ГЕЙЗЕНБЕРГ ВЕРНЕР (1901 г. – 1976 г.)

ГЕЙЗЕНБЕРГ ВЕРНЕР

(1901 г. – 1976 г.)

Знаменитый немецкий физик-теоретик Вернер Карл Гейзенберг родился 5 декабря 1901 года в Вюрцбурге в семье Августа Гейзенберга и Анне Векляйн.

Его отец работал преподавателем классических языков в местной гимназии в Вюрцбурге, а также занимал должность приват-доцента Вюрцбургского университета, где преподавал греческий язык. Мать была дочерью директора Королевской Максимилиановской гимназии в Мюнхене.

В 1910 году Августу Гейзенбергу предложили возглавить единственную в Германии кафедру классической филологии и византинистики Мюнхенского университета, и через некоторое время семья переехала в Мюнхен. Отец Вернера старался дать сыну разностороннее образование и всячески поддерживал его интересы в различных областях науки. Мальчик проявил склонность и к музыке, он прекрасно играл на пианино.

После того как Вернер прошел курс начального обучения, в сентябре 1911 года, в возрасте десяти лет, он поступил в Максимилиановскую гимназию, где проучился десять лет. В гимназии Гейзенберг заинтересовался изучением языков, в частности санскрита и латыни, а также математикой. На третьем году учебы Вернер увлекся дифференциальным исчислением.

После поражения Германии в Первой мировой войне Гейзенберг некоторое время был членом народной милиции, в функции которой входило поддержание порядка в Мюнхене в смутное время.

В 1920 году Вернер успешно окончил гимназию и поступил в Мюнхенский университет. Будучи студентом кафедры математики, он хотел посещать семинар по проблемам высшей математики, но получил отказ. Тогда он добился своего перевода на кафедру теоретической физики. В то время Мюнхен был одним из центров теоретической физики. Учителями Гейзенберга были такие известные физики, как Арнольд Зоммерфельд и Вильгельм Вин.

Гейзенберг был талантливейшим студентом. Он окончил университетскую программу всего за три года – минимально разрешенное время. В 1923 году Вернер защитил докторскую диссертацию по теме «О стабильности и турбулентности потоков жидкости», где применил некоторые аспекты квантовой теории.

После защиты диссертации Гейзенберг в течение полугода работал стипендиатом-исследователем в Геттингенском университете под руководством Макса Борна, и после того как освободилось место доцента теоретической физики, занял его. Вместе с Борном Гейзенберг проработал в Геттингенском университете до 1927 года.

Совместная работа в Геттингене пошла на пользу обоим знаменитым физикам. Вместе с Максом Борном и Паскуалем Йорданом Гейзенберг заложил основы квантовой механики.

В то время физики были восхищены работой и идеями Нильса Бора, который предложил новую модель атома. Все большее число ученых занимались исследованием строения атома. Проблема строения атома заинтересовала и молодого Вернера Гейзенберга.

Еще в 1900 году Макс Планк предположил, что энергия испускается малыми дискретными порциями – квантами. Энергия каждого кванта пропорциональна частоте излучения. Хотя Макс Планк и сам не полностью осознал важность своего открытия, он заложил первый кирпичик в основание построенной Гейзенбергом, Шрёдингером, Дираком и Бором квантовой теории.

Вместе со своим маститым учителем Максом Борном Гейзенберг начал разработку математического аппарата квантовой теории.

В мае 1925 года с Гейзенбергом случилось несчастье – у него был острый приступ сенной лихорадки. Ученый был вынужден провести несколько месяцев на маленьком островке Гельголанд, полностью изолированном от внешнего, в том числе и научного мира. И вот тут полностью оправдала себя поговорка «не было бы счастья, да несчастье помогло». За время, проведенное на острове, ученый разработал метод, который позволял разрешить проблемные моменты в модели атома Нильса Бора. По Гейзенбергу, квантовые события следовало рассматривать на другом уровне, отличном от классической физики.

Метод Гейзенберга давал возможность вычислить интенсивность спектральных линий, испускаемых простейшей квантовой системой – линейным осциллятором. Немецкий ученый произвел квантовомеханический расчет атома гелия и показал возможность его существования в двух различных состояниях. В строгом математическом представлении Гейзенберга использовались таблицы наблюдаемых величин: частот, пространственных координат и импульсов. Также Гейзенберг выработал правила, которые позволяли производить над таблицами различные математические операции.

Теория, разработанная молодым ученым, оказалась настолько сложной, что он и сам не смог полностью разобраться в ее математических основаниях. По возвращении в Геттинген Гейзенберг представил свой труд Борну, и тот, вместе с другим своим талантливым учеником – Паскуалем Йорданом, усовершенствовал его работу.

Ученые проанализировали таблицы Гейзенберга и показали, что над ними можно проводить операции, типичные для матричной алгебры. В то время матричная алгебра была уже хорошо разработана, но в физике она еще никогда не применялась.

В сентябре 1925 года Борн опубликовал статью «О квантовой механике», где представил результаты исследований и ввел термин «квантовая механика», под которым подразумевал сложный математический аппарат квантовой теории.

Учившийся в те годы в Геттингене «отец кибернетики» Норберт Винер отмечал, что честь создания квантовой механики как самостоятельного раздела науки принадлежит Гейзенбергу, но кто знает, как бы развивались события, если бы Гейзенберг не был аспирантом Макса Борна, заложившего математические основы предположений и открытий Вернера.

Получив стипендию Рокфеллеровского фонда, в 1926 году Гейзенберг отправился в Копенгаген, где начал работать с Нильсом Бором. Гейзенберг часто ездил в Геттинген к Борну, но большую часть времени проводил в Копенгагене.

Наверное, трудно представить в мире науки более подходящих друг другу сотрудников, чем Бор и Гейзенберг. Опыт, фантастическую интуицию, глубокие знания Бора прекрасно дополняли точность, глубина мысли, блистательный математический кругозор Гейзенберга.

Развитие квантовой теории не стояло на месте.

Спустя несколько месяцев после открытия Гейзенберга Эрвин Шрёдингер развил волновую механику. Ее начало можно было разглядеть в работах Луи де Бройля, который предположил наличие волновых свойств у частиц и выдвинул идею корпускулярно-волновой природы материи. Сегодня физики-теоретики чаще используют представления волновой механики, поскольку ее аппарат легче, чем аппарат матричной механики Гейзенберга.

В сентябре 1926 года Шрёдингер прибыл в Копенгаген, пытаясь переубедить Бора и доказать правоту своей теории, но в результате дискуссии ни одна из сторон не добилась успеха. Ни одну из предложенных интерпретаций квантовой механики нельзя было считать вполне приемлемой.

Макс Борн доказал, что законы физики микромира являются статичными и что волновая функция должна пониматься как комплексная величина, квадрат которой выражает вероятность того, что соответствующая частица находится в той или иной точке пространства. Он сформулировал интерпретацию функции плотности вероятности в квантовомеханическом уравнении Шрёдингера, которая позже была названа «Копенгагенской интерпретацией». Спустя некоторое время Поль Дирак развил теорию квантовой механики, включив в волновое уравнение элементы теории относительности Эйнштейна.

По воспоминаниям Гейзенберга, их совместные исследования и беседы с Бором длились до поздней ночи. Ученые провели опыты по дифракции электронов, которые подтвердили наличие корпускулярно-волнового механизма. После напряженных исследований ученым удалось совершить великие открытия – были получены соотношения неопределенностей Гейзенберга и принцип дополнительности Бора.

В 1927 году Вернер Гейзенберг опубликовал свою знаменитую работу «?ber den anschaulichen Inhalt der quanten theoretischen Kinematik und Mechanik», в которой сформулировал «принцип неопределенности». Он стал одним из общих фундаментальных принципов квантовой механики.

Проанализировав процессы измерения координат и импульсов, ученый пришел к выводу, что измерение координаты обязательно влияет на импульс частицы, причем влияние измерения не влияет существенно на импульс. Соотношения Гейзенберга стали пределом точности для идеальных измерений (фон Неймана) и неидеальных измерений (Ландау).

По Гейзенбергу, частица, имеющая дискретный электрический заряд, ни в коем случае не может быть описана одновременно как волна и как точечная частица. Например, чем точнее выявлена позиция электрона в пространстве, тем более неопределенной становится его скорость. Чем точнее определяется частота звукового сигнала, тем сильнее теряется точность определения времени. Согласно «копенгагенской интерпретации», чем точнее исследователь определит координату частицы, тем менее точно будет известен ее импульс и т. д. Принцип неопределенности Гейзенберг применил к каждой паре сопряженных переменных.

Если провести исследования в нескольких идентичных копиях системы в данном состоянии, то полученные значения будут зависеть от определенного «распределения вероятности» – фундаментального понятия квантовой теории.

Большое значение в теории Гейзенберга имеет постоянная Планка, которая входит во многие уравнения, вытекающие из принципа неопределенности Гейзенберга. Например, при измерении величины стандартного отклонения произведение погрешностей измерений двух величин не может быть меньше постоянной Планка. В повседневной жизни мы обычно не наблюдаем неопределенности по той причине, что значение постоянной Планка очень мало, но на атомном уровне принцип неопределенности очень важен.

Свой принцип Гейзенберг вывел как результат умножения матриц. Каждой физической величине соответствовал некий оператор, а операторы Гейзенберг представлял в виде бесконечных матриц.

Из теории Гейзенберга был выведен принцип дополнительности. Гейзенберг вместе с Бором произвели квантовомеханический расчет атома гелия и показали возможность существования его в двух различных состояниях (орто– и пара-). Также Гейзенберг произвел количественное объяснение спектра водорода.

Теория Гейзенберга оказалась трудна для понимания, и не все великие ученые ее приняли.

Например, Бору и Гейзенбергу бросил вызов Альберт Эйнштейн. Он предложил теоретический эксперимент, в котором представил коробку с радиоактивным материалом, испускающим радиацию случайным образом. У коробки имеется специальный затвор, который сразу после заполнения коробки закрывается с помощью часов в определенный момент времени, позволяя уйти небольшому количеству радиации.

Эйнштейн полагал, что несмотря на то, что время точно известно, можно точно измерить и сопряженную переменную – количество энергии. Для этого достаточно провести взвешивание коробки до и после эксперимента, и соответствие между массой и энергией, согласно его теории относительности, позволит точно определить, сколько энергии осталось в коробке.

Однако великий Бор опроверг умозаключения не менее великого Эйнштейна. Согласно Бору, если энергия уйдет, тогда коробка станет легче и немного сдвинется на весах. В результате этого изменится положение часов, они отклонятся от неподвижной системы отсчета, и измерения времени будут отличаться. Соотношение Гейзенберга позволит получить правильные результаты.

Осенью 1927 года Вернера Гейзенберга пригласили занять должность профессора теоретической физики Лейпцигского университета. Ученый стал самым молодым профессором в истории Германии. В Лейпциге он проработал до 1941 года.

Изобретение Гейзенбергом принципа неопределенности и его запоминающееся название породило ряд анекдотов и смешных историй. Поговаривают, что на стенах физических факультетов ряда немецких университетов пестрела популярная в те времена надпись: «Здесь, возможно, был Гейзенберг».

Благодаря своим работам в области квантовой теории ученый получил мировую популярность. Его приглашали читать лекции различные университеты. Однако, будучи и на пике популярности, Гейзенберг не бросил свою исследовательскую деятельность.

В 1928 году совместно с Дираком Вернер Гейзенберг выдвинул идею квантового обменного взаимодействия, независимо и одновременно с Я. И. Френкелем разработал квантовомеханическую теорию спонтанной намагниченности ферромагнетиков, основанную на обменном взаимодействии электронов.

В 1929 году вместе с Вольфгангом Паули опубликовал важные работы в области квантовой электродинамики, ввел схему квантования полей, в том числе и электромагнитного поля.

Во время совместного с Дираком кругосветного путешествия в 1929 году Гейзенберг побывал в Японии, в Сибири, прочел в Чикагском университете курс лекций по «копенгагенской доктрине».

После открытия в 1932 году Джеймсом Чедвиком нейтрона Гейзенберг высказал предположение, что атомные ядра состоят из нейтронов и протонов, удерживаемых силами ядерного обменного взаимодействия. Также Гейзенберг ввел понятие изотопического спина.

В 1933 году Вернер Гейзенберг был удостоен Нобелевской премии по физике за 1932 год. Премия великому ученому была вручена «за создание квантовой механики, применение которой привело, помимо прочего, к открытию аллотропических форм водорода».

В 1941 году Гейзенберг был назначен директором института физики кайзера Вильгельма и профессором физики Берлинского университета. Хотя большинство ученых, спасаясь от фашистов, покинули Германию, Гейзенберг решил продолжить свою работу и отверг многочисленные предложения друзей эмигрировать из Германии.

Во время нацизма так называемые «арийские физики» называли Гейзенберга за его работы «белым евреем».

Вернера Гейзенберга, Отто Ганна, Карла Вайцзеккера и других физиков призвали в армейское оружейное ведомство Третьего рейха и поставили им конкретную задачу – создать для Германии атомную бомбу. Гейзенберг возглавил германский проект по атомным исследованиям.

В 1941 году Гейзенберг и Вайцзеккер поехали в Копенгаген, где пытались уговорить Нильса Бора помочь в создании немецкой атомной бомбы, но гениальный физик отверг их предложение.

Во время войны союзники не знали, как далеко продвинулись Гейзенберг и его коллеги в своих исследованиях. Американские физики, опасаясь физического гения Гейзенберга, продолжили свои интенсивные работы и первыми создали бомбу. Участникам же атомного проекта в Германии не удалось даже построить ядерный реактор. Среди факторов, помешавших это сделать – изгнание ученых-евреев из Германии, приказ Гитлера о запрещении исследований, которые не принесут результата в течение полугода, неправильные теоретические оценки необходимого для цепной реакции количества урана, уничтожение авиацией союзников завода по производству тяжелой воды в Норвегии и других важных объектов и т. д.

После окончания войны Гейзенберг, Вайцзеккер и другие участники германского атомного проекта были арестованы и интернированы в Англию.

Репутация Гейзенберга как человека сильно пострадала. Былую встречу с Бором Гейзенберг представлял не как попытку привлечь датского гения к фашистскому проекту, а как свое желание предотвратить разработку атомной бомбы. Нильс Бор отказался разглашать содержание беседы с Гейзенбергом, но после той встречи он порвал все контакты с немецким ученым и вскоре уехал в Англию, а затем в США в Лос-Аламос, где осуществлялся американский проект атомной бомбы.

На допросах Гейзенберг заявил, что всячески старался саботировать проект. Американские физики проанализировали исследования немецких ученых и сделали вывод о том, что, действительно, выбранное ими направление работ было малоперспективным. Однако до сих пор осталась так и невыясненной главная причина неудачи немцев – был ли то просчет ученых или намеренный саботаж.

Несмотря на обнаружение написанного, но неотправленного письма Нильса Бора Вернеру Гейзенбергу, ситуация с участием Гейзенберга в германском атомном проекте так и не прояснилась.

В Германию Вернер Гейзенберг вернулся в 1946 году. Он вновь возглавил Институт Макса Планка в Мюнхене (бывший институт физики кайзера Вильгельма), а также занял пост профессора физики Геттингенского университета.

В послевоенное время Гейзенберг совершил еще несколько важных открытий, но он уже не был на первых ролях в мире физики. Предложенная им единая теория поля так и не смогла объяснить экспериментальные факты и была отвергнута.

В апреле 1957 года Гейзенберг вместе с 17 немецкими физиками-ядерщиками выступил против вооружения армии Германии ядерным оружием. Он публично критиковал канцлера ФРГ Конрада Аденауэра за финансирование правительством ядерной технологии.

В 1958 году Гейзенберг стал директором университета физики и астрофизики, а также профессором Мюнхенского университета.

Вклад Вернера Гейзенберга в науку был огромным. Ученый оставил после себя работы по структуре атомного ядра, релятивистской квантовой механике, единой теории поля, теории ферромагнетизма. Среди трудов не по специальности следует выделить его статьи и книги по философским проблемам, которые остаются актуальными и на сегодняшний день.

Особенно популярными работами Гейзенберга являются «Физические принципы квантовой теории» (1930), «Физика и философия» (1958), «Физика и за ее пределами» (1971), а также его автобиография, опубликованная в 1969 году, – «Часть и целое. Беседы вокруг атомной физики». В своей автобиографии Гейзенберг анализирует свою жизнь и открытия за почти полувековой период.

Среди учеников Гейзенберга следует назвать «отца водородной бомбы» Э. Теллера, физика и философа К. Вайцзеккера, выдающегося химика Ф. Гунда и будущего лауреата Нобелевской премии Ф. Блоха.

Кроме Нобелевской премии ученый был награжден различными национальными и международными медалями и премиями, среди которых – золотая медаль Барнарда «За выдающиеся научные заслуги» Колумбийского университета (1929), золотая медаль Маттеуччи Национальной академии наук Италии (1929), медаль Макса Планка Германского физического общества (1933), бронзовая медаль Национальной академии наук США (1964), международная золотая медаль Нильса Бора Датского общества инженеров-строителей, электриков и механиков (1970).

Гейзенберг был членом различных академий и научных обществ – академий наук Норвегии, Испании, Германии и Румынии, Лондонского королевского общества, Саксонской академии наук в Лейпциге, Американского философского общества, Нью-Йоркской академии наук, Королевской Ирландской академии и Японской академии. Также ученый был удостоен почетных степеней университетов Брюсселя, Будапешта, Копенгагена, Загреба и т. д.

Еще в 1937 году Гейзенберг женился на Элизабет Шумахер. У супругов было четыре дочери и трое сыновей, один из которых, Мартин Гейзенберг, стал профессором генетики.

Гейзенберг был большим любителем музыки. В свободное от исследований время он любил играть в камерных ансамблях с членами своей семьи.

1 февраля 1976 года Вернер Гейзенберг умер в своем доме в Мюнхене от рака почки и желчного пузыря.

Одним из его любимых высказываний была фраза, которая замечательно характеризует этого великого ученого: «Только немногие знают, как много надо знать, чтобы понять, как мало знаешь».

Данный текст является ознакомительным фрагментом.