Werner Heisenberg
gigatos | januari 22, 2022
Sammanfattning
Werner Carl Heisenberg (5 december 1901, Würzburg – 1 februari 1976, München) var en tysk teoretisk fysiker, en av kvantmekanikens grundare, Nobelpristagare i fysik (1932) och medlem av flera akademier och vetenskapliga sällskap.
Heisenberg är upphovsman till ett antal grundläggande resultat inom kvantteorin: han lade grunden för matrismekaniken, formulerade osäkerhetsrelationen, tillämpade kvantmekanikens formalism på problemen med ferromagnetism, den anomala Zeemaneffekten och andra. Senare deltog han aktivt i utvecklingen av kvantelektrodynamiken (Heisenberg-Pauli-teorin) och kvantfältteorin (S-matris-teorin), och under de sista decennierna av sitt liv försökte han skapa en enhetlig fältteori. Heisenberg är en av de första kvantmekaniska teorierna om kärnkrafter, och under andra världskriget var han den ledande teoretikern i det tyska kärnkraftsprojektet. Han arbetade också med fysik för kosmisk strålning, turbulensteori och filosofiska problem inom naturvetenskapen. Heisenberg spelade en viktig roll i organiseringen av den vetenskapliga forskningen i efterkrigstidens Tyskland.
Läs också: biografier – Guy Fawkes
Tonåren (1901-1920)
Werner Heisenberg föddes i Würzburg i familjen August Heisenberg, professor i medeltida och modern grekisk filologi, och Annie Wecklein, dotter till direktören för Maximilian Gymnasium i München. Han var familjens andra barn, hans äldre bror Erwin (1900-1965) blev senare kemist. Familjen flyttade till München 1910, där Werner gick i skolan och utmärkte sig i matematik, fysik och grammatik. Studierna avbröts våren 1918 då han och andra 16-åringar skickades till en gård för att utföra hjälparbete. Vid denna tid började han på allvar intressera sig för filosofi och läste Platon och Kant. Efter första världskrigets slut befann sig landet och staden i en osäker situation, makten skiftade från en politisk grupp till en annan. Våren 1919 var Heisenberg kortvarigt kyrkoherde och hjälpte den nya bayerska regeringens trupper som hade gått in i staden. Han deltog då i en ungdomsrörelse som delvis var starkt motsatt status quo, gamla traditioner och fördomar. Här är hur Heisenberg själv minns ett av dessa ungdomars möten:
Det fanns många tal vars patos skulle verka främmande för oss i dag. Vad är viktigast, vårt folks öde eller mänsklighetens öde; om de fallnas offerdöd är meningslös i nederlag; om unga människor har rätt att forma sina egna liv enligt sina egna idéer om värderingar; vad är viktigast, lojalitet mot sig själva eller de gamla former som har ordnat människornas liv i århundraden – alla dessa saker diskuterades och debatterades med passion. Jag var för tveksam i alla frågor för att delta i dessa debatter, men jag lyssnade på dem om och om igen…
Hans främsta intresse vid denna tid var dock inte politik, filosofi eller musik (Heisenberg var en begåvad pianist och kunde, som Felix Bloch minns, spela på instrumentet i timmar) utan snarare matematik och fysik. Han studerade dem mestadels självständigt och hans kunskaper, som gick långt utöver skolans kurs, märktes särskilt i hans slutprov i gymnasiet. Under en lång sjukdom läste han Hermann Weills bok ”Rymd, tid och materia” och blev imponerad av kraften i matematiska metoder och deras tillämpningar och bestämde sig för att studera matematik vid universitetet i München, där han skrev in sig sommaren 1920. Matematikprofessorn Ferdinand von Lindemann vägrade dock att låta nykomlingen ingå i sitt seminarium och på sin fars inrådan gick Heisenberg till den välkände teoretiske fysikern Arnold Sommerfeld. Han gick genast med på att acceptera Werner i sin grupp, där den unge Wolfgang Pauli redan arbetade och som snart blev en nära vän till Heisenberg.
Läs också: biografier – Jacobus van ’t Hoff
München – Göttingen – Köpenhamn (1920-1927)
Under Sommerfelds ledning började Heisenberg arbeta i linje med den så kallade ”gamla kvantteorin”. Sommerfeld tillbringade vintern 1922-1923 vid universitetet i Wisconsin (USA) och rekommenderade att hans elev skulle arbeta i Göttingen under Max Born. Därmed inleddes ett fruktbart samarbete mellan de två forskarna. Det bör noteras att Heisenberg hade besökt Göttingen redan i juni 1922 under den så kallade Bohr-festivalen, en serie föreläsningar om ny atomfysik som Niels Bohr höll. Den unge fysikern lärde till och med känna den berömda dansken och pratade med honom under en av hans promenader. Som Heisenberg själv senare erinrade sig, hade detta samtal ett stort inflytande på hans åsikter och hans inställning till vetenskapliga problem. Han definierade de olika influenserna i sitt liv på följande sätt: ”Jag lärde mig optimism av Sommerfeld, matematik av Göttingen och fysik av Bohr.
Heisenberg återvände till München under sommarsemestern 1923. Vid den här tiden hade han förberett en avhandling som handlade om några grundläggande problem inom hydrodynamiken. Ämnet hade föreslagits av Sommerfeld, som ansåg att ett mer klassiskt ämne skulle förenkla försvaret. Utöver avhandlingen måste man dock avlägga ett muntligt prov i tre ämnen för att få en doktorsexamen. Särskilt svårt var ett test i experimentell fysik, som Heisenberg inte hade ägnat någon större uppmärksamhet åt. I slutändan kunde han inte svara på någon av professor Wilhelm Wiens frågor (om upplösningen av Fabry-Perot-interferometern, mikroskopet, teleskopet och principen för blybatteriet), men tack vare Sommerfelds ingripande fick han ändå det lägsta betyget, vilket räckte för att få sin examen.
På hösten 1923 återvände Heisenberg till Göttingen för att träffa Born, som fick ytterligare en assistenttjänst åt honom. Born beskrev sin nya medarbetare på följande sätt:
Han såg ut som en enkel bondpojke, med kort, blont hår, klara, livliga ögon och ett charmigt uttryck. Han skötte sina assistentuppgifter mer seriöst än Pauli och var till stor hjälp för mig. Hans obegripliga snabbhet och skarpa förståelse gjorde att han alltid kunde ta sig igenom en kolossal mängd arbete utan större ansträngning.
I Göttingen fortsatte den unge vetenskapsmannen sitt arbete med teorin om Zeemaneffekten och andra kvantproblem, och året därpå blev han habiliterad och fick officiellt tillstånd att hålla föreläsningar. Hösten 1924 kom Heisenberg för första gången till Köpenhamn för att arbeta under Niels Bohr. Han började också arbeta nära Hendrik Kramers och skrev en gemensam artikel om kvantdispersionsteori.
Våren 1925 återvände Heisenberg till Göttingen och under de följande månaderna gjorde han avgörande framsteg med att konstruera den första logiskt sammanhängande kvantteorin, matrismekaniken. Senare förbättrades teorins formalism med hjälp av Born och Pascual Jordan. En annan formulering av teorin, vågmekanik, gavs av Erwin Schrödinger och stimulerade både många konkreta tillämpningar och en djupgående bearbetning av teorins fysikaliska grunder. Ett av resultaten av denna verksamhet var Heisenbergs osäkerhetsprincip, som formulerades i början av 1927.
I maj 1926 flyttade Heisenberg till Danmark och började arbeta som docent vid Köpenhamns universitet och assistent till Niels Bohr.
Läs också: biografier – Ptolemaios IV Filopator
Leipzig till Berlin (1927-1945)
Erkännandet av Heisenbergs vetenskapliga meriter resulterade i inbjudningar till professurer i Leipzig och Zürich. Forskaren valde Leipzig, där Peter Debye var chef för universitetets fysikaliska institut, och i oktober 1927 tillträdde han tjänsten som professor i teoretisk fysik. Hans andra kollegor var Gregor Wentzel och Friedrich Hund, med Guido Beck som hans första assistent. Heisenberg utförde ett antal uppgifter vid institutionen, höll föreläsningar om teoretisk fysik och organiserade ett veckoseminarium om atomteori, vilket åtföljdes inte bara av intensiva diskussioner om vetenskapliga problem, utan också av vänskapliga tebjudningar och tillfälliga bordtennistävlingar (den unge professorn spelade mycket bra och med stor lust). Som biograferna Neville Mott och Rudolf Peierls påpekar hade Heisenbergs tidiga berömmelse liten inverkan på hans personliga egenskaper:
Ingen skulle ha dömt honom om han hade börjat ta sig själv på allvar och blivit lite pompös efter att ha tagit minst två avgörande steg som förändrade fysikens ansikte, och efter att ha blivit professor vid så ung ålder, vilket fick många äldre och mindre viktiga personer att känna sig viktiga också, men han förblev som han var – informell och glad i sitt bemötande, nästan pojkaktig och med en blygsamhet som gränsar till blyghet.
Heisenbergs första elever kom till Leipzig och här bildades snart en stor vetenskaplig skola. I den teoretiska gruppen ingick vid olika tidpunkter Felix Bloch, Hugo Fano, Erich Hückel, Robert Mulliken, Rudolf Peierls, Georg Placzek, John Slater och 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 och många andra. Även om professorn vanligtvis inte gick in på de matematiska detaljerna i sina studenters arbete, hjälpte han ofta till att klargöra den fysikaliska karaktären hos det problem han studerade. Felix Bloch, Heisenbergs första elev (och senare Nobelpristagare) beskrev sin mentors pedagogiska och vetenskapliga kvaliteter på följande sätt
Om jag måste välja ut en enda av hans stora kvaliteter som lärare skulle det vara hans utomordentligt positiva inställning till alla framsteg och hans uppmuntran i detta avseende. …En av Heisenbergs mest slående egenskaper var den nästan omisskännliga intuition han visade när han tog sig an ett fysikaliskt problem, och det fenomenala sätt på vilket lösningarna tycktes falla från himlen.
År 1933 tilldelades Heisenberg Nobelpriset i fysik för föregående år med motiveringen ”för skapandet av kvantmekaniken, vars tillämpningar bland annat ledde till upptäckten av vätets allotropa former”. Trots sin glädje uttryckte vetenskapsmannen sin förvåning över att hans kollegor Paul Dirac och Erwin Schrödinger fick samma pris (för 1933) för två, medan Max Born helt ignorerades av Nobelkommittén. I januari 1937 träffade han en ung kvinna, Elisabeth Schumacher (1914-1998), dotter till en professor i ekonomi i Berlin, och i april gifte han sig med henne. Året därpå fick de tvillingarna Wolfgang och Anna-Maria. De fick sammanlagt sju barn, varav några också utvecklade ett intresse för vetenskap: Martin Heisenberg blev genetiker, Jochen Heisenberg fysiker och Anna-Marie och Verena fysiologer.
Vid den här tiden hade den politiska situationen i Tyskland förändrats radikalt: Hitler hade kommit till makten. Heisenberg, som beslöt att stanna kvar i landet, blev snart attackerad av motståndarna till den så kallade ”judiska fysiken”, som omfattade kvantmekanik och relativitetsteori. Under 1930-talet och början av 1940-talet arbetade forskaren ändå flitigt med problem inom atomkärnteori, fysik för kosmiska strålar och kvantfältsteori. Från och med 1939 deltog han i det tyska kärnkraftsprojektet som en av dess ledare, och 1942 utnämndes han till professor i fysik vid Berlins universitet och chef för Kaiser Wilhelm-sällskapets fysikinstitut.
Läs också: biografier – Domitianus
Efterkrigstiden (1946-1976)
Under Operation Epsilon greps tio tyska forskare (däribland Heisenberg) som arbetade med kärnvapen i Nazityskland av de allierade styrkorna. Forskarna tillfångatogs mellan den 1 maj och 30 juni 1945 och fördes till Farm Hall, en avlyssnad byggnad i Godmanchester, nära Cambridge i England. De hölls där från den 3 juli 1945 till den 3 januari 1946 för att fastställa hur nära tyskarna var att bygga en atombomb.
I början av 1946 bjöd överste B. K. Blount, medlem av vetenskapsavdelningen i den brittiska ockupationszonens militärregering, in Heisenberg och Otto Hahn till Göttingen, där vetenskapens pånyttfödelse i det ödelagda Tyskland skulle börja. Vetenskapsmännen ägnade mycket uppmärksamhet åt organisationsarbete, först inom vetenskapsrådet och sedan inom Max Planck-sällskapet, som ersatte Kaiser Wilhelm-sällskapet. 1949, efter att Förbundsrepubliken Tyskland hade bildats, blev Heisenberg den förste ordföranden för German Research Association, som skulle främja vetenskapligt arbete i landet. Som chef för kommittén för atomfysik var han en av initiativtagarna till arbetet med kärnreaktorer i Tyskland. Samtidigt motsatte sig Heisenberg Adenauer-regeringens förvärv av kärnvapen. År 1955 spelade han en aktiv roll i framväxten av den så kallade Mainau-deklarationen, som undertecknades av sexton Nobelpristagare, och två år senare – Göttingenmanifestet, som undertecknades av arton tyska vetenskapsmän. 1958 undertecknade han ett upprop som initierades av Linus Pauling och som riktades till FN:s generalsekreterare och som krävde ett förbud mot kärnvapentester. Ett avlägset resultat av denna verksamhet var att Förbundsrepubliken Tyskland anslöt sig till fördraget om icke-spridning av kärnvapen.
Heisenberg stödde aktivt inrättandet av CERN och deltog i flera av dess kommittéer. Han var särskilt den första ordföranden för kommittén för vetenskapspolitik och var med och bestämde inriktningen på CERN:s utveckling. Samtidigt var Heisenberg chef för Max Planck-institutet för fysik, som 1958 flyttade från Göttingen till München och bytte namn till Max-Planck-Institut für Physik. Forskaren var chef för denna institution fram till sin pensionering 1970. Han använde sitt inflytande för att etablera nya institut inom sällskapet – Karlsruhe Research Center (nu en del av universitetet i Karlsruhe), Max-Planck-Institut für Plasmaphysik och Institute for Extraterrestrial Physics. År 1953 blev han den första ordföranden för Alexander von Humboldt-stiftelsen efter kriget, vars syfte var att främja utländska forskare som ville arbeta i Tyskland. Heisenberg innehade denna position i två decennier och såg till att stiftelsen och dess struktur var autonoma och fria från de byråkratiska bristerna hos statliga organ.
Trots sina många administrativa och sociala ansvarsområden fortsatte forskaren sitt vetenskapliga arbete och fokuserade under de senaste åren på försök att utveckla en enhetlig fältteori. Bland hans medarbetare i Göttingen-gruppen fanns Karl von Weizsäcker, Kazuhiko Nishijima, Harry Lehmann, Gerhart Lueders, Reinhard Oehme, Walter Thierring, Bruno Zumino, Hans-Peter Dürr och andra. Efter sin pensionering talade Heisenberg huvudsakligen om allmänna eller filosofiska frågor inom naturvetenskapen. 1975 började hans hälsa försämras och den 1 februari 1976 avled han. Den berömda fysikern Eugene Wigner skrev vid detta tillfälle:
Det finns ingen levande teoretisk fysiker som har bidragit mer till vår vetenskap än han. Samtidigt var han vänlig mot alla, utan arrogans och höll oss i trevligt sällskap.
Läs också: biografier – Ronald Ross
Den gamla kvantteorin
I början av 1920-talet var den så kallade ”gamla kvantteorin”, som ursprungligen baserades på Niels Bohrs idéer och som utvecklades i Sommerfelds och andra forskares arbete, en tid inom atomfysiken. En av de viktigaste metoderna för att få fram nya resultat var Bohrs korrespondensprincip. Trots ett antal framgångar har många frågor ännu inte lösts på ett tillfredsställande sätt, t.ex. problemet med flera interagerande partiklar eller problemet med rumslig kvantifiering. Dessutom var själva teorin inkonsekvent: Newtons klassiska lagar kunde bara tillämpas på stationära elektronbanor, medan övergången mellan dem inte kunde beskrivas på denna grund.
Sommerfeld, som var väl medveten om alla dessa svårigheter, anlitade Heisenberg för att arbeta med teorin. Hans första artikel, som publicerades i början av 1922, handlade om en fenomenologisk modell för Zeemaneffekten. Detta arbete, som föreslog en djärv modell av atomramen som interagerar med valenselektroner och införde halvt heltalskvanttal, gjorde den unge forskaren omedelbart till en av de ledande inom teoretisk spektroskopi. I efterföljande artiklar diskuterades spektrallinjernas bredd och intensitet och deras zeemaniska komponenter på grundval av korrespondensprincipen. De artiklar som skrevs i samarbete med Max Born behandlade allmänna problem med teorin för atomer med flera elektroner (inom ramen för den klassiska störningsteorin), analyserade teorin för molekyler och föreslog en hierarki av intramolekylära rörelser som skiljer sig åt i fråga om energi (molekylära rotationer och vibrationer, elektroniska excitationer), utvärderade värdena för atomära polarisationsförmågor och drog slutsatsen att det var nödvändigt att införa kvanttal med halva heltal. En annan ändring av kvantförhållandena, som består i att tillskriva atomens kvanttillstånd två halva helheter av kvanttalen för vinkelmomentet, följde av att man beaktade den anomala Zeemaneffekten (denna ändring förklarades senare med närvaron av elektronernas spinn). På förslag av Born användes detta arbete som Habilitationsschrift, dvs. som grund för den habilitering som Heisenberg fick vid 22 års ålder vid universitetet i Göttingen.
Det gemensamma arbetet med Hendrik Kramers, som skrevs i Köpenhamn, innehöll en formulering av dispersionsteorin som generaliserade nya resultat från Born och Kramers själv. Det resulterade i kvantteoretiska analoger till dispersionsformler för atomens polarisationsförmåga i ett givet stationärt tillstånd, med hänsyn till möjligheten av övergångar till högre och lägre tillstånd. Detta viktiga arbete, som publicerades i början av 1925, var den omedelbara föregångaren till den första formuleringen av kvantmekaniken.
Läs också: civilisationer – Kazaker
Skapa matrismekanik
Heisenberg var inte nöjd med teorin, som krävde att man löste varje enskilt problem inom den klassiska fysiken och sedan översatte det till kvantspråk med hjälp av korrespondensprincipen. Ett sådant tillvägagångssätt gav inte alltid resultat och berodde till stor del på forskarens intuition. På våren 1925 beslutade Heisenberg att överge den gamla beskrivningen och ersätta den med en beskrivning i termer av så kallade observerbara storheter, eftersom han sökte efter en strikt och logiskt konsekvent formalism. Denna idé påverkades av Albert Einsteins arbete, som gav en relativistisk definition av tid i stället för den oobserverbara newtonska absoluta tiden. (Redan i april 1926 påpekade Einstein i ett privat samtal med Heisenberg att det är teorin som avgör vilka storheter som är observerbara och vilka som inte är det.) Heisenberg förkastade de klassiska begreppen om elektronens position och rörelsemängd i atomen och ansåg att frekvensen och amplituden hos svängningarna kan bestämmas med hjälp av optiska experiment. Han lyckades representera dessa kvantiteter som komplexa tal och ge en regel för deras multiplikation, som visade sig vara icke kommutativ, och sedan tillämpa den utvecklade metoden på problemet med den anharmoniska oscillatorn. För ett särskilt fall av den harmoniska oscillatorn följde det naturligt att den så kallade ”nollpunktsenergin” existerar. Korrespondensprincipen ingick alltså i själva grunden för det utvecklade matematiska systemet.
Heisenberg fick lösningen i juni 1925 på ön Helgoland, där han återhämtade sig från ett anfall av hösnuva. När han återvände till Göttingen beskrev han sina resultat i en artikel ”On the quantum-theoretic interpretation of kinematic and mechanical relations” och skickade den till Wolfgang Pauli. Efter att ha fått den senares godkännande gav Heisenberg uppsatsen till Born för publicering i tidskriften Zeitschrift für Physik, där den mottogs den 29 juli 1925. Born insåg snart att de mängder av tal som representerade fysiska storheter inte var något annat än matriser och att Heisenbergs regel för att multiplicera dem var matrismultiplikationsregeln.
I allmänhet fick matrismekaniken ett ganska passivt mottagande av fysikgemenskapen, som var föga förtrogen med den matematiska formalismen för matriser och som avskräcktes av teorins extrema abstrakthet. Endast ett fåtal forskare uppmärksammade Heisenbergs artikel. Niels Bohr till exempel lovordade den omedelbart och konstaterade att ”en ny era av ömsesidig stimulans av mekanik och matematik har börjat”. Den första rigorösa formuleringen av matrismekaniken gavs av Born och Pascual Jordan i deras gemensamma artikel ”On Quantum Mechanics”, som färdigställdes i september 1925. De fick fram det grundläggande permutationsförhållandet (kvantvillkoret) för koordinat- och rörelsematriserna. Heisenberg engagerade sig snart i denna forskning, som kulminerade i det berömda ”arbetet med tre personer” (Drei-Männer Arbeit), som slutfördes i november 1925. Den presenterade en allmän metod för att lösa problem inom ramen för matrismekaniken, särskilt när det gäller system med ett godtyckligt antal frihetsgrader, införande av kanoniska transformationer, grundläggande kvantmekanisk teori om störningar, lösning av problemet med kvantisering av vinkelmoment, diskussion av urvalsregler och ett antal andra frågor.
Ytterligare modifieringar av matrismekaniken skedde längs två huvudlinjer: generaliseringen av matriser i form av operatörer, som genomfördes av Born och Norbert Wiener, och representationen av teorin i algebraisk form (inom Hamilton-formalismen), som utvecklades av Paul Dirac. Den senare påminde många år senare om hur stimulerande matrismekanikens framväxt hade varit för den fortsatta utvecklingen av atomfysiken:
Jag har den mest övertygande anledningen att beundra Werner Heisenberg. Vi studerade samtidigt, var nästan lika gamla och arbetade med samma problem. Heisenberg lyckades där jag hade misslyckats. Vid det laget hade en enorm mängd spektroskopiskt material samlats och Heisenberg hade hittat rätt väg genom sin labyrint. Därmed inledde han den teoretiska fysikens guldålder, och snart kunde även en andraklassig student utföra förstklassiga arbeten.
Läs också: biografier – Mark Twain
Förhållandet mellan osäkerheterna
I början av 1926 började Erwin Schrödingers arbete om vågmekanik, som beskrev atomära processer i den vanliga formen av kontinuerliga differentialekvationer och som, vilket snart stod klart, var matematiskt identisk med matrisformalismen, att publiceras i tryck. Heisenberg var kritisk till den nya teorin och särskilt till dess ursprungliga tolkning som att det rörde sig om verkliga vågor med elektrisk laddning. Inte ens när Borns probabilistiska behandling av vågfunktionen kom fram löste man problemet med tolkningen av formalismen, dvs. att klargöra innebörden av de begrepp som används i formalismen. Behovet av en lösning på detta problem blev särskilt tydligt i september 1926, efter Schrödingers besök i Köpenhamn, där han i en lång diskussion med Bohr och Heisenberg försvarade bilden av kontinuiteten i atomfenomenen och kritiserade begreppet diskrethet och kvanthopp.
Utgångspunkten för Heisenbergs analys var insikten om behovet av att justera klassiska begrepp (som ”koordinat” och ”momentum”) så att de kunde användas inom mikrofysiken, på samma sätt som relativitetsteorin hade justerat begreppen rum och tid och därmed gett mening åt Lorentz transformation formalism. Han hittade en utväg genom att införa en gräns för användningen av klassiska begrepp, vilket uttrycktes matematiskt i form av osäkerhetsrelationen: ”Ju mer exakt positionen är definierad, desto mindre exakt är rörelsemängden känd, och vice versa”. Han demonstrerade sina slutsatser genom ett berömt mentalt experiment med ett gammastrålningsmikroskop. Heisenberg redogjorde för sina resultat i ett 14-sidigt brev till Pauli, som berömde dem. Bohr, som hade återvänt från en semester i Norge, var inte helt nöjd och kom med ett antal kommentarer, men Heisenberg vägrade att göra ändringar i sin text och nämnde Bohrs förslag i ett efterord. En artikel ”On the illustrative content of quantum-theoretic kinematics and mechanics” som beskriver osäkerhetsprincipen mottogs av redaktörerna för Zeitschrift für Physik den 23 mars 1927.
Osäkerhetsprincipen spelade inte bara en viktig roll för utvecklingen av tolkningen av kvantmekaniken, utan väckte också ett antal filosofiska problem. Bohr kopplade det till det mer allmänna begreppet additionalitet som han utvecklade samtidigt: han tolkade osäkerhetsförhållandena som ett matematiskt uttryck för den gräns inom vilken ömsesidigt uteslutande (kompletterande) begrepp är möjliga. Dessutom uppmärksammade fysiker och filosofer i Heisenbergs artikel begreppet mätning, liksom en ny, ovanlig förståelse av kausalitet som författaren föreslog: ”… i en stark formulering av kausalitetslagen: ”om man känner till nuet exakt kan man förutsäga framtiden”, är det premisserna som är felaktiga, inte slutsatsen. Vi kan i princip inte känna till det nuvarande i alla dess detaljer”. Senare, 1929, införde han termen ”vågpaketets kollaps” i kvantteorin, vilket blev ett av de grundläggande begreppen i den så kallade ”Köpenhamnstolkningen” av kvantmekaniken.
Läs också: biografier – Alexander Graham Bell
Tillämpningar av kvantmekaniken
Kvantmekanikens framväxt (först i form av matris och sedan i form av vågor), som omedelbart erkändes av forskarsamhället, stimulerade snabba framsteg i utvecklingen av kvantbegrepp och löste ett antal specifika problem. Heisenberg själv skrev i mars 1926 tillsammans med Jordan en artikel där han förklarade den anomala Zeeman-effekten med hjälp av Gaudsmits och Uhlenbecks hypoteser om elektronernas spinn. I sina senare arbeten, som redan var skrivna med Schrödingerformalismen, tog han hänsyn till flerpartikelsystem och visade hur viktig symmetri av tillstånd är för att förstå de spektrala egenskaperna hos helium (termerna para- och orthohelium), litiumjoner och tvåkrommolekyler, vilket ledde till slutsatsen att det finns två allotropa former av väte – ortho- och para-vätgas. Faktum är att Heisenberg oberoende av varandra kom fram till Fermi-Dirac-statistiken för system som uppfyller Pauliprincipen.
År 1928 grundade Heisenberg kvantteorin om ferromagnetism (Heisenbergmodellen), där han använde begreppet utbyteskrafter mellan elektroner för att förklara det så kallade ”molekylära fältet”, som introducerades av Pierre Weiss 1907. I det här fallet spelade den relativa riktningen av elektronspinns en nyckelroll, vilket bestämde symmetrin i den rumsliga delen av vågfunktionen och därmed påverkade den rumsliga fördelningen av elektroner och den elektrostatiska interaktionen mellan dem. Under andra hälften av 1940-talet gjorde Heisenberg ett misslyckat försök att konstruera en teori om supraledning som endast tog hänsyn till den elektrostatiska interaktionen mellan elektroner.
Läs också: biografier – James Clerk Maxwell
Kvantelektrodynamik
Sedan slutet av 1927 har Heisenbergs huvudproblem varit att konstruera en kvantelektrodynamik som inte bara tar hänsyn till förekomsten av ett kvantifierat elektromagnetiskt fält utan också till dess interaktion med relativistiska laddade partiklar. Dirac-ekvationen för den relativistiska elektronen, som kom i början av 1928, visade å ena sidan på rätt väg, men gav å andra sidan upphov till ett antal problem, som till synes var olösliga – problemet med elektronens egen energi, som hänger samman med att det finns ett oändligt stort tillägg till partikelmassan, och problemet med tillstånd med negativ energi. Heisenbergs forskning tillsammans med Pauli hamnade i en återvändsgränd, och han övergav den tillfälligt och började arbeta med teorin om ferromagnetism. Först i början av 1929 lyckades de gå vidare med att konstruera en allmän relativistisk teori, som beskrevs i en artikel som färdigställdes i mars samma år. Det föreslagna systemet baserades på ett kvantifieringsförfarande för den klassiska fältteorin som innehåller en relativistiskt invariant lagrangian. Forskarna tillämpade denna formalism på ett system med ett elektromagnetiskt fält och materievågor som interagerar med varandra. I nästa artikel, som publicerades 1930, förenklade de teorin avsevärt genom att använda symmetriöverväganden från kommunikation med den berömda matematikern Hermann Weil. Först och främst gällde detta överväganden om mätarvarians, vilket gjorde det möjligt att göra sig av med vissa konstgjorda konstruktioner i den ursprungliga formuleringen.
Även om Heisenbergs och Paulis försök att konstruera en kvantelektrodynamik innebar en avsevärd utvidgning av atomteorin till att omfatta ett antal kända resultat, visade det sig vara omöjligt att eliminera de avvikelser som är förknippade med punktelektronens oändliga egenenergi. Alla senare försök att lösa detta problem, inklusive så radikala försök som rymdkvantisering (gittermodellen), misslyckades. Lösningen hittades mycket senare inom ramen för renormaliseringsteorin.
Sedan 1932 ägnade Heisenberg stor uppmärksamhet åt fenomenet med kosmisk strålning, som enligt honom gav möjlighet till en seriös verifiering av teoretiska begrepp. Det var i den kosmiska strålningen som Carl Anderson upptäckte positronen som Dirac tidigare hade förutsett (Diracs ”hål”). 1934 utvecklade Heisenberg hålteorin genom att inkludera positroner i kvantelektrodynamikens formalism. Samtidigt postulerade han, liksom Dirac, att det fanns ett vakuumpolarisationsfenomen och 1936 beräknade han tillsammans med Hans Euler kvantkorrigeringar av Maxwells ekvationer som var förknippade med denna effekt (den så kallade Heisenberg-Euler-lagrangianen).
Läs också: biografier – Jackson Pollock
Kärnfysik
År 1932, strax efter att James Chadwick upptäckt neutronen, föreslog Heisenberg idén om en proton-neutronstruktur i atomkärnan (något tidigare hade den föreslagits oberoende av Dmitri Ivanenko) och i tre artiklar försökte han konstruera en kvantmekanisk teori om en sådan kärna. Även om denna hypotes löste många svårigheter med den tidigare modellen (proton-elektron) förblev ursprunget till de elektroner som avges vid betasönderfall, vissa egenskaper hos kärnpartiklarnas statistik och karaktären hos krafterna mellan nukleoner oklara. Heisenberg försökte klargöra dessa frågor genom att anta att det finns utbytesinteraktioner mellan protoner och neutroner i kärnan, som liknar krafter mellan protoner och väteatomer som bildar vätemolekyljonen. Denna växelverkan ska ske via elektroner som utbyts mellan neutron och proton, men dessa kärnelektroner har fått ”fel” egenskaper (de ska vara spinnlösa, dvs. bosoner). Växelverkan mellan neutroner beskrevs på samma sätt som växelverkan mellan två neutrala atomer i en vätemolekyl. Här uttryckte forskaren för första gången tanken på isotopisk invarians som hänger samman med laddningsutbyte mellan nukleoner och kärnkrafternas laddningsoberoende. Ytterligare förbättringar av denna modell gjordes av Ettore Majorana, som upptäckte kärnkrafternas mättnadseffekt.
Efter att teorin om betasönderfall, som utvecklades av Enrico Fermi 1934, började Heisenberg utvidga den och föreslog att kärnkrafterna inte uppstår genom utbyte av elektroner, utan genom elektron-neutrinopar (denna idé utvecklades oberoende av Ivanenko, Igor Tamm och Arnold Nordsik). Storleken på detta samspel var dock mycket mindre än vad experimentet visade. Denna modell (med vissa tillägg) förblev dock dominerande tills Hideki Yukawas teori kom fram, som postulerade förekomsten av tyngre partiklar som möjliggör samverkan mellan neutroner och protoner i atomkärnan. År 1938 utvecklade Heisenberg och Euler metoder för att analysera absorptionsdata från kosmisk strålning och kunde för första gången uppskatta livslängden för en partikel (”mesotron”, eller meson, som den senare kallades) som tillhör den hårda komponenten av strålningen och som först förknippades med den hypotetiska Yukawa-partikeln. Under följande år analyserade Heisenberg begränsningarna i befintliga kvantteorier om elementarpartiklars växelverkan som bygger på störningsteori, och diskuterade möjligheten att gå bortom dessa teorier till det höga energiområde som kan uppnås i kosmisk strålning. På detta område är det möjligt att multipla partiklar föds i kosmisk strålning, vilket han tog hänsyn till inom ramen för teorin om vektormesoner.
Läs också: civilisationer – Edoperioden
Kvantfältsteori
I en serie av tre artiklar som skrevs mellan september 1942 och maj 1944 föreslog Heisenberg ett radikalt sätt att bli av med divergensen i kvantfältteorin. Idén om en fundamental längd (rymdkvantum) fick honom att överge beskrivningen med en kontinuerlig Schrödingerekvation. Han återvände till begreppet observabler, vars inbördes relationer måste utgöra grunden för en framtida teori. För sambanden mellan dessa storheter, till vilka han otvetydigt hänvisade energier för stationära tillstånd och vågfunktionens asymptotiska beteende i spridnings-, absorptions- och emissionsprocesser, införde han (oberoende av John Wheeler som gjorde det 1937) begreppet S-matris (spridningsmatris), det vill säga den operatör som omvandlar en infallande vågfunktion till en spridd vågfunktion. Enligt Heisenbergs idé skulle S-matrisen ersätta Hamiltonianen i den framtida teorin. Trots svårigheterna med att utbyta vetenskaplig information under krigsförhållanden togs teorin om spridningsmatriserna snart upp av ett antal forskare (Ernst Stückelberg i Genève, Hendrik Kramers i Leiden, Christian Møller i Köpenhamn, Pauli i Princeton), som började utveckla formalismen ytterligare och klargöra dess fysikaliska aspekter. Med tiden blev det dock klart att denna teori i sin rena form inte kan bli ett alternativ till den vanliga kvantfältsteorin, utan kan vara ett av de användbara matematiska verktygen inom den. Den används särskilt (i modifierad form) i Feynmanformalismen för kvantelektrodynamik. Begreppet S-matris, kompletterat med ett antal villkor, har fått en central plats i formuleringen av den så kallade axiomatiska kvantfältsteorin och senare i utvecklingen av strängteorin.
Under efterkrigstiden, med ett ökande antal nyupptäckta elementarpartiklar, uppstod problemet att beskriva dem med så få fält och interaktioner som möjligt, i det enklaste fallet – ett enda fält (då kan man tala om en ”enhetlig fältteori”). Sedan omkring 1950 har problemet med att hitta den rätta ekvationen för att beskriva ett enskilt fält stått i centrum för Heisenbergs vetenskapliga arbete. Hans tillvägagångssätt byggde på en icke-linjär generalisering av Dirac-ekvationen och på förekomsten av en grundläggande längd (i storleksordningen av den klassiska elektronradien) som begränsar tillämpligheten av den vanliga kvantmekaniken. I allmänhet accepterades denna inriktning, som omedelbart ställdes inför enorma matematiska problem och behovet av att ta hänsyn till en stor mängd experimentella data, skeptiskt av forskarsamhället och utvecklades nästan uteslutande i Heisenbergs grupp. Även om man inte lyckades och utvecklingen av kvantteorin huvudsakligen fortsatte längs andra vägar, har vissa idéer och metoder i den tyske vetenskapsmannens verk spelat en roll i denna vidareutveckling. Särskilt idén om att representera neutrinon som en guldstenspartikel, som uppstår som ett resultat av spontan symmetribrytning, påverkade utvecklingen av supersymmetrikonceptet.
Läs också: strider – Francisco Vázquez de Coronado
Hydrodynamik
Heisenberg började ta itu med de grundläggande problemen inom strömningsdynamik i början av 1920-talet, och i sin första artikel försökte han, efter Theodore von Karman, bestämma parametrarna för den virvelstjärt som uppstår bakom en rörlig platta. I sin doktorsavhandling undersökte han stabiliteten hos laminärt flöde och turbulensens karaktär med hjälp av ett exempel på vätskeflöde mellan två planparallella plattor. Han kunde visa att laminärt flöde, som är stabilt vid låga Reynoldsnummer (under ett kritiskt värde), först blir instabilt, men att stabiliteten ökar vid mycket höga värden (endast långvågiga störningar är instabila). Heisenberg återvände till problemet med turbulens 1945 när han var internerad i England. Han utvecklade ett tillvägagångssätt som byggde på statistisk mekanik, vilket var mycket likt de idéer som utvecklats av Geoffrey Taylor, Andrei Kolmogorov och andra forskare. Han kunde särskilt visa hur energi utbyts mellan virvlar av olika storlek.
Läs också: historia-sv – Wall Street-kraschen
Förhållandet till den nazistiska regimen
Strax efter att Hitler kom till makten i januari 1933 inleddes en grov politisk invasion av det etablerade universitetslivet i syfte att ”rensa” vetenskapen och utbildningen från judar och andra oönskade element. Heisenberg, liksom många av sina kolleger, chockades av den nya regimens rena antiintellektualism, som oundvikligen skulle försvaga den tyska vetenskapen. Till en början var han dock fortfarande benägen att betona de positiva aspekterna av de förändringar som ägde rum i landet. Den nazistiska retoriken om tysk renässans och tysk kultur verkar ha lockat honom på grund av dess närhet till de romantiska ideal som ungdomsrörelsen efter första världskriget förespråkade. Dessutom, som David Cassidy, vetenskapsmannens biograf, påpekar, var den passivitet med vilken Heisenberg och hans kollegor uppfattade förändringarna troligen relaterad till traditionen att betrakta vetenskapen som en institution utanför politiken.
Heisenbergs, Max Plancks och Max von Laues försök att ändra politiken gentemot judiska vetenskapsmän, eller åtminstone mildra dess effekter genom personliga kontakter och framställningar via officiella byråkratiska kanaler, misslyckades. Sedan hösten 1933 fick ”icke-arier”, kvinnor och personer med vänstervridna övertygelser inte längre undervisa. 1938 måste blivande föreläsare bevisa sin politiska lämplighet. I denna situation försökte Heisenberg och hans kolleger, som ansåg att det var viktigt att bevara den tyska fysiken, att ersätta de lediga tjänsterna med tyska eller till och med utländska forskare, vilket mottogs negativt av forskarsamhället och inte heller nådde sitt mål. En sista utväg var att avgå i protest, men Planck avrådde Heisenberg genom att påpeka vikten av fysikens överlevnad trots den katastrof som väntade Tyskland i framtiden.
Önskan att behålla sin opolitiska hållning hindrade inte bara Heisenberg och andra vetenskapsmän från att göra motstånd mot den växande antisemitismen i universitetskretsar, utan utsatte dem snart själva för allvarliga angrepp från ”ariska fysiker”. År 1935 intensifierades attackerna mot den ”judiska fysiken”, som omfattade relativitetsteorin och kvantmekaniken. Dessa aktioner, som stöddes av den officiella pressen, leddes av aktiva anhängare av nazistregimen, Nobelpristagarna Johannes Stark och Philipp Lenard. Arnold Sommerfelds avgång, som valt sin berömda elev till efterträdare som professor vid universitetet i München, ledde till attacker mot Heisenberg, som Stark i december 1935 kallade ”Geist von Einsteins Geist” (tyska: Geist von Einsteins Geist). Forskaren publicerade ett svar i den nazistiska partitidningen Völkischer Beobachter där han krävde att man skulle ägna mer uppmärksamhet åt grundläggande fysikaliska teorier. Våren 1936 lyckades Heisenberg, tillsammans med Hans Geiger och Max Wien, samla in 75 professorers underskrifter på en petition till stöd för detta krav. Dessa motåtgärder tycktes få det kejserliga undervisningsministeriet att ställa sig på forskarnas sida, men den 15 juli 1937 förändrades situationen igen. Samma dag publicerade den officiella SS-tidningen Das Schwarze Korps en stor artikel av Stark med titeln ”Vita judar inom vetenskapen” (”Weisse Juden” in der Wissenschaft) där han förkunnade behovet av att eliminera den ”judiska andan” från den tyska fysiken. Heisenberg hotades personligen med att skickas till ett koncentrationsläger och kallades ”fysikens Osiecki”. Trots ett antal inbjudningar från utlandet var Heisenberg inte villig att lämna landet och beslöt att förhandla med regeringen. David Cassidy gav följande bild av detta svåra val
Om regimen hade återupprättat hans överordnade ställning skulle han ha accepterat de kompromisser som krävdes, och han skulle dessutom ha övertygat sig själv om att det nya rättfärdigandet var rättvist: med den personliga uppoffringen för att behålla sin ställning skyddade han i själva verket den korrekta tyska fysiken från att förvrängas av nationalsocialismen.
Heisenberg följde den väg han valt och skrev två officiella brev – till riksundervisningsministeriet och till SS Reichsführer Heinrich Himmler – där han krävde ett officiellt svar på Starks och hans anhängares handlingar. I breven uppgav han att om attackerna officiellt godkändes av myndigheterna skulle han avgå från sin post, men att han annars behövde statligt skydd. Tack vare att forskarens mor var bekant med Himmlers mor nådde brevet fram till sin destination. Det tog dock nästan ett år, under vilket Heisenberg förhördes av Gestapo, avlyssnades i hemmet och spionerades på sina handlingar, innan han fick ett positivt svar från en högt uppsatt tjänsteman i riket. Trots detta gavs professorstjänsten i München till en annan, mer partitrogen kandidat.
Läs också: biografier – Sigmund Freud
Uranprojektet inleds. Resa till Köpenhamn
Den kompromiss som nåddes mellan Heisenberg och den nazistiska ledningen beskrevs av Cassidy bildligt talat som en faustisk uppgörelse. Å ena sidan innebar framgången mot de ”ariska fysikerna” och den offentliga rehabiliteringen av forskaren att hans (och hans kollegers) betydelse för att upprätthålla en hög nivå på fysikutbildning och forskning i landet erkändes. Den andra sidan av denna kompromiss var att tyska forskare (inklusive Heisenberg) var villiga att samarbeta med myndigheterna och delta i Tredje rikets militära utveckling. Det sistnämnda var särskilt viktigt när andra världskriget bröt ut, inte bara för armén utan även för forskarna själva, eftersom samarbete med militären var ett pålitligt skydd mot värnplikt till fronten. Det fanns en annan sida av Heisenbergs samtycke till att arbeta för den nazistiska regeringen, som Mott och Peierls uttrycker på följande sätt:
…Det är rimligt att anta att han ville att Tyskland skulle vinna kriget. Han accepterade inte många aspekter av den nazistiska regimen, men han var patriot. Att önska att hans land skulle besegras skulle ha inneburit mycket mer upproriska åsikter än de han hade.
Redan i september 1939 stödde arméledningen inrättandet av den så kallade ”Uranklubben” (Uranverein) för att närmare undersöka möjligheterna att använda kärnklyvning av uran, som upptäcktes av Otto Hahn och Fritz Strassmann i slutet av 1938. Heisenberg var en av dem som bjöds in till en av de första diskussionerna om problemet den 26 september 1939, där projektets huvuddrag och möjligheten till militära tillämpningar av kärnenergi beskrevs. Forskaren skulle teoretiskt undersöka hur ”uranmaskinen”, som kärnreaktorn då kallades, fungerar. I december 1939 lade han fram sin första hemliga rapport med en teoretisk analys av möjligheten att generera energi genom kärnklyvning. I den rapporten föreslogs kol och tungt vatten som moderatorer, men från och med sommaren 1940 beslutades att det senare skulle användas som ett mer ekonomiskt och prisvärt alternativ (det hade redan producerats i det ockuperade Norge).
Efter att ha rehabiliterats av nazistledningen fick Heisenberg tillåtelse att föreläsa inte bara i Tyskland utan även i andra europeiska länder (inklusive de ockuperade). Ur partibyråkraternas synvinkel skulle han förkroppsliga den tyska vetenskapens välstånd. Mark Walker, en välkänd expert på den tyska vetenskapens historia under denna period, har skrivit om ämnet:
Det är uppenbart att Heisenberg arbetade för nazisternas propaganda omedvetet, eller kanske till och med omedvetet. Det är dock lika uppenbart att de berörda nationalsocialistiska tjänstemännen använde honom i propagandasyfte, att hans verksamhet var effektiv i detta avseende och att hans utländska kolleger hade anledning att tro att han främjade nazismen… Sådana utländska föreläsningsresor förgiftade kanske mer än något annat hans relationer med många utländska kolleger och tidigare vänner utanför Tyskland.
Det kanske mest kända exemplet på en sådan resa var ett möte med Niels Bohr i Köpenhamn i september 1941. Detaljerna i samtalet mellan de två forskarna är inte kända och tolkningarna varierar kraftigt. Enligt Heisenberg själv ville han veta vad hans lärare tyckte om den moraliska aspekten av skapandet av nya vapen, men eftersom han inte kunde tala öppet missförstod Bohr honom. Dansken gav en helt annan tolkning av mötet. Han fick intrycket att tyskarna arbetade intensivt med uranfrågan och Heisenberg ville ta reda på vad han visste om den. Bohr trodde dessutom att hans gäst hade föreslagit att han skulle samarbeta med nazisterna. Den danska vetenskapsmannens åsikter återspeglades i ett utkast till brev som först offentliggjordes 2002 och som diskuterades flitigt i pressen.
1998 hade pjäsen Copenhagen av den engelske dramatikern Michael Frayn premiär i London och fokuserade på en episod i Bohrs och Heisenbergs förhållande som inte helt klarlagts. Framgången i Storbritannien och sedan på Broadway stimulerade en debatt bland fysiker och vetenskapshistoriker om den tyska vetenskapsmannens roll i skapandet av ”bomben för Hitler” och innehållet i samtalet med Bohr. Det har föreslagits att Heisenberg genom Bohr ville meddela de allierade fysikerna att de inte skulle fortsätta med kärnvapen eller fokusera på en fredlig reaktor, vilket tyska forskare gjorde. Enligt Walker berättade Heisenberg tre saker i samtalet: ”1) tyskarna arbetar med atombomben, 2) han själv är ambivalent när det gäller detta arbete, 3) Bohr bör samarbeta med det tyska vetenskapliga institutet och med ockupationsmyndigheterna. Det är därför inte förvånande att dansken, som flyttade till England och sedan till USA hösten 1943, stödde den tidiga utvecklingen av en atombomb i dessa länder.
Läs också: biografier – Humajun
Försök att bygga en reaktor
Trots bristen på uran och tungt vatten hade olika forskargrupper i Tyskland i början av 1942 lyckats genomföra laboratorieexperiment med uppmuntrande resultat när det gällde att bygga en ”uranmaskin”. I Leipzig lyckades Robert Döpel i synnerhet åstadkomma en positiv ökning av antalet neutroner i den sfäriska geometri som Heisenberg föreslagit för uranlagren. Sammanlagt 70-100 forskare i Tyskland arbetade med uranproblemet i olika grupper som förenades av en gemensam ledning. Av stor betydelse för projektets öde var en konferens som anordnades av det militära vetenskapliga rådet i februari 1942 (en av föreläsarna var Heisenberg). Även om man vid detta möte erkände kärnenergins militära potential, men med tanke på den rådande ekonomiska och militära situationen i Tyskland beslutade man att det inte skulle gå att använda den inom en rimlig tid (ungefär ett år) och att detta nya vapen därför inte skulle kunna påverka kriget. Kärnforskningen ansågs dock vara viktig för framtiden (både militärt och fredligt) och man beslutade att fortsätta att finansiera den, men det övergripande ledarskapet överfördes från militären till Imperial Research Council. Detta beslut bekräftades i juni 1942 vid ett möte mellan forskare och rustningsminister Albert Speer, och huvudmålet var att bygga en kärnreaktor. Som Walker påpekar visade sig beslutet att inte ta arbetet till industriell nivå vara avgörande för hela det tyska uranprojektets öde:
Även om amerikansk och tysk forskning fram till dess hade löpt parallellt, låg amerikanerna snart före tyskarna… Om man jämför det arbete som utförts sedan vintern 1941
För att kunna organisera arbetet med ”uranmaskinen” återlämnades det fysikaliska institutet i Berlin i juli 1942 till Kaiser Wilhelm-sällskapet och Heisenberg utnämndes till chef för institutet (han utnämndes också till professor vid Berlins universitet). Eftersom Peter Debye, som inte hade återvänt från USA, fortfarande var institutets formella chef, var titeln på Heisenbergs tjänst ”direktör vid institutet”. Trots bristen på material genomfördes under de följande åren i Berlin flera experiment i syfte att uppnå en självunderhållande kedjereaktion i kärnpannor av olika geometri. Detta mål uppnåddes nästan i februari 1945, det sista experimentet, som redan var under evakuering, i ett rum som huggits ut i en klippa i byn Heigerloh (själva institutet ligger i närheten, i Hehingen). Det var här som vetenskapsmännen och anläggningen togs till fånga av det hemliga Alsos-uppdraget i april 1945.
Strax innan de amerikanska trupperna anlände cyklade Heisenberg till den bayerska byn Urfeld, där hans familj bodde och där han snart hittades av de allierade. I juli 1945 var han en av tio stora tyska vetenskapsmän som deltog i nazisternas kärnkraftsprojekt och som internerades på Farm Hall nära Cambridge. Fysikerna hölls under ständig övervakning i sex månader och deras samtal spelades in med dolda mikrofoner. Inspelningarna avklassificerades av den brittiska regeringen i februari 1992 och är ett värdefullt dokument om det tyska kärnkraftsprojektets historia.
Läs också: historia-sv – Ediktet i Nantes
Diskussioner efter kriget
Strax efter världskrigets slut inleddes en hetsig debatt om orsakerna till att tyska fysiker misslyckades med att bygga atombomben. I november 1946 publicerade Die Naturwissenschaften en artikel av Heisenberg om det nazistiska kärnkraftsprojektet. Mark Walker lyfte fram flera karakteristiska felaktigheter i den tyska vetenskapsmannens beskrivning av händelserna: Att man tonar ner den roll som spelades av fysiker som var nära knutna till militära kretsar och som inte gjorde någon hemlighet av detta (betoning av ett experimentellt fel som ledde till att man valde tungt vatten (i stället för grafit) som moderator, även om detta val i första hand berodde på ekonomiska överväganden); att forskarnas möte med minister Speer tillskrivs den avgörande roll som spelades när det gällde att inse att det var omöjligt att bygga kärnvapen innan kriget var slut, även om detta hade erkänts ännu tidigare av arméledningen som hade beslutat att inte industrialisera forskningen och att inte slösa värdefulla resurser på den. I samma artikel som Heisenberg för första gången uppträdde en antydan om att de tyska fysikerna (åtminstone de kring Heisenberg) kontrollerade arbetets gång och av moraliska skäl försökte styra det bort från utvecklingen av kärnvapen. Men som Walker påpekar,
För det första kontrollerade Heisenberg och hans följe inte bara inte den tyska ansträngningen att behärska kärnenergin, utan de kunde inte ha gjort det om de ens hade försökt, och för det andra behövde Heisenberg och andra forskare som arbetade med kärnkraftsproblemet, tack vare armémyndigheternas beslut 1942 och den allmänna krigssituationen, aldrig möta det svåra moraliska dilemma som uppstår vid tanken på att tillverka kärnvapen åt nazisterna. Varför skulle de ta risken att försöka ändra forskningens inriktning om de var säkra på att de inte kunde påverka krigets utgång?
Den andra sidan av debatten representerades av Sam Goudsmit, som i slutet av kriget hade varit vetenskaplig ledare för Alsos-uppdraget (tidigare hade han och Heisenberg varit ganska nära vänner). I en känslomässig dispyt som varade i flera år hävdade Goudsmit att hindret för framgång i Tyskland var vetenskapens brister i ett totalitärt samhälle, men i själva verket anklagade han de tyska vetenskapsmännen för inkompetens och menade att de inte fullt ut förstod bombens fysik. Heisenberg motsatte sig starkt det senare påståendet. Enligt Walker ”störde skadan på hans rykte som fysiker honom förmodligen mer än kritiken för att han tjänade nazisterna.
Heisenbergs tes om ”moraliskt motstånd” vidareutvecklades av Robert Jung i hans bästsäljare ”Brighter than a Thousand Suns”, där han redan hävdade att tyska forskare medvetet saboterade utvecklingen av nya vapen. Senare återgavs denna version även i en bok av Thomas Powers. Å andra sidan tog general Leslie Groves, chef för Manhattanprojektet, upp Goudsmits idé om fysikernas inkompetens, som framkom under nazisterna, och senare uttrycktes den av Paul Lawrence Rose i hans bok. Enligt Walker, som ansåg att huvudorsaken till misslyckandet var de ekonomiska svårigheterna under krigsåren, var de båda motsatta teserna långt ifrån historiskt korrekta och återspeglade tidens behov: Heisenbergs tes syftade till att återupprätta den tyska vetenskapens rättigheter och rehabilitera vetenskapsmän som samarbetat med nazisterna, medan Goudsmits uttalande syftade till att rättfärdiga rädslan för nazisternas kärnvapen och de allierades ansträngningar att bygga dem. Mott och Pyerls delade också i praktiken uppfattningen att de tekniska svårigheterna var avgörande och att det var omöjligt för Tyskland att göra en så stor insats under de rådande omständigheterna.
Båda de motsatta åsikterna (sabotage och inkompetens) bekräftas inte helt och hållet av de inspelningar av de tyska fysikernas samtal som gjordes under deras internering på Farm Hall. Dessutom var det i Farm Hall som de för första gången konfronterades med frågan om orsakerna till misslyckandet, eftersom de fram till Hiroshimabombningen var övertygade om att de låg långt före amerikanerna och britterna när det gällde kärnkraftsutveckling. Under denna diskussion föreslog Karl von Weizsäcker för första gången tanken att de inte byggde bomben för att ”de inte ville”. Som historikern Horst Kant påpekar är detta logiskt eftersom Heisenberg och Weizsäcker, till skillnad från Manhattanprojektet, inte ägnade all sin tid åt kärnkraftsutveckling. Heisenberg utvecklade aktivt teorin om S-matrisen under 1942-1944 och kände kanske inget särskilt intresse för en rent militär forskning. Hans Bethe, som var chef för den teoretiska avdelningen vid Los Alamos Laboratory under kriget, drog också slutsatsen av Farm Hall-filmerna att Heisenberg inte arbetade med atombomben. Debatten fortsätter än i dag och är långt ifrån över, men Cassidy anser att det är säkert att betrakta Heisenberg som
…inte som en hjälte eller en grym skurk, utan som en djupt begåvad och välutbildad man som tyvärr fann sig hjälplös i sin tids fruktansvärda omständigheter som han, liksom de flesta människor, var helt oförberedd på.
Under hela sitt liv ägnade Heisenberg särskild uppmärksamhet åt vetenskapens filosofiska grunder, som han ägnade flera av sina publikationer och tal åt. I slutet av 1950-talet publicerade han Physics and Philosophy, en text till Gifford Lectures vid University of St Andrews, och tio år senare publicerade han sin självbiografiska Part and the Whole, som Carl von Weizsäcker kallade vår tids enda platonska dialog. Heisenberg fick bekanta sig med Platons filosofi som elev vid det klassiska gymnasiet i München, där han fick en högkvalitativ humanistisk utbildning. Dessutom påverkades han i hög grad av sin far, som var en viktig filosofisk vetenskapsman. Heisenberg var under hela sitt liv intresserad av Platon och andra antika filosofer och ansåg till och med att ”man kan knappast göra framsteg inom den moderna atomfysiken utan att känna till den grekiska filosofin”. I utvecklingen av den teoretiska fysiken under andra hälften av 1900-talet såg han en återgång (på en annan nivå) till några av Platons atomistiska idéer:
Om vi vill jämföra resultaten av modern partikelfysik med idéer från någon av de gamla filosoferna, verkar Platons filosofi vara den lämpligaste: partiklar i modern fysik är representanter för symmetrigrupper, och i detta avseende liknar de symmetriska figurer i Platons filosofi.
Det var de symmetrier som bestämmer elementarpartiklarnas egenskaper – inte partiklarna själva – som Heisenberg betraktade som något primärt, och ett av kriterierna för sanningen hos en teori som söker dessa symmetrier och de tillhörande bevarandelagarna såg han i dess skönhet och logiska konsistens. Inflytandet från Platons filosofi kan också ses i hans tidigare arbete om kvantmekanik. En annan inspirationskälla för tänkaren Heisenberg var Immanuel Kants arbete, särskilt hans begrepp om a priori kunskap och hans analys av experimentellt tänkande, vilket återspeglas i tolkningen av kvantteorin. Kants inflytande kan ses både i Heisenbergs ändring av kausalitetens betydelse och i hans uppfattning om de fysikaliska storheternas observerbarhet, vilket ledde till att osäkerhetsprincipen fastställdes och att mätproblemet inom mikrofysiken formulerades. Heisenbergs tidiga arbete med kvantmekaniken påverkades indirekt av Ernst Machs positivistiska idéer (genom Einsteins skrifter).
Förutom Einstein påverkades Heisenberg djupt av sin vänskap och sitt samarbete med Niels Bohr, som ägnade särskild uppmärksamhet åt tolkningen av teorin och klargjorde innebörden av de begrepp som användes i den. Heisenberg, som Wolfgang Pauli till en början kallade en ren formalist, tog snart till sig Bohrs ideologi och bidrog i sitt berömda arbete om osäkerhetsförhållandena på ett betydande sätt till att omdefiniera de klassiska begreppen i mikrokosmos. Senare var han inte bara en av de viktigaste aktörerna i den slutliga utformningen av den så kallade Köpenhamnstolkningen av kvantmekaniken, utan han vände sig också upprepade gånger till historisk och konceptuell analys av den moderna fysiken. Filosofen Anatolij Akhutin identifierade idén om gränsen i vid bemärkelse (begreppet om ett organiserande centrum kring vilket en enhetlig bild av världen och vetenskapen byggs upp; problemet att gå bortom befintlig kunskap och konstruera en ny bild av verkligheten (”steg bortom horisonten”) som ett viktigt motiv i Heisenbergs resonemang.
Läs också: historia-sv – Gestapo
Några artiklar om rysk översättning
Källor
