauksesta jatkuvalla Schrödingerin yhtälöllä. Hän palasi takaisin havaittavien suureiden käsitteeseen, joiden välisten suhteiden on oltava tulevan teorian perusta. Näiden suureiden välisiä suhteita varten, joihin hän viittasi yksiselitteisesti stationaaristen tilojen energioihin ja aaltofunktion asymptoottiseen käyttäytymiseen sironta-, absorptio- ja emissioprosesseissa, hän otti käyttöön (riippumatta John Wheeleristä, joka teki sen vuonna 1937) S-matriisin (sironta-matriisi) käsitteen, eli operaattorin, joka muuttaa osuvan aaltofunktion sironneeksi aaltofunktioksi. Heisenbergin ajatuksen mukaan S-matriisin oli määrä korvata Hamiltonian tuleva teoria. Huolimatta tieteellisen tiedonvaihdon vaikeuksista sotaolosuhteissa, sirontamatriisiteoriaa alkoi pian soveltaa useat tutkijat (Ernst Stückelberg Genevessä, Hendrik Kramers Leidenissä, Christian Møller Kööpenhaminassa ja Pauli Princetonissa), jotka ryhtyivät kehittämään formalismin kehittämistä edelleen ja selventämään sen fysikaalisia näkökohtia. Ajan myötä kävi kuitenkin selväksi, että tämä teoria ei voi puhtaassa muodossaan olla vaihtoehto tavalliselle kvanttikenttäteorialle, mutta se voi olla yksi sen hyödyllisistä matemaattisista välineistä. Sitä käytetään (muunnetussa muodossa) erityisesti Feynmanin kvanttielektrodynamiikan formalismissa. S-matriisin käsite, jota on täydennetty useilla ehdoilla, on ollut keskeisessä asemassa niin sanotun aksiomaattisen kvanttikenttäteorian muotoilussa ja myöhemmin säieteorian kehittämisessä.
Sodanjälkeisenä aikana, kun hiljattain löydettyjen alkeishiukkasten määrä lisääntyi, syntyi ongelma kuvata niitä mahdollisimman vähillä kentillä ja vuorovaikutuksilla, yksinkertaisimmassa tapauksessa yhdellä kentällä (silloin voidaan puhua ”yhtenäisestä kenttäteoriasta”). Noin vuodesta 1950 lähtien Heisenbergin tieteellisen työn ytimessä on ollut ongelma löytää oikea yhtälö kuvaamaan yksittäistä kenttää. Hänen lähestymistapansa perustui Diracin yhtälön epälineaariseen yleistämiseen ja jonkinlaiseen peruspituuteen (klassisen elektronin säteen luokkaa), joka rajoittaa tavallisen kvanttimekaniikan sovellettavuutta. Yleisesti ottaen tiedeyhteisö suhtautui epäilevästi tähän suuntaukseen, johon liittyi välittömästi valtavia matemaattisia ongelmia ja tarve ottaa huomioon valtava määrä kokeellisia tietoja, ja sitä kehitettiin lähes yksinomaan Heisenbergin ryhmässä. Vaikka menestystä ei saavutettu ja kvanttiteorian kehitys eteni pääasiassa eri teitä pitkin, joillakin saksalaisen tiedemiehen töissä esiintyvillä ideoilla ja menetelmillä on ollut oma roolinsa tässä jatkokehityksessä. Erityisesti ajatus neutriinon esittämisestä kultakivihiukkasena, joka syntyy spontaanin symmetrian murtumisen seurauksena, vaikutti supersymmetria-käsitteen kehittymiseen.
Lue myös, elamakerrat – Sandro Botticelli
Hydrodynamiikka
Heisenberg alkoi käsitellä hydrodynamiikan perusongelmia 1920-luvun alussa, ja ensimmäisessä artikkelissaan hän yritti Theodore von Karmanin jälkeen määritellä liikkuvan levyn takana esiintyvän pyörteen pyrstön parametrit. Väitöskirjassaan hän tutki laminaarisen virtauksen stabiilisuutta ja turbulenssin luonnetta esimerkkinä nestevirtaus kahden tasossa rinnakkain olevan levyn välillä. Hän pystyi osoittamaan, että laminaarinen virtaus, joka on stabiili pienillä Reynoldsin luvuilla (alle kriittisen arvon), muuttuu aluksi epävakaaksi, mutta hyvin suurilla arvoilla sen stabiilius kasvaa (vain pitkien aaltojen aiheuttamat häiriöt ovat epävakaita). Heisenberg palasi turbulenssiongelmaan vuonna 1945, kun hänet internoitiin Englantiin. Hän kehitti tilastolliseen mekaniikkaan perustuvan lähestymistavan, joka oli pitkälti sama kuin Geoffrey Taylorin, Andrei Kolmogorovin ja muiden tutkijoiden kehittämät ajatukset. Hän pystyi erityisesti osoittamaan, miten energia vaihtuu erikokoisten pyörteiden välillä.
Lue myös, elamakerrat – Django Reinhardt
Suhde natsihallintoon
Pian Hitlerin tultua valtaan tammikuussa 1933 alkoi politiikan raaka tunkeutuminen vakiintuneeseen yliopistoelämään, jonka tavoitteena oli ”puhdistaa” tiede ja koulutus juutalaisista ja muista ei-toivotuista elementeistä. Heisenberg, kuten monet hänen kollegansa, oli järkyttynyt uuden hallinnon silkasta anti-intellektualismista, joka oli omiaan heikentämään saksalaista tiedettä. Aluksi hän oli kuitenkin vielä taipuvainen korostamaan maassa tapahtuvien muutosten myönteisiä piirteitä. Natsien retoriikka saksalaisesta renessanssista ja saksalaisesta kulttuurista näyttäisi vetäneen häntä puoleensa, koska se oli lähellä ensimmäisen maailmansodan jälkeisen nuorisoliikkeen edustamia romanttisia ihanteita. Lisäksi, kuten tiedemiehen elämäkerran kirjoittaja David Cassidy toteaa, Heisenbergin ja hänen kollegoidensa passiivisuus muutoksiin liittyi todennäköisesti perinteeseen, jonka mukaan tiedettä pidettiin politiikan ulkopuolisena instituutiona.
Heisenbergin, Max Planckin ja Max von Lauen yritykset muuttaa juutalaisiin tiedemiehiin kohdistuvaa politiikkaa tai ainakin lieventää sen vaikutuksia henkilökohtaisten kontaktien ja virallisten byrokraattisten kanavien kautta tehtyjen vetoomusten avulla eivät onnistuneet. Syksystä 1933 lähtien ”ei-arjalaiset”, naiset ja vasemmistolaiset eivät saaneet opettaa. 1938 alkaen tulevien luennoitsijoiden oli todistettava poliittinen sopivuutensa. Tässä tilanteessa Heisenberg ja hänen kollegansa, jotka pitivät saksalaisen fysiikan säilyttämistä ensisijaisena tavoitteena, yrittivät korvata vapautuneet virat saksalaisilla tai jopa ulkomaisilla tutkijoilla, mikä sai kielteisen vastaanoton tiedeyhteisössä eikä myöskään saavuttanut tavoitettaan. Viimeinen keino oli erota protestina, mutta Planck sai Heisenbergin luopumaan siitä korostamalla fysiikan säilymisen tärkeyttä huolimatta Saksaa tulevaisuudessa odottavasta katastrofista.
Halu säilyttää epäpoliittinen asenteensa esti Heisenbergiä ja muita tiedemiehiä vastustamasta kasvavaa antisemitismiä yliopistopiireissä, mutta pian ”arjalaiset fyysikot” hyökkäsivät vakavasti heitä vastaan. Vuonna 1935 hyökkäykset ”juutalaista fysiikkaa” vastaan, johon kuuluivat suhteellisuusteoria ja kvanttimekaniikka, kiihtyivät. Näitä toimia, joita virallinen lehdistö tuki, johtivat natsihallinnon aktiiviset tukijat, Nobel-palkitut Johannes Stark ja Philipp Lenard. Arnold Sommerfeldin, joka oli valinnut kuuluisan oppilaansa seuraajakseen Münchenin yliopiston professoriksi, eroaminen johti hyökkäyksiin Heisenbergiä vastaan, ja Stark leimasi hänet joulukuussa 1935 ”Geist von Einsteins Geistiksi” (saksaksi: Geist von Einsteins Geist). Tiedemies julkaisi vastauksen natsipuolueen Völkischer Beobachter -lehdessä ja vaati, että fysiikan perusteorioihin olisi kiinnitettävä enemmän huomiota. Keväällä 1936 Heisenberg onnistui yhdessä Hans Geigerin ja Max Wienin kanssa keräämään 75 professorin allekirjoitukset vetoomukseen, jolla tuettiin tätä vaatimusta. Nämä vastatoimet näyttivät taivuttavan keisarillisen opetusministeriön tiedemiesten puolelle, mutta 15. heinäkuuta 1937 tilanne muuttui jälleen kerran. Samana päivänä SS:n virallinen sanomalehti Das Schwarze Korps julkaisi Starkin suuren artikkelin ”Valkoiset juutalaiset tieteessä” (”Weisse Juden” in der Wissenschaft), jossa julistettiin tarvetta poistaa ”juutalainen henki” saksalaisesta fysiikasta. Heisenbergiä uhattiin karkottamisella keskitysleirille, ja hänet nimitettiin ”fysiikan Osieckiksi”. Huolimatta useista ulkomailta tulleista kutsuista, Heisenberg ei halunnut lähteä maasta ja päätti neuvotella hallituksen kanssa. David Cassidy antoi seuraavan kuvan tästä vaikeasta valinnasta.
Jos hallinto olisi palauttanut hänen ylemmän asemansa, hän olisi hyväksynyt vaaditut kompromissit ja vakuuttanut itsensä uuden oikeutuksen oikeudenmukaisuudesta: säilyttämällä asemansa hän suojeli henkilökohtaisella uhrauksella oikeaa saksalaista fysiikkaa kansallissosialismin vääristelyltä.
Valitsemansa linjan mukaisesti Heisenberg laati kaksi virallista kirjettä – valtakunnan opetusministeriölle ja SS Reichsführer Heinrich Himmlerille – ja vaati virallista vastausta Starkin ja hänen kannattajiensa toimiin. Kirjeissä hän totesi, että jos viranomaiset hyväksyisivät hyökkäykset virallisesti, hän eroaisi virastaan; jos ei, hän vaatisi hallituksen suojelua. Tiedemiehen äidin ja Himmlerin äidin välisen tuttavuuden ansiosta kirje pääsi perille. Kesti kuitenkin lähes vuoden, jonka aikana Gestapo kuulusteli Heisenbergiä, hänen kotikeskustelujaan kuunneltiin ja hänen toimiaan vakoiltiin, ennen kuin hän sai myönteisen vastauksen korkealta valtakunnan virkamieheltä. Münchenin professorin virka annettiin kuitenkin edelleen toiselle, puolueelle uskollisemmalle ehdokkaalle.
Lue myös, elamakerrat – Salvador Dalí
Uraanihankkeen käynnistäminen. Matka Kööpenhaminaan
Cassidy kuvasi Heisenbergin ja natsijohdon välistä kompromissia kuvaannollisesti Faustin sopimukseksi. Toisaalta ”arjalaisia fyysikkoja” vastaan saavutettu menestys ja tiedemiehen julkinen kuntoutus merkitsivät hänen (ja hänen kollegoidensa) merkityksen tunnustamista fysiikan opetuksen ja tutkimuksen korkean tason ylläpitämisessä maassa. Tämän kompromissin toinen puoli oli saksalaisten tiedemiesten (Heisenberg mukaan luettuna) halukkuus tehdä yhteistyötä viranomaisten kanssa ja osallistua kolmannen valtakunnan sotilaalliseen kehitystyöhön. Jälkimmäisen merkitys kasvoi erityisesti toisen maailmansodan puhjettua, ei ainoastaan armeijan vaan myös tutkijoiden itsensä kannalta, koska yhteistyö armeijan kanssa toimi luotettavana suojana rintamalle värväämistä vastaan. Heisenbergin suostumisessa työskentelemään natsihallitukselle oli toinenkin puoli, jonka Mott ja Peierls ilmaisivat seuraavasti:
…On perusteltua olettaa, että hän halusi Saksan voittavan sodan. Hän ei hyväksynyt monia natsihallinnon piirteitä, mutta hän oli isänmaallinen. Maansa kukistamisen toivominen olisi merkinnyt paljon kapinallisempia näkemyksiä kuin mitä hänellä oli.
Armeijan johto tuki jo syyskuussa 1939 niin sanotun ”Uraanikerhon” (Uranverein) perustamista, jotta voitaisiin tutkia perusteellisemmin Otto Hahnin ja Fritz Strassmannin vuoden 1938 lopulla löytämän uraanin ydinfission käyttömahdollisuuksia. Heisenberg oli yksi niistä, jotka kutsuttiin 26. syyskuuta 1939 pidettyyn ensimmäiseen keskustelutilaisuuteen, jossa hahmoteltiin hankkeen pääpiirteet ja ydinenergian mahdolliset sotilaalliset sovellukset. Tutkijan tehtävänä oli tutkia teoreettisesti ”uraanikoneen”, kuten ydinreaktoria tuolloin kutsuttiin, toimintaa. Joulukuussa 1939 hän toimitti ensimmäisen salaiseksi luokitellun raporttinsa, jossa hän analysoi teoreettisesti mahdollisuutta tuottaa energiaa ydinfissiolla. Raportissa ehdotettiin moderaattoreiksi hiiltä ja raskasta vettä, mutta kesästä 1940 alkaen päätettiin käyttää jälkimmäistä, koska se oli edullisempi ja edullisempi vaihtoehto (sitä oli jo tuotettu miehitetyssä Norjassa).
Sen jälkeen kun natsijohto oli kuntouttanut Heisenbergin, hän sai luennoida Saksan lisäksi myös muissa Euroopan maissa (myös miehitetyissä). Puoluebyrokraattien näkökulmasta hänen oli määrä toimia saksalaisen tieteen kukoistuksen ruumiillistumana. Mark Walker, tunnettu saksalaisen tieteen historian asiantuntija, kirjoitti aiheesta:
On selvää, että Heisenberg työskenteli natsien propagandan hyväksi tietämättään tai ehkä jopa tietämättään. Yhtä selvää on kuitenkin, että asianomaiset kansallissosialistiset virkamiehet käyttivät häntä propagandatarkoituksiin, että hänen toimintansa oli tässä suhteessa tehokasta ja että hänen ulkomaisilla kollegoillaan oli syytä uskoa, että hän edisti natsismia… Tällaiset ulkomaiset luentomatkat myrkyttivät ehkä enemmän kuin mikään muu hänen suhteensa moniin ulkomaisiin kollegoihinsa ja entisiin ystäviinsä Saksan ulkopuolella.
Ehkä tunnetuin esimerkki tällaisesta matkasta oli tapaaminen Niels Bohrin kanssa Kööpenhaminassa syyskuussa 1941. Tutkijoiden välisen keskustelun yksityiskohtia ei tunneta, ja tulkinnat vaihtelevat suuresti. Heisenbergin itsensä mukaan hän halusi tietää opettajansa mielipiteen uusien aseiden luomiseen liittyvistä moraalisista näkökohdista, mutta koska hän ei voinut puhua avoimesti, Bohr ymmärsi hänet väärin. Tanskalainen tulkitsi kohtaamisen hyvin eri tavalla. Hän sai sen vaikutelman, että saksalaiset työskentelivät intensiivisesti uraania koskevan aiheen parissa, ja Heisenberg halusi selvittää, mitä hän tiesi siitä. Lisäksi Bohr uskoi, että hänen vieraansa oli ehdottanut hänelle yhteistyötä natsien kanssa. Tanskalaisen tiedemiehen näkemykset heijastuivat kirjeluonnoksissa, jotka julkaistiin ensimmäisen kerran vuonna 2002 ja joista keskusteltiin laajasti lehdistössä.
Vuonna 1998 Lontoossa kantaesitettiin englantilaisen näytelmäkirjailijan Michael Fraynin näytelmä Kööpenhamina, jossa keskitytään Bohrin ja Heisenbergin suhteen jaksoon, jota ei ole täysin selvitetty. Sen menestys Yhdistyneessä kuningaskunnassa ja sen jälkeen Broadwaylla herätti keskustelua fyysikoiden ja tieteenhistorioitsijoiden keskuudessa saksalaisen tiedemiehen roolista ”Hitlerin pommin” luomisessa ja Bohrin kanssa käydyn keskustelun sisällöstä. On esitetty, että Heisenberg halusi Bohrin välityksellä viestiä liittoutuneiden fyysikoille, etteivät he jatkaisi ydinaseiden kehittämistä tai keskittyisivät rauhanomaiseen reaktoriin, kuten saksalaiset tutkijat tekivät. Walkerin mukaan Heisenberg kertoi keskustelussa ”kolme asiaa: 1) saksalaiset työskentelevät atomipommin parissa; 2) hän itse suhtautuu tähän työhön kaksijakoisesti; 3) Bohrin tulisi tehdä yhteistyötä Saksan tiedeinstituutin ja miehitysviranomaisten kanssa.”. Ei siis ole yllättävää, että tanskalainen, joka muutti Englantiin ja sitten Yhdysvaltoihin syksyllä 1943, tuki ydinpommin nopeaa kehitystä näissä maissa.
Lue myös, historia-fi – Renessanssi
Yritykset rakentaa reaktori
Vuoden 1942 alkuun mennessä uraanin ja raskaan veden puutteesta huolimatta eri tutkijaryhmät Saksassa olivat onnistuneet tekemään laboratoriokokeita, joiden tulokset olivat rohkaisevia ”uraanikoneen” rakentamiseksi. Erityisesti Robert Döpel onnistui Leipzigissa lisäämään neutronien määrää positiivisesti Heisenbergin ehdottamassa uraanikerrosten pallomaisessa geometriassa. Saksassa yhteensä 70-100 tutkijaa työskenteli uraaniongelman parissa eri ryhmissä, joita yhdisti yhteinen johto. Hankkeen kohtalon kannalta suuri merkitys oli sotilaallisen tiedeneuvoston helmikuussa 1942 järjestämällä konferenssilla (yksi luennoitsijoista oli Heisenberg). Vaikka kokouksessa tunnustettiinkin ydinenergian sotilaallinen potentiaali, Saksan nykyisen taloudellisen ja sotilaallisen tilanteen vuoksi päätettiin, että sen käyttöä ei saavuteta kohtuullisessa ajassa (noin vuoden kuluessa), joten tämä uusi ase ei voisi vaikuttaa sotaan. Ydintutkimusta pidettiin kuitenkin tärkeänä tulevaisuuden kannalta (sekä sotilaallisesti että rauhanomaisesti), ja sen rahoitusta päätettiin jatkaa, mutta yleinen johto siirrettiin sotilaalliselta taholta Imperial Research Councilille. Tämä päätös vahvistettiin kesäkuussa 1942 tiedemiesten ja puolustusministeri Albert Speerin kokouksessa, ja päätavoitteena oli ydinreaktorin rakentaminen. Kuten Walker huomauttaa, päätös olla viemättä työtä teolliselle tasolle osoittautui ratkaisevaksi koko Saksan uraanihankkeen kohtalolle:
Vaikka amerikkalaiset ja saksalaiset olivat siihen asti tehneet rinnakkaista tutkimusta, amerikkalaiset olivat pian saksalaisia edellä… Verrattaessa talvesta 1941 lähtien tehtyä työtä keskenään
Heinäkuussa 1942 Berliinin fysiikan instituutti palautettiin Keisari-Wilhelm-seuralle ”uraanikonetta” koskevien töiden järjestämiseksi, ja Heisenberg nimitettiin instituutin johtajaksi (hänet nimitettiin myös Berliinin yliopiston professoriksi). Koska Peter Debye, joka ei ollut palannut Yhdysvalloista, pysyi virallisesti instituutin johtajana, Heisenbergin viran nimike oli ”instituutin johtaja”. Materiaalipulasta huolimatta Berliinissä tehtiin seuraavina vuosina useita kokeita, joiden tavoitteena oli saada aikaan itsekestävä ketjureaktio erilaisilla geometrioilla varustetuissa ydinkattiloissa. Tämä tavoite oli lähes saavutettu helmikuussa 1945, viimeinen kokeilu, joka oli jo evakuoinnissa, Heigerlohin kylässä sijaitsevaan kallioon kaiverrettuun huoneeseen (itse instituutti sijaitsee lähellä, Hehingenissä.). Salainen Alsos-operaatio vangitsi tiedemiehet ja laitteiston täällä huhtikuussa 1945.
Vähän ennen amerikkalaisten joukkojen saapumista Heisenberg pyöräili baijerilaiseen Urfeldin kylään, jossa hänen perheensä asui ja josta liittoutuneet löysivät hänet pian. Heinäkuussa 1945 hän oli yksi kymmenestä merkittävästä saksalaisesta tiedemiehestä, jotka osallistuivat natsien ydinprojektiin ja jotka internoitiin Farm Halliin Cambridgen lähelle. Fyysikoita tarkkailtiin jatkuvasti kuuden kuukauden ajan, ja heidän keskustelujaan nauhoitettiin piilomikrofoneilla. Britannian hallitus julkisti nauhoitukset helmikuussa 1992, ja ne ovat arvokas asiakirja Saksan ydinhankkeen historiasta.
Lue myös, elamakerrat – Friedrich Nietzsche
Sodan jälkeiset keskustelut
Pian maailmansodan päättymisen jälkeen alkoi kiivas keskustelu siitä, miksi saksalaiset fyysikot eivät onnistuneet rakentamaan atomipommia. Marraskuussa 1946 Die Naturwissenschaften julkaisi Heisenbergin artikkelin natsien ydinhankkeesta. Mark Walker korosti useita tyypillisiä epätarkkuuksia saksalaisen tiedemiehen käsittelyssä tapahtumista: sotilaspiireihin läheisesti sidoksissa olevien fyysikkojen roolin vähättely, eivätkä he salanneet sitä (korostetaan kokeellista virhettä, joka johti raskaan veden (grafiitin sijasta) valintaan moderaattoriksi, vaikka valintaan vaikuttivat ensisijaisesti taloudelliset näkökohdat); hämärtää saksalaisten tiedemiesten käsitystä ydinreaktorin roolista asekelpoisen plutoniumin tuottamisessa; katsoo, että tiedemiesten ja ministeri Speerin tapaamisella oli ratkaiseva merkitys sen ymmärtämisessä, että ydinaseiden rakentaminen ennen sodan päättymistä oli mahdotonta, vaikka armeijan johto oli jo aiemmin tunnustanut tämän ja päättänyt olla kaupallistamatta tutkimusta ja tuhlaamatta siihen arvokkaita resursseja. Samassa Heisenbergin artikkelissa esiintyi ensimmäisen kerran vihjaus siitä, että saksalaiset fyysikot (ainakin Heisenbergin lähipiirissä) kontrolloivat työn kulkua ja yrittivät moraalisin perustein ohjata sitä pois ydinaseiden kehittämisestä. Kuten Walker kuitenkin toteaa,
Ensinnäkin Heisenberg ja hänen lähipiirinsä eivät hallinneet Saksan pyrkimyksiä ydinenergian hallitsemiseksi, mutta he eivät olisi voineet sitä tehdä, jos olisivat edes yrittäneet, ja toiseksi armeijan viranomaisten vuonna 1942 tekemän päätöksen ja yleisen sotatilanteen ansiosta Heisenbergin ja muiden ydinongelman parissa työskentelevien tiedemiesten ei koskaan tarvinnut kohdata vaikeaa moraalista dilemmaa, joka syntyy ajatuksesta valmistaa ydinaseita natseja varten. Miksi he ottaisivat riskin ja yrittäisivät muuttaa tutkimuksen suuntaa, jos he olisivat varmoja siitä, etteivät voisi vaikuttaa sodan lopputulokseen?
Keskustelun toista puolta edusti Sam Goudsmit, joka oli toiminut sodan lopussa Alsos-operaation tieteellisenä johtajana (aiemmin hän ja Heisenberg olivat olleet melko läheisiä ystäviä). Goudsmit väitti useita vuosia kestäneessä kiistassa, että Saksassa menestyksen esteenä olivat tieteen puutteet totalitaarisessa yhteiskunnassa, mutta syytti saksalaisia tiedemiehiä epäpätevyydestä, sillä hän uskoi, etteivät he täysin ymmärtäneet pommin fysiikkaa. Heisenberg vastusti voimakkaasti jälkimmäistä väitettä. Walkerin mukaan ”vahinko, joka aiheutui hänen maineelleen fyysikkona, vaivasi häntä luultavasti enemmän kuin kritiikki siitä, että hän oli palvellut natseja”.
Robert Jung kehitti edelleen Heisenbergin teesiä ”moraalisesta vastarinnasta” bestsellerissään ”Tuhatta aurinkoa kirkkaampi”, jossa itse asiassa jo väitettiin, että saksalaiset tiedemiehet sabotoivat tietoisesti uusien aseiden kehittämistä. Myöhemmin tämä versio on otettu huomioon myös Thomas Powersin kirjassa. Toisaalta Goudsmitin ajatuksen fyysikoiden epäpätevyydestä, joka tuli esiin natsien aikana, otti esille Manhattan-projektin johtaja kenraali Leslie Groves, ja myöhemmin Paul Lawrence Rose ilmaisi sen kirjassaan. Walkerin mukaan, joka piti epäonnistumisen pääasiallisena syynä sotavuosien taloudellisia vaikeuksia, molemmat vastakkaiset teesit olivat kaukana historiallisesta tarkkuudesta ja heijastivat ajan tarpeita: Heisenbergin teesillä pyrittiin palauttamaan saksalaisen tieteen oikeudet ja kuntouttamaan natsien kanssa yhteistyötä tehneet tiedemiehet, kun taas Goudsmitin lausunto palveli oikeuttamaan pelkoa natsien ydinaseista ja liittoutuneiden pyrkimyksiä rakentaa niitä. Mott ja Pyerls olivat myös tosiasiassa samaa mieltä siitä, että tekniset vaikeudet olivat ratkaisevia ja että Saksan oli mahdotonta ponnistella näin paljon vallitsevissa olosuhteissa.
Kumpikaan vastakkainen näkemys (sabotaasi ja epäpätevyys) ei täysin tue saksalaisten fyysikoiden keskusteluista tehtyjä nauhoituksia, jotka on tehty heidän Farm Hallissa tapahtuneen internoinnin aikana. Lisäksi juuri Farm Hallissa he joutuivat ensimmäisen kerran kohtaamaan kysymyksen epäonnistumisen syistä, sillä Hiroshiman pommitukseen asti he olivat vakuuttuneita siitä, että he olivat amerikkalaisia ja brittejä paljon edellä ydinvoiman kehittämisessä. Tämän keskustelun aikana Karl von Weizsäcker esitti ensimmäisen kerran ajatuksen, että pommia ei rakennettu, koska ”ei haluttu”. Kuten historioitsija Horst Kant huomauttaa, tämä on järkevää, sillä toisin kuin Manhattan-projektissa, Heisenberg ja Weizsäcker eivät käyttäneet kaikkea aikaansa ydinvoiman kehittämiseen. Erityisesti Heisenberg kehitti juuri vuosina 1942-1944 aktiivisesti S-matriisin teoriaa, eikä ehkä vain tuntenut erityistä kiinnostusta puhtaasti sotilaalliseen tutkimukseen. Hans Bethe, joka johti sodan aikana Los Alamosin laboratorion teoreettista osastoa, päätteli myös Farm Hall -elokuvista, että Heisenberg ei työskennellyt atomipommin parissa. Keskustelu jatkuu tähän päivään asti, eikä se ole läheskään ohi, mutta Cassidy uskoo, että on turvallista pitää Heisenbergiä
…ei sankarina tai julmana roistona, vaan syvästi lahjakkaana ja koulutettuna miehenä, joka valitettavasti joutui avuttomaksi aikansa hirvittävissä olosuhteissa, joihin hän, kuten useimmat ihmiset, oli täysin valmistautumaton.
Koko elämänsä ajan Heisenberg kiinnitti erityistä huomiota tieteen filosofisiin perusteisiin, joille hän omisti useita julkaisujaan ja puheitaan. Hän julkaisi 1950-luvun lopulla St Andrewsin yliopistossa pidettyjen Gifford-luentojen tekstin Physics and Philosophy ja kymmenen vuotta myöhemmin omaelämäkerrallisen teoksen Part and the Whole, jota Carl von Weizsäcker kutsui aikamme ainoaksi platoniseksi dialogiksi. Heisenberg tutustui Platonin filosofiaan Münchenin klassisen lukion oppilaana, jossa hän sai korkeatasoista humanistista koulutusta. Lisäksi hänen isänsä, merkittävä filosofinen tiedemies, vaikutti häneen suuresti. Heisenberg oli koko elämänsä ajan kiinnostunut Platonista ja muista antiikin filosofeista, ja hän jopa uskoi, että ”nykyaikaisessa atomifysiikassa tuskin voi edetä tuntematta kreikkalaista filosofiaa”. Teoreettisen fysiikan kehityksessä 1900-luvun jälkipuoliskolla hän näki paluun (eri tasolla) joihinkin Platonin atomistisiin ajatuksiin:
Jos haluamme verrata nykyaikaisen hiukkasfysiikan tuloksia jonkin vanhan filosofin ajatuksiin, Platonin filosofia vaikuttaa sopivimmalta: nykyaikaisen fysiikan hiukkaset ovat symmetriaryhmien edustajia, ja tässä suhteessa ne muistuttavat Platonin filosofian symmetrisiä hahmoja.
Heisenberg piti alkeishiukkasten ominaisuuksia määrittäviä symmetrioita – ei itse hiukkasia – ensisijaisina, ja hän piti näitä symmetrioita ja niihin liittyviä säilymislakeja etsivän teorian kauneutta ja loogista järjestystä yhtenä teorian totuuden kriteerinä. Platonin filosofian vaikutus näkyy myös hänen aiemmassa kvanttimekaniikkaa koskevassa työssään. Heisenbergin ajattelijan toinen inspiraation lähde oli Immanuel Kantin työ, erityisesti hänen käsityksensä a priori -tiedosta ja hänen analyysinsä kokeellisesta ajattelusta, joka heijastui kvanttiteorian tulkintaan. Kantin vaikutus näkyy sekä Heisenbergin kausaalisuuden merkityksen muutoksessa että hänen käsityksessään fysikaalisten suureiden havaittavuudesta, joka johti epävarmuusperiaatteen laatimiseen ja mikrofysiikan mittausongelman muotoiluun. Ernst Machin positivistiset ajatukset vaikuttivat epäsuorasti (Einsteinin kirjoitusten kautta) Heisenbergin varhaisiin kvanttimekaniikkaa koskeviin töihin.
Einsteinin lisäksi Heisenbergiin vaikutti syvällisesti hänen ystävyytensä ja yhteistyönsä Niels Bohrin kanssa, joka kiinnitti erityistä huomiota teorian tulkintaan ja selvensi siinä käytettyjen käsitteiden merkitystä. Heisenberg, jota Wolfgang Pauli aluksi kutsui puhtaaksi formalistiksi, omaksui pian Bohrin ideologian ja antoi kuuluisassa epävarmuussuhteita käsittelevässä teoksessaan merkittävän panoksen klassisten käsitteiden uudelleenmäärittelyyn mikromaailmassa. Myöhemmin hän oli yksi tärkeimmistä toimijoista kvanttimekaniikan niin sanotun Kööpenhaminan tulkinnan lopullisessa muotoutumisessa, mutta hän on myös toistuvasti kääntynyt modernin fysiikan historiallisen ja käsitteellisen analyysin puoleen. Filosofi Anatoli Akhutin tunnisti Heisenbergin päättelyssä tärkeäksi motiiviksi ajatuksen rajasta laajassa merkityksessä (käsite organisoivasta keskuksesta, jonka ympärille rakennetaan yhtenäinen kuva maailmasta ja tieteestä; ongelma, joka koskee olemassa olevan tiedon ylittämistä ja uuden kuvan rakentamista todellisuudesta (”askeleet horisontin ulkopuolelle”).
Lue myös, elamakerrat – Maria Stuart
Tärkeimmät tieteelliset artikkelit
Lue myös, elamakerrat – Peter Paul Rubens
Joitakin artikkeleita venäjänkielisestä käännöksestä
lähteet
