Werner Heisenberg
gigatos | ianuarie 24, 2022
Rezumat
Werner Carl Heisenberg (5 decembrie 1901, Würzburg – 1 februarie 1976, München) a fost un fizician teoretician german, unul dintre fondatorii mecanicii cuantice, laureat al Premiului Nobel pentru Fizică (1932) și membru al mai multor academii și societăți științifice.
Heisenberg este autorul unui număr de rezultate fundamentale în teoria cuantică: a pus bazele mecanicii matriciale, a formulat relația de incertitudine, a aplicat formalismul mecanicii cuantice la problemele feromagnetismului, la efectul Zeeman anomal și altele. Ulterior, a participat activ la dezvoltarea electrodinamicii cuantice (teoria Heisenberg – Pauli) și a teoriei cuantice a câmpului (teoria matricei S), iar în ultimele decenii ale vieții sale a încercat să creeze o teorie a câmpului unificat. Heisenberg a elaborat una dintre primele teorii de mecanică cuantică a forțelor nucleare, iar în timpul celui de-al Doilea Război Mondial a fost principalul teoretician al proiectului nuclear german. A lucrat, de asemenea, la fizica razelor cosmice, la teoria turbulenței și la probleme filosofice ale științelor naturale. Heisenberg a jucat un rol major în organizarea cercetării științifice în Germania postbelică.
Citește și, biografii – Iacob al V-lea al Scoției
Anii adolescenței (1901-1920)
Werner Heisenberg s-a născut la Würzburg, din August Heisenberg, profesor de filologie greacă medievală și modernă, și Annie Wecklein, fiica directorului Gimnaziului Maximilian din München. A fost al doilea copil al familiei, iar fratele său mai mare, Erwin (1900-1965), a devenit ulterior chimist. Familia s-a mutat la München în 1910, unde Werner a urmat cursurile școlare, excelând la matematică, fizică și gramatică. Studiile sale au fost întrerupte în primăvara anului 1918, când el și alți tineri de 16 ani au fost trimiși la o fermă pentru a face muncă auxiliară. În această perioadă a început să se intereseze serios de filosofie, citind Platon și Kant. După încheierea Primului Război Mondial, țara și orașul se aflau într-o situație incertă, puterea trecea de la un grup politic la altul. În primăvara anului 1919, Heisenberg a servit pentru scurt timp ca ofițer de sacristie, ajutând trupele noului guvern bavarez care intraseră în oraș. Apoi a fost implicat într-o mișcare de tineret, o parte a căreia se opunea cu tărie status quo-ului, vechilor tradiții și prejudecăți. Iată cum își amintea Heisenberg însuși una dintre întâlnirile acestor tineri:
Au fost multe discursuri al căror patetism ne-ar părea străin astăzi. Ce este mai important, soarta poporului nostru sau soarta omenirii; dacă moartea sacrificială a celor căzuți este lipsită de sens în înfrângere; dacă tinerii au dreptul de a-și modela propria viață în conformitate cu propriile idei de valori; ce este mai important, loialitatea față de ei înșiși sau vechile forme care au ordonat viața oamenilor timp de secole – toate aceste lucruri au fost discutate și argumentate cu pasiune. Am fost prea ezitant în toate privințele pentru a lua parte la aceste dezbateri, dar le-am ascultat din nou și din nou…
Cu toate acestea, principalele sale interese în această perioadă nu erau politica, filosofia sau muzica (Heisenberg era un pianist talentat și, după cum își amintește Felix Bloch, putea cânta la acest instrument ore întregi), ci mai degrabă matematica și fizica. Le-a studiat în cea mai mare parte independent, iar cunoștințele sale, care depășeau cu mult cursul școlar, au fost remarcate în special la examenele finale din gimnaziu. În timpul unei lungi boli, a citit cartea lui Hermann Weill „Spațiu, timp și materie” și a fost impresionat de puterea metodelor matematice și a aplicațiilor acestora, hotărând să studieze matematica la Universitatea din München, unde s-a înscris în vara anului 1920. Cu toate acestea, Ferdinand von Lindemann, un profesor de matematică, a refuzat să-l facă pe noul venit membru al seminarului său și, la sfatul tatălui său, Heisenberg s-a adresat cunoscutului fizician teoretician Arnold Sommerfeld. Acesta a fost imediat de acord să-l accepte pe Werner în grupul său, unde lucra deja tânărul Wolfgang Pauli, care a devenit în curând un prieten apropiat al lui Heisenberg.
Citește și, biografii – Prince (muzician)
München – Göttingen – Copenhaga (1920-1927)
Sub îndrumarea lui Sommerfeld, Heisenberg a început să lucreze în direcția așa-numitei „vechi teorii cuantice”. Sommerfeld a petrecut iarna 1922-1923 la Universitatea din Wisconsin (SUA), recomandându-i elevului său să lucreze la Göttingen cu Max Born. Astfel a început o colaborare fructuoasă între cei doi oameni de știință. Trebuie remarcat faptul că Heisenberg vizitase deja Göttingen în iunie 1922, în timpul așa-numitului „Festival Bohr”, o serie de conferințe despre noua fizică atomică susținute de Niels Bohr. Tânărul fizician a ajuns chiar să-l cunoască pe celebrul danez și a stat de vorbă cu el în timpul uneia dintre plimbările sale. După cum și-a amintit mai târziu Heisenberg însuși, această conversație a avut o mare influență asupra modului în care și-a format opiniile și abordarea problemelor științifice. El a definit astfel rolul diferitelor influențe în viața sa: „Am învățat optimismul de la Sommerfeld, matematica de la Göttingen și fizica de la Bohr.
Heisenberg s-a întors la München pentru semestrul de vară din 1923. În acest timp, a pregătit o teză de doctorat care se ocupa de unele probleme fundamentale ale hidrodinamicii. Subiectul a fost sugerat de Sommerfeld, care a considerat că un subiect mai clasic ar simplifica apărarea. Cu toate acestea, pe lângă teză, pentru a obține titlul de doctor, era necesar un examen oral la trei materii. Deosebit de dificil a fost un test din fizica experimentală, căruia Heisenberg nu-i acordase prea multă atenție. În cele din urmă, nu a reușit să răspundă la niciuna dintre întrebările profesorului Wilhelm Wien (despre rezoluția interferometrului Fabry-Perot, despre microscop, telescop și despre principiul bateriei cu plumb), dar, datorită intervenției lui Sommerfeld, a primit totuși cea mai mică notă, suficientă pentru a i se acorda diploma.
În toamna anului 1923, Heisenberg s-a întors la Göttingen pentru a-l vedea pe Born, care i-a asigurat un post de asistent suplimentar. Born l-a descris pe noul său angajat după cum urmează:
Arăta ca un simplu băiat de țăran, cu părul scurt și blond, cu ochi limpezi și vii și o expresie fermecătoare. Și-a îndeplinit sarcinile de asistent mai serios decât Pauli și mi-a fost de mare ajutor. Rapiditatea sa de neînțeles și înțelegerea sa ascuțită i-au permis întotdeauna să treacă peste o cantitate colosală de muncă fără prea mult efort.
La Göttingen, tânărul om de știință și-a continuat activitatea privind teoria efectului Zeeman și alte probleme cuantice, iar în anul următor a fost autorizat să țină prelegeri. În toamna anului 1924, Heisenberg a venit pentru prima dată la Copenhaga pentru a lucra cu Niels Bohr. De asemenea, a început să lucreze îndeaproape cu Hendrik Kramers, scriind o lucrare comună despre teoria dispersiei cuantice.
În primăvara anului 1925, Heisenberg s-a întors la Göttingen și, în următoarele câteva luni, a făcut progrese decisive în construirea primei teorii cuantice coerente din punct de vedere logic, mecanica matricială. Ulterior, formalismul teoriei a fost perfecționat cu ajutorul lui Born și Pascual Jordan. O altă formulare a teoriei, mecanica undelor, a fost dată de Erwin Schrödinger și a stimulat atât numeroase aplicații concrete, cât și o elaborare profundă a fundamentelor fizice ale teoriei. Unul dintre rezultatele acestei activități a fost principiul de incertitudine al lui Heisenberg, formulat la începutul anului 1927.
În mai 1926, Heisenberg s-a mutat în Danemarca și și-a preluat atribuțiile de profesor asociat la Universitatea din Copenhaga și de asistent al lui Niels Bohr.
Citește și, biografii – Benito Juárez
De la Leipzig la Berlin (1927-1945)
Recunoașterea meritelor științifice ale lui Heisenberg a dus la invitații la catedre la Leipzig și Zurich. Omul de știință a ales Leipzig, unde Peter Debye era director al Institutului de Fizică al universității, iar în octombrie 1927 a preluat postul de profesor de fizică teoretică. Ceilalți colegi ai săi au fost Gregor Wentzel și Friedrich Hund, iar Guido Beck a fost primul său asistent. Heisenberg a îndeplinit o serie de atribuții în cadrul departamentului, a ținut cursuri de fizică teoretică și a organizat un seminar săptămânal de teorie atomică, care era însoțit nu numai de discuții intense despre probleme științifice, ci și de ceaiuri amicale și ocazionale competiții de tenis de masă (tânărul profesor juca foarte bine și cu mare plăcere). Cu toate acestea, după cum subliniază biografii Neville Mott și Rudolf Peierls, faima timpurie a lui Heisenberg a avut un impact redus asupra calităților sale personale:
Nimeni nu l-ar fi judecat dacă ar fi început să se ia în serios și să devină puțin pompos după ce a făcut cel puțin doi pași cruciali care au schimbat fața fizicii și după ce a devenit profesor la o vârstă atât de fragedă, ceea ce i-a făcut pe mulți oameni mai în vârstă și mai puțin importanți să se simtă și ei importanți, dar el a rămas așa cum era – informal și vesel în tratamentul său, aproape copilăros și posedând o modestie la limita timidității.
Primii elevi ai lui Heisenberg au apărut la Leipzig și aici s-a format în curând o școală științifică importantă. Printre membrii grupului teoretic s-au numărat, în diferite perioade, Felix Bloch, Hugo Fano, Erich Hückel, Robert Mulliken, Rudolf Peierls, Georg Placzek, John Slater și 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 și mulți alții. Deși, de obicei, profesorul nu intra în detaliile matematice ale lucrărilor studenților săi, el a ajutat adesea la clarificarea naturii fizice a problemei pe care o studia. Felix Bloch, primul student al lui Heisenberg (și mai târziu laureat al Premiului Nobel) a descris calitățile pedagogice și științifice ale mentorului său în felul următor
Dacă ar trebui să aleg o singură calitate a sa ca profesor, aceasta ar fi atitudinea sa extraordinar de pozitivă față de orice progres și încurajarea sa în acest sens. …Una dintre cele mai izbitoare trăsături ale lui Heisenberg a fost intuiția aproape inconfundabilă de care dădea dovadă în abordarea unei probleme fizice și modul fenomenal în care soluțiile păreau să cadă din cer.
În 1933, Heisenberg a primit Premiul Nobel pentru Fizică pentru anul precedent, cu mențiunea „pentru crearea mecanicii cuantice, ale cărei aplicații au dus, printre altele, la descoperirea formelor alotropice ale hidrogenului”. În ciuda bucuriei sale, omul de știință și-a exprimat nedumerirea față de faptul că colegii săi Paul Dirac și Erwin Schrödinger au primit același premiu (pentru 1933) pentru doi, în timp ce Max Born a fost complet ignorat de către Comitetul Nobel. În ianuarie 1937, a cunoscut o tânără, Elisabeth Schumacher (1914-1998), fiica unui profesor de economie din Berlin, cu care s-a căsătorit în aprilie. În anul următor au avut gemeni, Wolfgang și Anna-Maria. Au avut în total șapte copii, dintre care unii au dezvoltat un interes pentru știință: Martin Heisenberg a devenit genetician, Jochen Heisenberg fizician, iar Anna-Marie și Verena fiziologi.
În acest moment, situația politică din Germania se schimbase radical: Hitler ajunsese la putere. Heisenberg, care a decis să rămână în țară, a fost în curând atacat de adversarii așa-numitei „fizici evreiești”, care includea mecanica cuantică și relativitatea. Cu toate acestea, pe parcursul anilor 1930 și la începutul anilor 1940, omul de știință a lucrat prolific la probleme legate de teoria nucleului atomic, fizica razelor cosmice și teoria cuantică a câmpurilor. Din 1939 a participat la proiectul nuclear german, fiind unul dintre liderii acestuia, iar în 1942 a fost numit profesor de fizică la Universitatea din Berlin și director al Institutului de Fizică al Societății Kaiser Wilhelm.
Citește și, civilizatii – Civilizația miceniană
Perioada postbelică (1946-1976)
În timpul Operațiunii Epsilon, zece oameni de știință germani (inclusiv Heisenberg) care lucrau la arme nucleare în Germania nazistă au fost reținuți de forțele aliate. Oamenii de știință au fost capturați între 1 mai și 30 iunie 1945 și au fost duși la Farm Hall, o clădire cu microfoane din Godmanchester, în apropiere de Cambridge, Anglia. Aceștia au fost ținuți acolo între 3 iulie 1945 și 3 ianuarie 1946 pentru a determina cât de aproape erau germanii de a construi o bombă atomică.
La începutul anului 1946, colonelul B. K. Blount, membru al departamentului științific al guvernului militar din zona de ocupație britanică, i-a invitat pe Heisenberg și Otto Hahn la Göttingen, unde urma să înceapă renașterea științei în Germania devastată. Oamenii de știință au acordat o atenție deosebită activității organizatorice, mai întâi în cadrul Consiliului pentru Știință și apoi în cadrul Societății Max Planck, care a înlocuit Societatea Kaiser Wilhelm. În 1949, după înființarea RFG, Heisenberg a devenit primul președinte al Asociației Germane de Cercetare, care urma să promoveze activitatea științifică în această țară. În calitate de șef al Comitetului pentru Fizică Atomică, a fost unul dintre inițiatorii lucrărilor privind reactoarele nucleare în Germania. În același timp, Heisenberg s-a opus achiziționării de arme nucleare de către guvernul Adenauer. În 1955, a jucat un rol activ în apariția așa-numitei Declarații de la Mainau, semnată de șaisprezece laureați ai Premiului Nobel, iar doi ani mai târziu – a Manifestului de la Göttingen, semnat de optsprezece oameni de știință germani. În 1958, a semnat un apel inițiat de Linus Pauling și adresat Secretarului General al Națiunilor Unite, prin care se cerea interzicerea testelor nucleare. Un rezultat îndepărtat al acestei activități a fost aderarea RFG la Tratatul de neproliferare a armelor nucleare.
Heisenberg a sprijinit în mod activ înființarea CERN, participând la o serie de comitete ale acestuia. În special, a fost primul președinte al Comitetului de politică științifică și a fost implicat în stabilirea direcției de dezvoltare a CERN. În același timp, Heisenberg a fost director al Institutului Max Planck pentru Fizică, care s-a mutat de la Göttingen la München în 1958 și a fost redenumit Max-Planck-Institut für Physik. Omul de știință s-a aflat în fruntea acestei instituții până la pensionarea sa în 1970. Și-a folosit influența pentru a înființa noi institute în cadrul Societății – Centrul de Cercetare de la Karlsruhe (în prezent parte a Universității din Karlsruhe), Institutul Max-Planck pentru Fizică Plasmatică și Institutul de Fizică Extraterestră. În 1953, a devenit primul președinte postbelic al Fundației Alexander von Humboldt, care avea ca scop promovarea oamenilor de știință străini care doreau să lucreze în Germania. Ocupând această funcție timp de două decenii, Heisenberg a asigurat autonomia fundației și a structurii sale, fără a fi afectată de deficiențele birocratice ale agențiilor guvernamentale.
În ciuda numeroaselor sale responsabilități administrative și sociale, omul de știință și-a continuat activitatea științifică, concentrându-se în ultimii ani pe încercările de a dezvolta o teorie a câmpului unificat. Printre asociații săi din cadrul grupului de la Göttingen s-au numărat, în diferite perioade, Karl von Weizsäcker, Kazuhiko Nishijima, Harry Lehmann, Gerhart Lueders, Reinhard Oehme, Walter Thierring, Bruno Zumino, Hans-Peter Dürr și alții. După pensionare, Heisenberg a vorbit în principal despre chestiuni generale sau filosofice ale științelor naturale. În 1975, starea sa de sănătate a început să se deterioreze, iar la 1 februarie 1976 a murit. Renumitul fizician Eugene Wigner a scris cu această ocazie:
Nu există niciun fizician teoretician în viață care să fi adus o contribuție mai mare la știința noastră decât el. În același timp, era prietenos cu toată lumea, lipsit de aroganță și avea o companie plăcută.
Citește și, biografii – Hans Holbein cel Tânăr
Vechea teorie cuantică
La începutul anilor 1920, în fizica atomică, a fost perioada așa-numitei „vechi teorii cuantice”, care se baza inițial pe ideile lui Niels Bohr, dezvoltate în activitatea lui Sommerfeld și a altor oameni de știință. Una dintre principalele metode de obținere a noilor rezultate a fost principiul corespondenței Bohr. În ciuda unui număr de succese, multe întrebări nu au fost încă rezolvate într-un mod satisfăcător, cum ar fi problema mai multor particule care interacționează sau problema cuantificării spațiale. În plus, teoria în sine era inconsecventă: legile clasice ale lui Newton puteau fi aplicate doar orbitelor staționare ale electronului, în timp ce tranziția dintre ele nu putea fi descrisă pe această bază.
Lucrarea comună cu Hendrik Kramers, scrisă la Copenhaga, conținea o formulare a teoriei dispersiei care generaliza rezultatele recente ale lui Born și ale lui Kramers însuși. Aceasta a dus la analogii teoretice cuantice ale formulelor de dispersie pentru polarizabilitatea atomului într-o anumită stare staționară, luând în considerare posibilitatea tranzițiilor către stări superioare și inferioare. Această lucrare importantă, publicată la începutul anului 1925, a fost precursorul imediat al primei formulări a mecanicii cuantice.
Citește și, biografii – Steve McQueen
Crearea mecanicii de matrice
Heisenberg nu era mulțumit de stadiul în care se afla teoria, care presupunea rezolvarea fiecărei probleme particulare din cadrul fizicii clasice și apoi traducerea acesteia în limbaj cuantic, folosind principiul corespondenței. O astfel de abordare nu a dat întotdeauna rezultate și a depins în mare măsură de intuiția cercetătorului. În primăvara anului 1925, în căutarea unui formalism riguros și logic coerent, Heisenberg a decis să abandoneze vechea descriere, înlocuind-o cu o descriere în termenii așa-numitelor mărimi observabile. Această idee a fost influențată de lucrările lui Albert Einstein, care a dat o definiție relativistă a timpului în locul timpului absolut newtonian, care nu poate fi observat. (Cu toate acestea, încă din aprilie 1926, Einstein a remarcat într-o conversație privată cu Heisenberg că teoria este cea care determină ce mărimi sunt observabile și care nu). Heisenberg a respins conceptele clasice de poziție și moment al electronului în atom și a luat în considerare frecvența și amplitudinea oscilațiilor, care pot fi determinate prin experimente optice. El a reușit să reprezinte aceste mărimi ca seturi de numere complexe și să dea regula înmulțirii lor, care s-a dovedit a fi necomutativă, și apoi să aplice metoda dezvoltată la problema oscilatorului anarmonic. Pentru un caz particular al oscilatorului armonic, a urmat în mod natural existența așa-numitei „energii de punct zero”. Astfel, principiul corespondenței a fost inclus în însăși fundamentele schemei matematice dezvoltate.
Heisenberg a obținut soluția în iunie 1925, pe insula Helgoland, unde se refăcea după un atac de febră de fân. Când s-a întors la Göttingen, și-a descris rezultatele într-o lucrare intitulată „Despre interpretarea teoretică cuantică a relațiilor cinematice și mecanice” și a trimis-o lui Wolfgang Pauli. După ce a obținut aprobarea acestuia din urmă, Heisenberg i-a dat lucrarea lui Born pentru publicare în revista Zeitschrift für Physik, unde a fost primită la 29 iulie 1925. Born și-a dat seama în curând că seturile de numere care reprezentau mărimile fizice nu erau altceva decât matrici și că regula lui Heisenberg pentru multiplicarea lor era regula de multiplicare a matricelor.
În general, mecanica matricială a așteptat o primire mai degrabă pasivă din partea comunității de fizicieni, care era puțin familiarizată cu formalismul matematic al matricelor și care era descurajată de caracterul extrem de abstract al teoriei. Doar câțiva oameni de știință au acordat o atenție deosebită articolului lui Heisenberg. De exemplu, Niels Bohr l-a lăudat imediat și a declarat că „a început o nouă eră de stimulare reciprocă a mecanicii și a matematicii”. Prima formulare riguroasă a mecanicii matriceale a fost dată de Born și Pascual Jordan în lucrarea lor comună „On Quantum Mechanics”, finalizată în septembrie 1925. Aceștia au obținut relația fundamentală de permutare (condiția cuantică) pentru matricele de coordonate și de impuls. Heisenberg s-a implicat curând în aceste cercetări, care au culminat cu celebra „lucrare în trei” (Drei-Männer Arbeit), finalizată în noiembrie 1925. Acesta a prezentat o metodă generală de rezolvare a problemelor în cadrul mecanicii matriciale, în special considerând sisteme cu un număr arbitrar de grade de libertate, introducând transformări canonice, oferind elementele de bază ale teoriei mecanicii cuantice a perturbațiilor, rezolvând problema cuantificării momentului unghiular, discutând regulile de selecție și o serie de alte întrebări.
Modificările ulterioare ale mecanicii matriceale au urmat două direcții principale: generalizarea matricelor sub formă de operatori, realizată de Born și Norbert Wiener, și reprezentarea teoriei în formă algebrică (în cadrul formalismului hamiltonian), dezvoltată de Paul Dirac. Acesta din urmă și-a amintit mulți ani mai târziu cât de stimulativă a fost apariția mecanicii matriciale pentru dezvoltarea ulterioară a fizicii atomice:
Am cel mai convingător motiv să fiu un admirator al lui Werner Heisenberg. Am studiat în același timp, aveam aproape aceeași vârstă și am lucrat la aceeași problemă. Heisenberg a reușit acolo unde eu eșuasem. Până atunci se acumulase o cantitate uriașă de material spectroscopic, iar Heisenberg găsise calea cea bună prin labirintul său. Astfel, a deschis o epocă de aur a fizicii teoretice și, în scurt timp, chiar și un student de mâna a doua a fost capabil să realizeze lucrări de primă mână.
Citește și, biografii – Jonas Salk
Raportul dintre incertitudini
La începutul anului 1926, a început să apară sub tipar lucrarea lui Erwin Schrödinger despre mecanica undelor, care descria procesele atomice sub forma obișnuită a ecuațiilor diferențiale continue și care, după cum a devenit clar în curând, era identică din punct de vedere matematic cu formalismul matricial. Heisenberg a criticat noua teorie și, în special, interpretarea sa inițială ca având de-a face cu unde reale purtând o sarcină electrică. Și chiar și apariția tratamentului probabilistic al funcției de undă a lui Born nu a rezolvat problema interpretării formalismului, adică a clarificării semnificației conceptelor folosite în el. Nevoia de a găsi o soluție la această problemă a devenit deosebit de clară în septembrie 1926, după vizita lui Schrödinger la Copenhaga, unde, într-o lungă discuție cu Bohr și Heisenberg, a apărat imaginea continuității fenomenelor atomice și a criticat conceptul de discretență și salturile cuantice.
Punctul de plecare al analizei lui Heisenberg a fost conștientizarea necesității de a ajusta conceptele clasice (cum ar fi „coordonate” și „moment”) pentru a putea fi utilizate în microfizică, la fel cum teoria relativității ajustase conceptele de spațiu și timp, dând astfel sens formalismului transformării Lorentz. El a găsit o cale de ieșire din această situație prin impunerea unei limite la utilizarea noțiunilor clasice, exprimată matematic sub forma relației de incertitudine: „cu cât poziția este definită cu mai multă precizie, cu atât mai puțin precis este cunoscut momentul și viceversa”. El și-a demonstrat concluziile printr-un celebru experiment mental cu un microscop cu raze gamma. Heisenberg și-a expus rezultatele într-o scrisoare de 14 pagini către Pauli, care le-a lăudat. Bohr, care se întorsese din vacanța din Norvegia, nu a fost pe deplin mulțumit și a făcut o serie de comentarii, dar Heisenberg a refuzat să facă modificări la textul său, menționând sugestiile lui Bohr într-un post-scriptum. Un articol „On the illustrative content of quantum-theoretic kinematics and mechanics” (Despre conținutul ilustrativ al cinematicii și mecanicii teoriei cuantice), care detalia principiul incertitudinii, a fost primit de editorii Zeitschrift für Physik la 23 martie 1927.
Principiul incertitudinii nu numai că a jucat un rol important în dezvoltarea interpretării mecanicii cuantice, dar a ridicat și o serie de probleme filosofice. Bohr a făcut legătura cu conceptul mai general de adiționalitate pe care îl dezvolta în același timp: el a interpretat relațiile de incertitudine ca pe o expresie matematică a limitei până la care sunt posibile concepte care se exclud reciproc (adiționale). Mai mult, articolul lui Heisenberg a atras atenția fizicienilor și filozofilor asupra conceptului de măsurare, precum și asupra unei noi și neobișnuite înțelegeri a cauzalității propuse de autor: „… într-o formulare puternică a legii cauzalității: „dacă se cunoaște cu precizie prezentul, se poate prezice viitorul”, premisa este greșită, nu și concluzia. În principiu, nu putem cunoaște prezentul în toate detaliile sale”. Mai târziu, în 1929, a introdus în teoria cuantică termenul de „colaps al pachetului de unde”, care a devenit unul dintre conceptele de bază în cadrul așa-numitei „interpretări de la Copenhaga” a mecanicii cuantice.
Citește și, biografii – Langston Hughes
Aplicații ale mecanicii cuantice
Apariția mecanicii cuantice (mai întâi sub formă de matrice și apoi sub formă de undă), recunoscută imediat de comunitatea științifică, a stimulat un progres rapid în dezvoltarea conceptelor cuantice, rezolvând o serie de probleme specifice. În martie 1926, Heisenberg însuși a finalizat o lucrare comună cu Jordan, explicând efectul Zeeman anomal prin utilizarea ipotezei Gaudsmit și Uhlenbeck privind spinul electronului. În lucrările sale ulterioare, scrise deja folosind formalismul Schrödinger, a luat în considerare sistemele cu mai multe particule și a arătat importanța simetriei stărilor pentru înțelegerea caracteristicilor spectrale ale heliului (termenii para- și orto-heliu), ionilor de litiu și moleculelor diatomice, ceea ce a dus la concluzia existenței a două forme alotropice ale hidrogenului, orto- și para-hidrogenul. De fapt, Heisenberg a ajuns în mod independent la statistica Fermi-Dirac pentru sistemele care satisfac principiul Pauli.
În 1928, Heisenberg a pus bazele teoriei cuantice a feromagnetismului (modelul Heisenberg), folosind conceptul de forțe de schimb între electroni pentru a explica așa-numitul „câmp molecular”, introdus de Pierre Weiss în 1907. În acest caz, rolul cheie a fost jucat de direcția relativă a spinilor electronilor, care a determinat simetria părții spațiale a funcției de undă și, prin urmare, a influențat distribuția spațială a electronilor și interacțiunea electrostatică dintre aceștia. În a doua jumătate a anilor 1940, Heisenberg a încercat fără succes să construiască o teorie a supraconductivității care să ia în considerare doar interacțiunea electrostatică dintre electroni.
Citește și, biografii – Ioana d’Arc
Electrodinamica cuantică
Încă de la sfârșitul anului 1927, principala problemă care l-a preocupat pe Heisenberg a fost construirea electrodinamicii cuantice, care să ia în considerare nu numai prezența unui câmp electromagnetic cuantificat, ci și interacțiunea acestuia cu particule încărcate relativiste. Ecuația lui Dirac pentru electronul relativist, apărută la începutul anului 1928, indica, pe de o parte, calea corectă, dar, pe de altă parte, a dat naștere la o serie de probleme, aparent insolubile – problema energiei proprii a electronului, legată de apariția unui aditiv infinit de mare la masa particulei, și problema stărilor cu energie negativă. Cercetările efectuate de Heisenberg împreună cu Pauli au ajuns într-un impas, iar Heisenberg le-a abandonat temporar și s-a apucat de teoria feromagnetismului. Abia la începutul anului 1929 au reușit să meargă mai departe în construirea unei scheme generale a teoriei relativiste, care a fost schițată într-o lucrare finalizată în luna martie a aceluiași an. Schema propusă s-a bazat pe o procedură de cuantificare a teoriei clasice a câmpului care conține un lagrangian invariant din punct de vedere relativist. Oamenii de știință au aplicat acest formalism unui sistem care include un câmp electromagnetic și unde de materie care interacționează între ele. În următoarea lucrare, publicată în 1930, au simplificat considerabil teoria, folosind considerații de simetrie rezultate din comunicarea cu celebrul matematician Hermann Weil. În primul rând, aceasta a vizat considerații privind invarianța gauge, care au permis eliminarea unor construcții artificiale din formularea originală.
Deși încercarea lui Heisenberg și Pauli de a construi electrodinamica cuantică a extins în mod semnificativ limitele teoriei atomice pentru a include o serie de rezultate cunoscute, s-a dovedit a fi incapabilă să elimine divergențele asociate cu energia proprie infinită a electronului punctual. Toate încercările făcute ulterior pentru a rezolva această problemă, inclusiv cele radicale, cum ar fi cuantificarea spațială (modelul de rețea), au eșuat. Soluția a fost găsită mult mai târziu, în cadrul teoriei renormalizării.
Începând cu 1932, Heisenberg a acordat o mare atenție fenomenului razelor cosmice, care, în opinia sa, a oferit o oportunitate pentru o verificare serioasă a conceptelor teoretice. Carl Anderson a descoperit în razele cosmice pozitronul prezis anterior de Dirac („gaura” lui Dirac). În 1934, Heisenberg a dezvoltat teoria găurilor prin includerea pozitronilor în formalismul electrodinamicii cuantice. În același timp, ca și Dirac, a postulat existența fenomenului de polarizare în vid și, în 1936, împreună cu Hans Euler, a calculat corecțiile cuantice ale ecuațiilor lui Maxwell asociate cu acest efect (așa-numitul Lagrangian Heisenberg-Euler).
Citește și, biografii – Antoni Gaudí
Fizica nucleară
În 1932, la scurt timp după descoperirea neutronului de către James Chadwick, Heisenberg a propus ideea unei structuri proton-neutron a nucleului atomic (ceva mai devreme, aceasta fusese propusă independent de Dmitri Ivanenko) și, în trei articole, a încercat să construiască o teorie cuantică-mecanică a unui astfel de nucleu. Deși această ipoteză a rezolvat multe dificultăți ale modelului anterior (proton-electron), originea electronilor emiși în procesele de dezintegrare beta, unele caracteristici ale statisticii particulelor nucleare și natura forțelor dintre nucleoni au rămas neclare. Heisenberg a încercat să clarifice aceste probleme presupunând existența unor interacțiuni de schimb între protoni și neutroni în nucleu, care sunt similare forțelor dintre protoni și atomul de hidrogen, formând ionul molecular de hidrogen. Această interacțiune ar trebui să aibă loc prin intermediul electronilor schimbați între neutron și proton, dar acestor electroni nucleari trebuiau să li se atribuie proprietăți „greșite” (în special, ei ar trebui să fie fără spini, adică bosoni). Interacțiunea dintre neutroni a fost descrisă în mod similar cu interacțiunea dintre doi atomi neutri într-o moleculă de hidrogen. Aici, omul de știință a exprimat pentru prima dată ideea de invarianță izotopică legată de schimbul de sarcină între nucleoni și de independența de sarcină a forțelor nucleare. Îmbunătățiri suplimentare ale acestui model au fost aduse de Ettore Majorana, care a descoperit efectul de saturație al forțelor nucleare.
După apariția, în 1934, a teoriei dezintegrării beta, dezvoltată de Enrico Fermi, Heisenberg s-a angajat în extinderea acesteia și a sugerat că forțele nucleare nu rezultă din schimbul de electroni, ci din perechile electron- neutrino (independent, această idee a fost dezvoltată de Ivanenko, Igor Tamm și Arnold Nordsik). Cu toate acestea, magnitudinea acestei interacțiuni a fost mult mai mică decât cea demonstrată de experiment. Cu toate acestea, acest model (cu unele adăugiri) a rămas dominant până la apariția teoriei lui Hideki Yukawa, care a postulat existența unor particule mai grele care permit interacțiunea neutronilor și a protonilor în nucleu. În 1938, Heisenberg și Euler au dezvoltat metode de analiză a datelor de absorbție a razelor cosmice și au reușit să ofere prima estimare a duratei de viață a unei particule („mezotron” sau meson, cum a fost numită mai târziu) aparținând componentei dure a razelor, care a fost asociată la început cu ipotetica particulă Yukawa. În anul următor, Heisenberg a analizat limitările teoriilor cuantice existente ale interacțiunilor dintre particulele elementare bazate pe teoria perturbațiilor și a discutat posibilitatea de a depăși aceste teorii pentru a ajunge la gama de energie înaltă care poate fi atinsă în razele cosmice. În acest domeniu este posibilă nașterea de particule multiple în razele cosmice, pe care le-a luat în considerare în cadrul teoriei mezonilor vectoriali.
Citește și, istorie – Atahualpa
Teoria cuantică a câmpurilor
Într-o serie de trei lucrări scrise între septembrie 1942 și mai 1944, Heisenberg a propus o modalitate radicală de a scăpa de divergența din teoria cuantică a câmpurilor. Ideea unei lungimi fundamentale (cuantumul spațiului) l-a determinat să renunțe la descrierea prin ecuația continuă a lui Schrödinger. El a revenit la conceptul de observabile, ale căror relații trebuie să constituie baza unei viitoare teorii. Pentru relațiile dintre aceste mărimi, la care s-a referit fără echivoc la energiile stărilor staționare și la comportamentul asimptotic al funcției de undă în procesele de împrăștiere, absorbție și emisie, a introdus (independent de John Wheeler, care a făcut-o în 1937) conceptul de matrice S (matrice de împrăștiere), și anume, operatorul care transformă o funcție de undă incidentă într-o funcție de undă împrăștiată. Conform ideii lui Heisenberg, matricea S urma să înlocuiască hamiltonianul în viitoarea teorie. În ciuda dificultăților în schimbul de informații științifice în condiții de război, teoria matricei de împrăștiere a fost preluată în scurt timp de o serie de oameni de știință (Ernst Stückelberg la Geneva, Hendrik Kramers la Leiden, Christian Møller la Copenhaga, Pauli la Princeton), care au început să dezvolte formalismul și să clarifice aspectele fizice ale acestuia. Cu toate acestea, cu timpul a devenit clar că această teorie în forma sa pură nu poate deveni o alternativă la teoria cuantică a câmpurilor obișnuită, dar poate fi unul dintre instrumentele matematice utile din cadrul acesteia. În special, este utilizat (într-o formă modificată) în formalismul Feynman al electrodinamicii cuantice. Conceptul de matrice S, completat de o serie de condiții, a ocupat un loc central în formularea așa-numitei teorii axiomatice a câmpului cuantic și, ulterior, în dezvoltarea teoriei corzilor.
În perioada postbelică, odată cu creșterea numărului de particule elementare nou descoperite, a apărut problema descrierii acestora cu cât mai puține câmpuri și interacțiuni, în cel mai simplu caz – un singur câmp (atunci putem vorbi de o „teorie a câmpului unificat”). Începând cu aproximativ 1950, problema găsirii ecuației potrivite pentru a descrie un singur câmp a fost în centrul activității științifice a lui Heisenberg. Abordarea sa s-a bazat pe o generalizare neliniară a ecuației lui Dirac și pe prezența unei lungimi fundamentale (de ordinul razei electronice clasice) care limitează aplicabilitatea mecanicii cuantice obișnuite. În general, această direcție, confruntată imediat cu probleme matematice formidabile și cu necesitatea de a acomoda o cantitate uriașă de date experimentale, a fost acceptată cu scepticism de comunitatea științifică și a fost dezvoltată aproape exclusiv în grupul lui Heisenberg. Deși succesul nu a fost atins și dezvoltarea teoriei cuantice a continuat în principal pe căi diferite, unele idei și metode care apar în lucrările savantului german au jucat un rol în această dezvoltare ulterioară. În special, ideea de a reprezenta neutrino ca o particulă Goldstone, care apare ca rezultat al ruperii spontane a simetriei, a influențat dezvoltarea conceptului de supersimetrie.
Citește și, biografii – Harper Lee
Hidrodinamică
Heisenberg a început să se ocupe de problemele fundamentale ale hidrodinamicii la începutul anilor 1920, iar în prima sa lucrare a încercat, urmându-l pe Theodore von Karman, să determine parametrii cozii de vortex care apare în spatele unei plăci în mișcare. În teza sa de doctorat, a examinat stabilitatea curgerii laminare și natura turbulenței pe exemplul curgerii fluidelor între două plăci plan-paralele. El a reușit să demonstreze că curgerea laminară, stabilă la numere Reynolds mici (sub o valoare critică), devine instabilă la început, dar la valori foarte mari stabilitatea sa crește (numai perturbațiile cu unde lungi sunt instabile). Heisenberg a revenit la problema turbulenței în 1945, când a fost internat în Anglia. El a dezvoltat o abordare bazată pe mecanica statistică, care era foarte asemănătoare cu ideile dezvoltate de Geoffrey Taylor, Andrei Kolmogorov și alți oameni de știință. În special, el a reușit să arate cum se realizează schimbul de energie între vortexuri de diferite dimensiuni.
Citește și, biografii – Nikos Kazantzakis
Relația cu regimul nazist
La scurt timp după ce Hitler a venit la putere în ianuarie 1933, a început o invazie grosolană a politicii în viața universitară consacrată, cu scopul de a „curăța” știința și educația de evrei și de alte elemente nedorite. La fel ca mulți dintre colegii săi, Heisenberg a fost șocat de antiintelectualismul pur și simplu al noului regim, care avea să slăbească știința germană. Totuși, la început, a fost înclinat să sublinieze caracteristicile pozitive ale schimbărilor care aveau loc în țară. Retorica nazistă a renașterii germane și a culturii germane pare să-l fi atras datorită apropierii sale de idealurile romantice îmbrățișate de mișcarea de tineret de după Primul Război Mondial. Mai mult, după cum remarcă David Cassidy, biograful savantului, pasivitatea cu care Heisenberg și colegii săi au perceput schimbările a fost probabil legată de tradiția de a vedea știința ca pe o instituție în afara politicii.
Încercările lui Heisenberg, Max Planck și Max von Laue de a schimba politica față de oamenii de știință evrei sau, cel puțin, de a atenua efectele acesteia prin contacte personale și petiții prin intermediul canalelor birocratice oficiale, nu au avut succes. Din toamna anului 1933, „non-arianii”, femeile și persoanele cu convingeri de stânga au fost excluși din învățământ. Din 1938, viitorii lectori au trebuit să își dovedească aptitudinile politice. În această situație, Heisenberg și colegii săi, considerând că păstrarea fizicii germane este o prioritate, au încercat să înlocuiască posturile vacante cu oameni de știință germani sau chiar străini, ceea ce a fost primit negativ de către comunitatea științifică și, de asemenea, nu și-a atins scopul. O ultimă soluție a fost demisia în semn de protest, dar Planck l-a descurajat pe Heisenberg subliniind importanța supraviețuirii fizicii în ciuda dezastrului care aștepta Germania în viitor.
Dorința de a-și menține poziția apolitică nu numai că i-a împiedicat pe Heisenberg și pe alți oameni de știință să se opună antisemitismului în creștere din cercurile universitare, dar în curând i-a pus ei înșiși sub un atac serios din partea „fizicienilor arieni”. În 1935, atacurile împotriva „fizicii evreiești”, care includea teoria relativității și mecanica cuantică, s-au intensificat. Aceste acțiuni, susținute de presa oficială, au fost conduse de susținători activi ai regimului nazist, laureații premiului Nobel Johannes Stark și Philipp Lenard. Demisia lui Arnold Sommerfeld, care l-a ales pe celebrul său elev pentru a-i succeda în funcția de profesor la Universitatea din München, a provocat atacuri la adresa lui Heisenberg, catalogat de Stark în decembrie 1935 drept „Geist von Einsteins Geist” (în germană: Geist von Einsteins Geist). Omul de știință a publicat un răspuns în ziarul partidului nazist Völkischer Beobachter, cerând să se acorde mai multă atenție teoriilor fizice fundamentale. În primăvara anului 1936, Heisenberg, împreună cu Hans Geiger și Max Wien, a reușit să strângă semnăturile a 75 de profesori pe o petiție în sprijinul acestui apel. Aceste contramăsuri păreau să încline Ministerul Imperial al Educației de partea oamenilor de știință, dar la 15 iulie 1937 situația s-a schimbat din nou. În acea zi, ziarul oficial al SS Das Schwarze Korps a publicat un articol important al lui Stark intitulat „Evreii albi în știință” („Weisse Juden” in der Wissenschaft), în care se proclama necesitatea de a elimina „spiritul evreiesc” din fizica germană. Heisenberg personal a fost amenințat cu deportarea într-un lagăr de concentrare și a fost numit „Ossietzky al fizicii”. În ciuda mai multor invitații din străinătate care i-au fost adresate în această perioadă, Heisenberg nu a dorit să părăsească țara și a decis să negocieze cu guvernul. David Cassidy a oferit următoarea imagine a acestei alegeri dificile
Dacă regimul i-ar fi restabilit statutul de superioritate, ar fi acceptat compromisurile care se impuneau, convingându-se în plus de justețea noii justificări: cu sacrificiul personal de a rămâne în poziția sa, el proteja de fapt fizica germană corectă de denaturarea de către național-socialism.
Urmându-și cursul ales, Heisenberg a redactat două scrisori oficiale – către Ministerul Educației din Reich și către Reichsführerul SS Heinrich Himmler – în care a cerut un răspuns oficial la acțiunile lui Stark și ale susținătorilor săi. În scrisori, el a declarat că, dacă atacurile erau aprobate oficial de autorități, urma să demisioneze din funcție; în caz contrar, avea nevoie de protecția guvernului. Datorită unei cunoștințe a mamei savantului cu mama lui Himmler, scrisoarea a ajuns la destinație, însă a fost nevoie de aproape un an, timp în care Heisenberg a fost interogat de Gestapo, i-au fost ascultate convorbirile de acasă și i-au fost spionate acțiunile, înainte de a primi un răspuns pozitiv din partea unui înalt oficial al Reich-ului. Cu toate acestea, postul de profesor la Munchen a fost totuși acordat unui alt candidat, mai loial partidului.
Citește și, biografii – Camillo Benso Conte de Cavour
Demararea proiectului privind uraniul. Excursie la Copenhaga
Compromisul la care s-a ajuns între Heisenberg și liderii naziști a fost descris la figurat de Cassidy ca fiind un târg faustian. Pe de o parte, succesul împotriva „fizicienilor arieni” și reabilitarea publică a savantului au însemnat recunoașterea importanței acestuia (și a colegilor săi) în menținerea unui nivel ridicat al educației și cercetării în domeniul fizicii în țară. Cealaltă parte a acestui compromis a fost disponibilitatea oamenilor de știință germani (inclusiv a lui Heisenberg) de a coopera cu autoritățile și de a participa la dezvoltarea militară a celui de-al Treilea Reich. Relevanța acesteia din urmă a crescut în special odată cu izbucnirea celui de-al Doilea Război Mondial, nu numai pentru armată, ci și pentru oamenii de știință înșiși, deoarece cooperarea cu armata a reprezentat o protecție sigură împotriva recrutării pe front. Acordul lui Heisenberg de a lucra pentru guvernul nazist a avut și o altă latură, exprimată astfel de Mott și Peierls:
…Este rezonabil să presupunem că a vrut ca Germania să câștige războiul. Nu a acceptat multe aspecte ale regimului nazist, dar a fost un patriot. Dorința ca țara sa să fie înfrântă ar fi presupus opinii mult mai rebele decât cele pe care le avea.
Încă din septembrie 1939, conducerea armatei a sprijinit crearea așa-numitului „Club al Uraniului” (Uranverein) pentru a explora mai în profunzime perspectivele de utilizare a fisiunii nucleare a uraniului, descoperită de Otto Hahn și Fritz Strassmann la sfârșitul anului 1938. Heisenberg s-a numărat printre cei invitați la una dintre primele discuții despre această problemă, la 26 septembrie 1939, în cadrul căreia au fost prezentate liniile generale ale proiectului și posibilitatea unor aplicații militare ale energiei nucleare. Omul de știință trebuia să investigheze teoretic funcționarea „mașinii de uraniu”, așa cum era numit atunci reactorul nuclear. În decembrie 1939, acesta a prezentat primul său raport clasificat cu o analiză teoretică a posibilității de a genera energie prin fisiune nucleară. În acel raport, au fost propuse ca moderatori carbonul și apa grea, dar începând cu vara anului 1940 s-a decis să se folosească aceasta din urmă ca o opțiune mai economică și mai accesibilă (era deja produsă în Norvegia ocupată).
După reabilitarea sa de către conducerea nazistă, Heisenberg a fost autorizat să țină prelegeri nu numai în Germania, ci și în alte țări europene (inclusiv în cele ocupate). Din punctul de vedere al birocraților de partid, el trebuia să reprezinte întruchiparea prosperității științei germane. Mark Walker, un renumit expert în istoria științei germane din această perioadă, a scris pe această temă:
Este clar că Heisenberg a lucrat pentru propaganda nazistă fără să vrea, poate chiar fără să știe. Cu toate acestea, este la fel de clar că oficialii național-socialiști în cauză îl foloseau în scopuri propagandistice, că activitățile sale erau eficiente în acest sens și că colegii săi străini aveau motive să creadă că promova nazismul… Aceste călătorii în străinătate pentru conferințe, poate mai mult decât orice altceva, i-au otrăvit relațiile cu mulți colegi străini și foști prieteni din afara Germaniei.
Poate cel mai faimos exemplu de astfel de călătorie a fost întâlnirea cu Niels Bohr la Copenhaga, în septembrie 1941. Detaliile conversației dintre cei doi oameni de știință nu sunt cunoscute, iar interpretările variază foarte mult. Potrivit lui Heisenberg însuși, el a vrut să afle părerea profesorului său cu privire la aspectul moral al creării de noi arme, dar pentru că nu putea vorbi deschis, Bohr l-a înțeles greșit. Danezul a dat o interpretare foarte diferită a întâlnirii. Avea impresia că germanii lucrau intens la subiectul uraniului, iar Heisenberg dorea să afle ce știa despre el. Mai mult, Bohr credea că oaspetele său îi sugerase să coopereze cu naziștii. Opiniile cercetătorului danez au fost reflectate în proiecte de scrisori publicate pentru prima dată în 2002 și discutate pe larg în presă.
În 1998, la Londra a avut loc premiera piesei Copenhaga, scrisă de dramaturgul englez Michael Frayn, care se concentrează pe un episod din relația dintre Bohr și Heisenberg care nu a fost pe deplin clarificat. Succesul său în Marea Britanie și apoi pe Broadway a stimulat o dezbatere între fizicieni și istorici ai științei cu privire la rolul savantului german în crearea „bombei pentru Hitler” și la conținutul conversației cu Bohr. S-a sugerat că Heisenberg a vrut să le transmită, prin intermediul lui Bohr, fizicienilor aliați să nu continue cu armele nucleare sau să se concentreze asupra unui reactor pașnic, așa cum au făcut oamenii de știință germani. Potrivit lui Walker, Heisenberg a spus în timpul conversației „trei lucruri: 1) germanii lucrează la bomba atomică; 2) el însuși este ambivalent în legătură cu această lucrare; 3) Bohr ar trebui să coopereze cu Institutul German de Știință și cu autoritățile de ocupație. Prin urmare, nu este surprinzător faptul că danezul, după ce s-a mutat în Anglia și apoi în SUA în toamna anului 1943, a sprijinit dezvoltarea rapidă a bombei nucleare în aceste țări.
Citește și, biografii – Papa Alexandru al VI-lea
Încercări de a construi un reactor
La începutul anului 1942, în ciuda lipsei de uraniu și de apă grea, diverse grupuri de oameni de știință din Germania au reușit să efectueze experimente de laborator cu rezultate încurajatoare în ceea ce privește construirea unei „mașini cu uraniu”. În special, la Leipzig, Robert Döpel a reușit să obțină o creștere pozitivă a numărului de neutroni în geometria sferică a aranjamentului straturilor de uraniu, propusă de Heisenberg. În total, 70-100 de oameni de știință din Germania au lucrat la problema uraniului în grupuri diferite, unite de o conducere comună. De mare importanță pentru soarta proiectului a fost o conferință organizată de Consiliul Științific Militar în februarie 1942 (unul dintre conferențiari a fost Heisenberg). Deși la această reuniune s-a recunoscut potențialul militar al energiei nucleare, dar având în vedere situația economică și militară actuală a Germaniei, s-a decis că utilizarea acesteia într-un termen rezonabil (aproximativ un an) nu va fi realizată și, prin urmare, această nouă armă nu va putea influența războiul. Cu toate acestea, cercetarea nucleară a fost considerată importantă pentru viitor (atât din punct de vedere militar, cât și pașnic) și s-a decis continuarea finanțării acesteia, dar conducerea generală a fost transferată de la armată la Consiliul Imperial de Cercetare. Această decizie a fost confirmată în iunie 1942, în cadrul unei întâlniri a oamenilor de știință cu ministrul armamentului, Albert Speer, iar obiectivul principal a fost construirea unui reactor nuclear. După cum subliniază Walker, decizia de a nu duce lucrările la nivel industrial s-a dovedit a fi esențială pentru soarta întregului proiect german de uraniu:
Deși până atunci cercetările americane și germane se desfășuraseră în paralel, americanii au devansat în scurt timp pe cele germane… Comparând lucrările desfășurate începând cu iarna anului 1941
În iulie 1942, pentru a organiza lucrările la „mașina de uraniu”, Institutul de Fizică din Berlin a fost retrocedat Societății Kaiser Wilhelm, iar Heisenberg a fost numit director al Institutului (a fost numit, de asemenea, profesor la Universitatea din Berlin). Deoarece Peter Debye, care nu se întorsese din SUA, a rămas oficial director al institutului, funcția lui Heisenberg a fost cea de „director al institutului”. În ciuda lipsei de materiale, în anii următori, la Berlin, au fost efectuate mai multe experimente cu scopul de a obține o reacție în lanț autoîntreținută în cazane nucleare de diferite geometrii. Acest obiectiv a fost aproape atins în februarie 1945, ultimul experiment, care se afla deja în evacuare, într-o cameră săpată într-o stâncă din satul Heigerloch (institutul în sine se află în apropiere, în Hechingen). Aici au fost capturați oamenii de știință și instalația de către misiunea secretă Alsos în aprilie 1945.
Cu puțin timp înainte de sosirea trupelor americane, Heisenberg a mers cu bicicleta în satul bavarez Urfeld, unde se afla familia sa și unde a fost găsit în curând de Aliați. În iulie 1945, a fost unul dintre cei zece mari oameni de știință germani implicați în proiectul nuclear nazist care au fost internați la Farm Hall, lângă Cambridge. Fizicienii au fost ținuți sub supraveghere constantă timp de șase luni, iar conversațiile lor au fost înregistrate cu ajutorul unor microfoane ascunse. Înregistrările au fost declasificate de guvernul britanic în februarie 1992 și reprezintă un document valoros privind istoria proiectului nuclear german.
Citește și, biografii – Cimabue
Discuții postbelice
La scurt timp după încheierea războiului mondial, a început o dezbatere aprinsă cu privire la motivele pentru care fizicienii germani nu au reușit să construiască bomba atomică. În noiembrie 1946, Die Naturwissenschaften a publicat un articol al lui Heisenberg despre proiectul nuclear nazist. Mark Walker a evidențiat mai multe inexactități caracteristice în tratarea evenimentelor de către omul de știință german: minimalizarea rolului fizicienilor cu legături strânse cu cercurile militare, care nu au făcut nici un secret din acest lucru (accentul pe o eroare experimentală care a dus la alegerea apei grele (mai degrabă decât a grafitului) ca moderator, deși această alegere a fost determinată în primul rând de considerente economice; ascunderea înțelegerii de către oamenii de știință germani a rolului reactorului nuclear în producerea plutoniului de calitate militară; atribuind întâlnirii oamenilor de știință cu ministrul Speer rolul crucial în realizarea imposibilității de a construi arme nucleare înainte de terminarea războiului, deși acest lucru fusese recunoscut chiar mai devreme de conducerea armatei, care decisese să nu industrializeze cercetarea și să nu irosească resurse valoroase în acest sens. În același articol Heisenberg a apărut pentru prima dată o aluzie la faptul că fizicienii germani (cel puțin cei din jurul lui Heisenberg) au controlat cursul lucrărilor și, din motive morale, au încercat să le îndepărteze de dezvoltarea armelor nucleare. Cu toate acestea, după cum observă Walker,
În primul rând, nu numai că Heisenberg și anturajul său nu au controlat efortul german de a stăpâni energia nucleară, dar nici măcar nu ar fi putut face acest lucru dacă ar fi încercat, iar în al doilea rând, datorită deciziei autorităților militare din 1942 și situației generale a războiului, Heisenberg și alți oameni de știință care lucrau la problema nucleară nu au fost nevoiți să se confrunte niciodată cu dificila dilemă morală care apare la gândul de a fabrica arme nucleare pentru naziști. De ce și-ar fi asumat riscul de a încerca să schimbe direcția cercetării dacă erau siguri că nu pot influența rezultatul războiului?
Cealaltă parte a dezbaterii a fost reprezentată de Sam Goudsmit, care la sfârșitul războiului a fost director științific al misiunii Alsos (în trecut, el și Heisenberg fuseseră prieteni destul de apropiați). Într-o dispută emoțională care a durat mai mulți ani, Goudsmit a susținut că obstacolul în calea succesului în Germania a fost reprezentat de deficiențele științei într-o societate totalitară, dar i-a acuzat de fapt pe oamenii de știință germani de incompetență, considerând că aceștia nu au înțeles pe deplin fizica bombei. Heisenberg a obiectat cu tărie la această din urmă afirmație. Potrivit lui Walker, „daunele aduse reputației sale de fizician l-au deranjat probabil mai mult decât criticile pentru că i-a servit pe naziști.
Ambele puncte de vedere opuse (sabotaj și incompetență) nu sunt pe deplin confirmate de înregistrările convorbirilor fizicienilor germani realizate în timpul internării lor la Farm Hall. În plus, la Farm Hall au fost confruntați pentru prima dată cu întrebarea privind motivele eșecului, deoarece până la bombardamentul de la Hiroshima erau convinși că erau cu mult înaintea americanilor și britanicilor în ceea ce privește dezvoltarea nucleară. În cursul acestei discuții, Karl von Weizsäcker a sugerat pentru prima dată ideea că nu au construit bomba pentru că „nu au vrut”. După cum subliniază istoricul Horst Kant, acest lucru are sens, deoarece Heisenberg și Weizsäcker, spre deosebire de Proiectul Manhattan, nu și-au dedicat tot timpul dezvoltării nucleare. În special, Heisenberg, în 1942-1944, a dezvoltat în mod activ teoria matricei S și, probabil, nu a simțit un interes special pentru o cercetare pur militară. Hans Bethe, care a fost șeful departamentului teoretic de la Laboratorul Los Alamos în timpul războiului, a concluzionat, de asemenea, din filmele de la Farm Hall că Heisenberg nu lucra la bomba atomică. Dezbaterea continuă și în prezent și este departe de a se fi încheiat, dar Cassidy crede că este sigur să îl considerăm pe Heisenberg
…nu ca pe un erou sau ca pe un ticălos crud, ci ca pe un om profund talentat și educat care, din nefericire, s-a trezit neajutorat în circumstanțele teribile ale vremii sale, pentru care, la fel ca majoritatea oamenilor, era complet nepregătit.
De-a lungul vieții sale, Heisenberg a acordat o atenție deosebită fundamentelor filosofice ale științei, cărora le-a dedicat o serie de publicații și discursuri. La sfârșitul anilor ”50 a publicat Physics and Philosophy, un text al conferințelor Gifford de la Universitatea St Andrews, iar zece ani mai târziu autobiograficul Part and the Whole, pe care Carl von Weizsäcker l-a numit singurul dialog platonic al timpului nostru. Heisenberg a făcut cunoștință cu filozofia lui Platon în calitate de elev al gimnaziului clasic din München, unde a primit o educație de înaltă calitate în domeniul științelor umaniste. În plus, a fost foarte mult influențat de tatăl său, un important om de știință filozofic. Pe tot parcursul vieții sale, Heisenberg și-a păstrat interesul pentru Platon și pentru alți filosofi antici și chiar credea că „cu greu se poate avansa în fizica atomică modernă fără a cunoaște filosofia greacă. În dezvoltarea fizicii teoretice din a doua jumătate a secolului al XX-lea, el a văzut o întoarcere (la un nivel diferit) la unele dintre ideile atomiste ale lui Platon:
Dacă dorim să comparăm rezultatele fizicii moderne a particulelor cu ideile vechilor filosofi, filosofia lui Platon pare cea mai potrivită: particulele din fizica modernă sunt reprezentanți ai grupurilor de simetrie și, în acest sens, se aseamănă cu figurile simetrice din filosofia lui Platon.
Simetriile care determină proprietățile particulelor elementare – și nu particulele în sine – erau considerate de Heisenberg ca fiind ceva primar, iar unul dintre criteriile de adevăr ale unei teorii în căutarea acestor simetrii și a legilor de conservare aferente era văzut în frumusețea și coerența logică a acesteia. Influența filosofiei lui Platon poate fi observată și în lucrările sale anterioare privind mecanica cuantică. O altă sursă de inspirație pentru gânditorul Heisenberg a fost lucrarea lui Immanuel Kant, în special conceptul său de cunoaștere a priori și analiza sa asupra gândirii experimentale, reflectată în interpretarea teoriei cuantice. Influența lui Kant poate fi observată atât în modificarea de către Heisenberg a semnificației cauzalității, cât și în concepția sa despre observabilitatea mărimilor fizice, care a dus la stabilirea principiului incertitudinii și la formularea problemei de măsurare în microfizică. Primele lucrări ale lui Heisenberg privind mecanica cuantică au fost influențate indirect de ideile pozitiviste ale lui Ernst Mach (prin intermediul scrierilor lui Einstein).
Pe lângă Einstein, Heisenberg a fost profund influențat de prietenia și colaborarea cu Niels Bohr, care a acordat o atenție deosebită interpretării teoriei, clarificând semnificația conceptelor folosite în cadrul acesteia. Heisenberg, pe care Wolfgang Pauli l-a numit la început un formalist pur, a asimilat curând ideologia lui Bohr și, în celebra sa lucrare despre relațiile de incertitudine, a adus o contribuție semnificativă la redefinirea conceptelor clasice în microcosmos. Mai târziu, nu numai că a fost unul dintre principalii actori în formarea finală a așa-numitei interpretări de la Copenhaga a mecanicii cuantice, dar s-a orientat în mod repetat către analiza istorică și conceptuală a fizicii moderne. Filozoful Anatoli Akhutin a identificat ideea de limită în sens larg (conceptul de centru organizatoric în jurul căruia se construiește o imagine unitară a lumii și a științei; problema depășirii cunoștințelor existente și a construirii unei noi imagini a realității („pași dincolo de orizont”) ca fiind un motiv major în raționamentul lui Heisenberg.
Citește și, biografii – Kęstutis
Unele articole în traducere în limba rusă
sursele
