Werner Heisenberg
gigatos | 14 ledna, 2022
Souhrn
Werner Carl Heisenberg (5. prosince 1901, Würzburg – 1. února 1976, Mnichov) byl německý teoretický fyzik, jeden ze zakladatelů kvantové mechaniky, nositel Nobelovy ceny za fyziku (1932) a člen několika akademií a vědeckých společností.
Heisenberg je autorem řady zásadních výsledků kvantové teorie: položil základy maticové mechaniky, formuloval relaci neurčitosti, aplikoval formalismus kvantové mechaniky na problémy feromagnetismu, anomálního Zeemanova jevu a další. Později se aktivně podílel na vývoji kvantové elektrodynamiky (Heisenbergova – Pauliho teorie) a kvantové teorie pole (teorie S-matic), v posledních desetiletích svého života se pokoušel o vytvoření jednotné teorie pole. Heisenberg je autorem jedné z prvních kvantově mechanických teorií jaderných sil, za druhé světové války byl vedoucím teoretikem německého jaderného projektu. Zabýval se také fyzikou kosmického záření, teorií turbulence a filozofickými problémy přírodních věd. Heisenberg hrál významnou roli v organizaci vědeckého výzkumu v poválečném Německu.
Přečtěte si také, zivotopisy – Arshile Gorky
Dospívání (1901-1920)
Werner Heisenberg se narodil ve Würzburgu Augustu Heisenbergovi, profesoru středověké a novověké řecké filologie, a Annie Weckleinové, dceři ředitele Maximiliánova gymnázia v Mnichově. Byl druhým dítětem v rodině, jeho starší bratr Erwin (1900-1965) se později stal chemikem. V roce 1910 se rodina přestěhovala do Mnichova, kde Werner navštěvoval školu a vynikal v matematice, fyzice a gymnáziu. Jeho studium bylo přerušeno na jaře 1918, kdy byl spolu s dalšími šestnáctiletými mladíky poslán na pomocné práce na statek. V té době se začal vážně zajímat o filozofii a četl Platóna a Kanta. Po skončení první světové války se země i město nacházely v nejisté situaci, moc se střídala z jedné politické skupiny na druhou. Na jaře 1919 Heisenberg krátce působil jako kostelník a pomáhal vojákům nové bavorské vlády, kteří vstoupili do města. Tehdy se zapojil do mládežnického hnutí, jehož část se silně stavěla proti statu quo, starým tradicím a předsudkům. Zde je vzpomínka samotného Heisenberga na jedno z těchto setkání mladých lidí:
Zaznělo mnoho projevů, jejichž patos by nám dnes připadal cizí. Co je důležitější, zda osud našeho národa, nebo osud lidstva; zda obětavá smrt padlých nemá při porážce smysl; zda mají mladí lidé právo utvářet si svůj život podle vlastních představ o hodnotách; co je důležitější, zda věrnost sobě samým, nebo starým formám, které po staletí uspořádávaly život lidí – o tom všem se vášnivě diskutovalo a diskutovalo. Váhala jsem ve všech otázkách, abych se těchto debat zúčastnila, ale poslouchala jsem je znovu a znovu…
Jeho hlavním zájmem však v té době nebyla politika, filozofie ani hudba (Heisenberg byl nadaný klavírista a podle vzpomínek Felixe Blocha dokázal hrát na nástroj celé hodiny), ale spíše matematika a fyzika. Studoval je většinou samostatně a jeho znalosti, které dalece přesahovaly školní učivo, se projevily zejména při závěrečných zkouškách na gymnáziu. Během dlouhé nemoci si přečetl knihu Hermanna Weilla „Prostor, čas a hmota“, byl ohromen silou matematických metod a jejich aplikací a rozhodl se studovat matematiku na Mnichovské univerzitě, kam se zapsal v létě 1920. Profesor matematiky Ferdinand von Lindemann však odmítl, aby se nováček stal členem jeho semináře, a na radu svého otce se Heisenberg obrátil na známého teoretického fyzika Arnolda Sommerfelda. Okamžitě souhlasil s přijetím Wernera do své skupiny, kde již pracoval mladý Wolfgang Pauli, který se brzy stal Heisenbergovým blízkým přítelem.
Přečtěte si také, zivotopisy – Marsden Hartley
Mnichov – Göttingen – Kodaň (1920-1927)
Pod Sommerfeldovým vedením začal Heisenberg pracovat v duchu tzv. „staré kvantové teorie“. Sommerfeld strávil zimu 1922-1923 na Wisconsinské univerzitě (USA) a doporučil svému žákovi, aby pracoval v Göttingenu u Maxe Borna. Tak začala plodná spolupráce obou vědců. Je třeba poznamenat, že Heisenberg navštívil Göttingen již v červnu 1922 během takzvaného „Bohrova festivalu“, série přednášek Nielse Bohra o nové atomové fyzice. Mladý fyzik se se slavným Dánem dokonce seznámil a povídal si s ním při jedné z jeho procházek. Jak Heisenberg později sám vzpomínal, tento rozhovor měl velký vliv na formování jeho názorů a přístupu k vědeckým problémům. Roli různých vlivů ve svém životě definoval takto: „Optimismu jsem se naučil od Sommerfelda, matematice od Göttingena a fyzice od Bohra.
Heisenberg se vrátil do Mnichova na letní semestr roku 1923. V té době už měl připravenou disertační práci, ve které se zabýval některými základními problémy hydrodynamiky. Téma navrhl Sommerfeld, který se domníval, že klasičtější téma by obhajobu zjednodušilo. K získání titulu PhD. však bylo kromě diplomové práce nutné složit ústní zkoušku ze tří předmětů. Obzvláště obtížná byla zkouška v experimentální fyzice, které Heisenberg nevěnoval příliš pozornosti. Nakonec nedokázal odpovědět na žádnou z otázek profesora Wilhelma Wiena (o rozlišení Fabryho-Perotova interferometru, mikroskopu, dalekohledu a principu olověné baterie), ale díky Sommerfeldově přímluvě přesto dostal nejnižší známku, která stačila k udělení titulu.
Na podzim 1923 se Heisenberg vrátil do Göttingenu za Bornem, který mu zajistil další místo asistenta. Born popsal svého nového zaměstnance takto:
Vypadal jako prostý venkovský chlapec s krátkými světlými vlasy, jasnýma živýma očima a okouzlujícím výrazem. Své asistentské povinnosti vykonával vážněji než Pauli a byl mi velkým pomocníkem. Jeho nepochopitelná rychlost a bystrost mu vždy umožňovaly zvládnout obrovské množství práce bez větší námahy.
V Göttingenu mladý vědec pokračoval v práci na teorii Zeemanova jevu a dalších kvantových problémech a v následujícím roce se habilitoval a získal oficiální oprávnění přednášet. Na podzim roku 1924 přijel Heisenberg poprvé do Kodaně, kde pracoval pod vedením Nielse Bohra. Začal také úzce spolupracovat s Hendrikem Kramersem a napsal společný článek o kvantové teorii disperze.
Na jaře 1925 se Heisenberg vrátil do Göttingenu a během několika následujících měsíců dosáhl rozhodujícího pokroku při konstrukci první logicky ucelené kvantové teorie, maticové mechaniky. Následně byl formalismus teorie zdokonalen s pomocí Borna a Pascuala Jordana. Další formulaci teorie, vlnovou mechaniku, podal Erwin Schrödinger a podnítil jak četné konkrétní aplikace, tak hluboké propracování fyzikálních základů teorie. Jedním z výsledků této činnosti byl Heisenbergův princip neurčitosti, formulovaný počátkem roku 1927.
V květnu 1926 se Heisenberg přestěhoval do Dánska a nastoupil jako docent na Kodaňské univerzitě a asistent Nielse Bohra.
Přečtěte si také, zivotopisy – Henrietta Anna Stuartovna
Z Lipska do Berlína (1927-1945)
Uznání Heisenbergových vědeckých zásluh vyústilo v pozvání na profesuru v Lipsku a Curychu. Vědec si vybral Lipsko, kde byl Peter Debye ředitelem univerzitního fyzikálního ústavu, a v říjnu 1927 nastoupil na místo profesora teoretické fyziky. Jeho dalšími kolegy byli Gregor Wentzel a Friedrich Hund, jeho prvním asistentem byl Guido Beck. Heisenberg plnil na katedře řadu povinností, přednášel teoretickou fyziku a organizoval týdenní seminář o atomové teorii, který provázely nejen intenzivní diskuse o vědeckých problémech, ale také přátelské čajové dýchánky a někdy plynule přecházel v soutěž ve stolním tenise (mladý profesor hrál velmi dobře a s chutí). Jak však upozorňují životopisci Neville Mott a Rudolf Peierls, Heisenbergova raná sláva měla jen malý vliv na jeho osobní vlastnosti:
Nikdo by ho neodsuzoval, kdyby se začal brát vážně a stal se trochu nafoukaným poté, co učinil přinejmenším dva zásadní kroky, které změnily tvář fyziky, a poté, co se v tak mladém věku stal profesorem, díky čemuž se i mnozí starší a méně významní lidé cítili důležití, ale on zůstal takový, jaký byl – neformální a veselý ve svém jednání, téměř chlapecký a se skromností hraničící se stydlivostí.
V Lipsku se objevili první Heisenbergovi žáci a brzy zde vznikla významná vědecká škola. V různých obdobích byli členy teoretické skupiny Felix Bloch, Hugo Fano, Erich Hückel, Robert Mulliken, Rudolf Peierls, Georg Placzek, John Slater a 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 Hermannová, Hermann Arthur Jahn, Fritz Sauter, Ivan Supek, Harald Wergeland, Giancarlo Wieck, William Vermillion Houston a mnoho dalších. Ačkoli profesor obvykle nezabíhal do matematických detailů práce svých studentů, často pomáhal objasnit fyzikální podstatu studovaného problému. Felix Bloch, Heisenbergův první žák (a pozdější laureát Nobelovy ceny), popsal pedagogické a vědecké kvality svého učitele takto
Kdybych měl vybrat jedinou jeho skvělou učitelskou vlastnost, byl by to jeho mimořádně pozitivní přístup ke všem pokrokům a jeho povzbuzování v tomto ohledu. …Jedním z Heisenbergových nejpozoruhodnějších rysů byla téměř nezaměnitelná intuice, s níž přistupoval k fyzikálnímu problému, a fenomenální způsob, jakým řešení jako by padala z nebe.
V roce 1933 byla Heisenbergovi udělena Nobelova cena za fyziku za předchozí rok se slovy „za vytvoření kvantové mechaniky, jejíž aplikace vedla mimo jiné k objevu alotropických forem vodíku“. Navzdory své radosti vyjádřil vědec zmatek nad tím, že jeho kolegové Paul Dirac a Erwin Schrödinger obdrželi stejné ocenění (za rok 1933) za dva, zatímco Max Born byl Nobelovým výborem zcela ignorován. V lednu 1937 se seznámil s mladou ženou Elisabeth Schumacherovou (1914-1998), dcerou berlínského profesora ekonomie, a v dubnu se s ní oženil. V následujícím roce se jim narodila dvojčata Wolfgang a Anna-Maria. Měli celkem sedm dětí, z nichž některé se také zajímaly o vědu: Martin Heisenberg se stal genetikem, Jochen Heisenberg fyzikem a Anna-Marie a Verena fyziology.
V té době se politická situace v Německu radikálně změnila: k moci se dostal Hitler. Heisenberg, který se rozhodl zůstat v zemi, byl brzy napaden odpůrci takzvané „židovské fyziky“, která zahrnovala kvantovou mechaniku a teorii relativity. Přesto ve 30. a na počátku 40. let 20. století vědec plodně pracoval na problémech teorie atomového jádra, fyziky kosmického záření a kvantové teorie pole. Od roku 1939 se podílel na německém jaderném projektu jako jeden z jeho vedoucích pracovníků a v roce 1942 byl jmenován profesorem fyziky na Berlínské univerzitě a vedoucím Fyzikálního ústavu Společnosti císaře Viléma.
Přečtěte si také, dejiny – Japonská okupace Koreje
Poválečné období (1946-1976)
Během operace Epsilon bylo spojeneckými silami zadrženo deset německých vědců (včetně Heisenberga), kteří v nacistickém Německu pracovali na jaderných zbraních. Vědci byli zajati mezi 1. květnem a 30. červnem 1945 a převezeni do Farm Hall, odposlouchávané budovy v Godmanchesteru nedaleko Cambridge v Anglii. Byli zde drženi od 3. července 1945 do 3. ledna 1946, aby zjistili, jak blízko jsou Němci k sestrojení atomové bomby.
Počátkem roku 1946 pozval plukovník B. K. Blount, člen vědeckého oddělení britské okupační vojenské vlády, Heisenberga a Otto Hahna do Göttingenu, kde měla začít obnova vědy ve zničeném Německu. Vědci věnovali velkou pozornost organizační práci, nejprve v rámci Rady pro vědu a poté Společnosti Maxe Plancka, která nahradila Společnost císaře Viléma. V roce 1949, po vzniku SRN, se Heisenberg stal prvním předsedou Německého výzkumného svazu, který měl podporovat vědeckou práci v zemi. Jako vedoucí Výboru pro atomovou fyziku byl jedním z iniciátorů prací na jaderných reaktorech v Německu. Heisenberg se zároveň postavil proti pořízení jaderných zbraní Adenauerovou vládou. V roce 1955 se aktivně podílel na vzniku takzvané Mainauské deklarace, kterou podepsalo šestnáct nositelů Nobelovy ceny, a o dva roky později Göttingenského manifestu osmnácti německých vědců. V roce 1958 podepsal výzvu iniciovanou Linusem Paulingem a adresovanou generálnímu tajemníkovi Organizace spojených národů, v níž žádal zákaz jaderných zkoušek. Vzdáleným výsledkem této činnosti bylo přistoupení SRN ke Smlouvě o nešíření jaderných zbraní.
Heisenberg aktivně podporoval založení CERN a účastnil se řady jeho výborů. Byl zejména prvním předsedou Výboru pro vědeckou politiku a podílel se na určování směru vývoje CERN. Ve stejné době byl Heisenberg ředitelem Fyzikálního ústavu Maxe Plancka, který se v roce 1958 přestěhoval z Göttingenu do Mnichova a byl přejmenován na Max-Planck-Institut für Physik. Tento vědec stál v čele této instituce až do svého odchodu do důchodu v roce 1970. Svého vlivu využil k založení nových ústavů v rámci Společnosti – Výzkumného centra v Karlsruhe (nyní součást Univerzity v Karlsruhe), Max-Planck-Institut für Plasmaphysik a Ústavu pro mimozemskou fyziku. V roce 1953 se stal prvním poválečným prezidentem Nadace Alexandra von Humboldta, jejímž cílem bylo podporovat zahraniční vědce, kteří chtěli pracovat v Německu. Heisenberg, který tuto funkci zastával po dvě desetiletí, zajistil nadaci autonomii a její strukturu bez byrokratických nedostatků vládních agentur.
Navzdory mnoha administrativním a společenským povinnostem pokračoval vědec ve své vědecké práci a v posledních letech se zaměřil na pokusy o vytvoření jednotné teorie pole. K jeho spolupracovníkům v göttingenské skupině patřili v různých obdobích Karl von Weizsäcker, Kazuhiko Nishijima, Harry Lehmann, Gerhart Lueders, Reinhard Oehme, Walter Thierring, Bruno Zumino, Hans-Peter Dürr a další. Po odchodu do důchodu se Heisenberg vyjadřoval především k obecným nebo filozofickým otázkám přírodních věd. V roce 1975 se jeho zdravotní stav začal zhoršovat a 1. února 1976 zemřel. Známý fyzik Eugene Wigner při této příležitosti napsal:
Neexistuje žádný žijící teoretický fyzik, který by naší vědě přispěl více než on. Zároveň se ke všem choval přátelsky, bez arogance a udržoval nás v příjemné společnosti.
Přečtěte si také, zivotopisy – Jasper Tudor
Stará kvantová teorie
Počátek dvacátých let 20. století byl v atomové fyzice obdobím takzvané „staré kvantové teorie“, která původně vycházela z myšlenek Nielse Bohra, rozpracovaných v práci Sommerfelda a dalších vědců. Jednou z hlavních metod pro získání nových výsledků byl Bohrův korespondenční princip. Přes řadu úspěchů se dosud nepodařilo uspokojivě vyřešit řadu otázek, jako je problém několika interagujících částic nebo problém prostorové kvantifikace. Kromě toho byla samotná teorie nekonzistentní: Newtonovy klasické zákony bylo možné aplikovat pouze na stacionární dráhy elektronu, zatímco přechod mezi nimi na tomto základě popsat nešlo.
Sommerfeld si byl všech těchto obtíží dobře vědom, a proto pověřil Heisenberga, aby na teorii pracoval. Jeho první článek, publikovaný počátkem roku 1922, se týkal fenomenologického modelu Zeemanova jevu. Tato práce, která navrhla odvážný model atomového rámce interagujícího s valenčními elektrony a zavedla polocelá kvantová čísla, z mladého vědce okamžitě učinila jednoho z lídrů teoretické spektroskopie. Následné práce se zabývaly šířkou a intenzitou spektrálních čar a jejich zeemanovských složek na základě principu korespondence. V pracích napsaných ve spolupráci s Maxem Bornem se zabýval obecnými problémy teorie víceelektronových atomů (v rámci klasické perturbační teorie), analyzoval teorii molekul a navrhl hierarchii vnitromolekulárních pohybů lišících se energií (molekulární rotace a vibrace, elektronické excitace), vyhodnotil hodnoty atomové polarizovatelnosti a dospěl k závěru, že je nutné zavést poloviční celá kvantová čísla. Další modifikace kvantových vztahů spočívající v přiřazení dvou polovičních celých hodnot kvantových čísel momentu hybnosti atomu vyplynula z úvahy o anomálním Zeemanově jevu (tato modifikace byla později vysvětlena přítomností elektronového spinu). Tato práce posloužila na Bornův návrh jako Habilitationsschrift, tj. základ pro habilitaci, kterou Heisenberg získal ve svých 22 letech na univerzitě v Göttingenu.
Společná práce s Hendrikem Kramersem, napsaná v Kodani, obsahovala formulaci teorie rozptylu, která zobecnila nedávné výsledky Borna a Kramerse. Výsledkem byly kvantově-teoretické analogie disperzních vzorců pro polarizovatelnost atomu v daném stacionárním stavu, které zohledňují možnost přechodů do vyšších a nižších stavů. Tato významná práce, publikovaná počátkem roku 1925, byla bezprostředním předchůdcem první formulace kvantové mechaniky.
Přečtěte si také, zivotopisy – Robert Frost
Vytvoření maticové mechaniky
Heisenberg nebyl spokojen se stavem teorie, který vyžadoval vyřešení každého konkrétního problému v rámci klasické fyziky a jeho následný překlad do kvantového jazyka pomocí principu korespondence. Takový přístup ne vždy přinesl výsledky a závisel do značné míry na intuici výzkumníka. Na jaře 1925 se Heisenberg rozhodl opustit starý popis a nahradit jej popisem pomocí tzv. pozorovatelných veličin. Tuto myšlenku ovlivnila práce Alberta Einsteina, který místo nepozorovatelného newtonovského absolutního času podal relativistickou definici času. (Nicméně již v dubnu 1926 Einstein v soukromém rozhovoru s Heisenbergem poznamenal, že je to teorie, která určuje, které veličiny jsou pozorovatelné a které ne.) Heisenberg odmítl klasické pojetí polohy a hybnosti elektronu v atomu a uvažoval o frekvenci a amplitudě oscilací, které lze určit z optického experimentu. Podařilo se mu reprezentovat tyto veličiny jako množiny komplexních čísel a uvést pravidlo jejich násobení, které se ukázalo jako nekomutativní, a poté aplikovat vyvinutou metodu na problém anharmonického oscilátoru. Pro konkrétní případ harmonického oscilátoru z toho přirozeně vyplývala existence tzv. „energie nulového bodu“. Princip korespondence tak byl zahrnut do samotných základů vytvořeného matematického schématu.
Heisenberg získal řešení v červnu 1925 na ostrově Helgoland, kde se zotavoval ze záchvatu senné rýmy. Po návratu do Göttingenu popsal své výsledky v článku „O kvantově-teoretické interpretaci kinematických a mechanických vztahů“ a poslal jej Wolfgangu Paulimu. Poté, co Heisenberg získal jeho souhlas, předal článek Bornovi k uveřejnění v časopise Zeitschrift für Physik, kde byl přijat 29. července 1925. Born si brzy uvědomil, že množiny čísel představující fyzikální veličiny nejsou nic jiného než matice a že Heisenbergovo pravidlo pro jejich násobení je pravidlo násobení matic.
Obecně se maticová mechanika dočkala spíše pasivního přijetí ze strany fyzikální komunity, která byla málo obeznámena s matematickým formalismem matic a kterou odrazovala extrémní abstraktnost teorie. Heisenbergovu článku věnovalo pozornost jen několik vědců. Například Niels Bohr ji okamžitě pochválil a prohlásil, že „začala nová éra vzájemné stimulace mechaniky a matematiky“. První rigorózní formulaci maticové mechaniky podali Born a Pascual Jordan ve svém společném článku „On Quantum Mechanics“, který dokončili v září 1925. Získali základní permutační vztah (kvantovou podmínku) pro matice souřadnic a hybnosti. Heisenberg se brzy zapojil do tohoto výzkumu, který vyvrcholil slavnou „prací tří“ (Drei-Männer Arbeit), dokončenou v listopadu 1925. Představil obecnou metodu řešení problémů v rámci maticové mechaniky, zejména uvažoval systémy s libovolným počtem stupňů volnosti, zavedl kanonické transformace, uvedl základy kvantově-mechanické teorie poruch, řešil problém kvantování úhlového momentu hybnosti, diskutoval pravidla výběru a řadu dalších otázek.
Další úpravy maticové mechaniky probíhaly ve dvou hlavních směrech: zobecnění matic ve formě operátorů, které provedli Born a Norbert Wiener, a zobrazení teorie v algebraické formě (v rámci hamiltonovského formalismu), které rozvinul Paul Dirac. Ten o mnoho let později vzpomínal, jak podnětný byl vznik maticové mechaniky pro další vývoj atomové fyziky:
Mám ten nejpádnější důvod být obdivovatelem Wernera Heisenberga. Studovali jsme ve stejnou dobu, byli jsme téměř stejně staří a pracovali jsme na stejném problému. Heisenberg uspěl tam, kde jsem já selhal. Do té doby se nashromáždilo obrovské množství spektroskopického materiálu a Heisenberg našel správnou cestu svým bludištěm. Tím zahájil zlatý věk teoretické fyziky a brzy byl i druhořadý student schopen odvádět prvotřídní práci.
Přečtěte si také, dejiny – Mezolit
Poměr nejistot
Počátkem roku 1926 se začala tisknout práce Erwina Schrödingera o vlnové mechanice, která popisovala atomové procesy v obvyklé formě spojitých diferenciálních rovnic a která, jak se brzy ukázalo, byla matematicky totožná s maticovým formalismem. Heisenberg byl k nové teorii kritický, zejména k její původní interpretaci, že se jedná o reálné vlny nesoucí elektrický náboj. A ani vznik Bornova pravděpodobnostního zpracování vlnové funkce nevyřešil problém interpretace formalismu, tj. objasnění významu pojmů v něm používaných. Potřeba řešení tohoto problému se ukázala zejména v září 1926 po Schrödingerově návštěvě Kodaně, kde v dlouhé diskusi s Bohrem a Heisenbergem obhajoval představu kontinuity atomových jevů a kritizoval koncepci diskrétnosti a kvantových skoků.
Výchozím bodem Heisenbergovy analýzy bylo uvědomění si potřeby upravit klasické pojmy (jako „souřadnice“ a „hybnost“) tak, aby je bylo možné použít v mikrofyzice, stejně jako teorie relativity upravila pojmy prostor a čas, čímž dala smysl formalismu Lorentzovy transformace. Našel východisko z této situace tím, že zavedl omezení pro používání klasických pojmů, matematicky vyjádřené v podobě relace neurčitosti: „čím přesněji je definována poloha, tím méně přesně je známa hybnost, a naopak“. Své závěry demonstroval slavným mentálním experimentem s gama mikroskopem. Heisenberg své výsledky popsal ve čtrnáctistránkovém dopise Paulimu, který je pochválil. Bohr, který se vrátil z dovolené v Norsku, nebyl zcela spokojen a vznesl řadu připomínek, ale Heisenberg odmítl provést změny ve svém textu a Bohrovy návrhy zmínil v postskriptu. Článek „On the illustrative content of quantum-theoretic kinematics and mechanics“, který podrobně popisuje princip neurčitosti, obdržela redakce časopisu Zeitschrift für Physik 23. března 1927.
Princip neurčitosti hrál důležitou roli nejen při vývoji interpretace kvantové mechaniky, ale také vyvolal řadu filozofických problémů. Bohr ji spojil s obecnějším pojmem adicionality, který rozvíjel ve stejné době: interpretoval vztahy neurčitosti jako matematické vyjádření hranice, do které jsou možné vzájemně se vylučující (dodatečné) pojmy. Heisenbergův článek navíc upozornil fyziky a filozofy na pojem měření a také na nové, neobvyklé chápání kauzality, které autor navrhl: „… v silné formulaci zákona kauzality: “známe-li přesně přítomnost, můžeme předvídat budoucnost“ je chybný předpoklad, nikoliv závěr. V zásadě nemůžeme znát současnost do všech podrobností.“ Později, v roce 1929, zavedl do kvantové teorie termín „kolaps vlnového balíčku“, který se stal jedním ze základních pojmů takzvané „kodaňské interpretace“ kvantové mechaniky.
Přečtěte si také, dejiny – Maurové
Aplikace kvantové mechaniky
Vznik kvantové mechaniky (nejprve v maticové a poté ve vlnové podobě), kterou vědecká komunita okamžitě uznala, podnítil rychlý pokrok ve vývoji kvantových koncepcí a vyřešil řadu specifických problémů. Sám Heisenberg v březnu 1926 dokončil společný článek s Jordanem, v němž vysvětlil anomální Zeemanův jev pomocí Gaudsmitovy a Uhlenbeckovy hypotézy o spinu elektronů. Ve svých pozdějších pracích, které již psal s využitím Schrödingerova formalismu, se zabýval vícečásticovými systémy a ukázal význam symetrie stavů pro pochopení spektrálních vlastností helia (pojmy para- a orthohelium), iontů lithia a dvouatomových molekul, což vedlo k závěru o existenci dvou alotropických forem vodíku – ortho- a para-vodíku. Ve skutečnosti Heisenberg nezávisle dospěl k Fermiho-Diracově statistice pro systémy splňující Pauliho princip.
V roce 1928 Heisenberg položil základy kvantové teorie feromagnetismu (Heisenbergův model), přičemž použil koncept výměnných sil mezi elektrony k vysvětlení tzv. „molekulárního pole“, které zavedl Pierre Weiss v roce 1907. V tomto případě hrál klíčovou roli relativní směr elektronových spinů, který určoval symetrii prostorové části vlnové funkce, a tím ovlivňoval prostorové rozložení elektronů a elektrostatickou interakci mezi nimi. Ve druhé polovině 40. let se Heisenberg neúspěšně pokusil vytvořit teorii supravodivosti, která by zohledňovala pouze elektrostatickou interakci mezi elektrony.
Přečtěte si také, zivotopisy – Karel III. Tlustý
Kvantová elektrodynamika
Od konce roku 1927 byla hlavním problémem, který Heisenberga zaměstnával, konstrukce kvantové elektrodynamiky, která by uvažovala nejen přítomnost kvantovaného elektromagnetického pole, ale také jeho interakci s relativistickými nabitými částicemi. Diracova rovnice pro relativistický elektron, která se objevila počátkem roku 1928, na jedné straně naznačila správnou cestu, na druhé straně však vyvolala řadu zdánlivě neřešitelných problémů – problém vlastní energie elektronu, spojený s výskytem nekonečně velkého přídavku k hmotnosti částice, a problém stavů se zápornou energií. Výzkum, který Heisenberg prováděl společně s Paulim, se dostal do slepé uličky, a tak jej dočasně opustil a věnoval se teorii feromagnetismu. Teprve na začátku roku 1929 se jim podařilo postoupit dále v konstrukci obecného schématu relativistické teorie, které bylo nastíněno v článku dokončeném v březnu téhož roku. Navrhované schéma bylo založeno na postupu kvantifikace klasické teorie pole obsahující relativisticky invariantní Lagrangean. Vědci tento formalismus aplikovali na systém zahrnující elektromagnetické pole a vlny hmoty, které na sebe vzájemně působí. V dalším článku, publikovaném v roce 1930, teorii výrazně zjednodušili a využili symetrické úvahy z komunikace se slavným matematikem Hermannem Weilem. Především šlo o úvahy o invarianci měřidla, které umožnily zbavit se některých umělých konstrukcí původní formulace.
Ačkoli Heisenbergův a Pauliho pokus o konstrukci kvantové elektrodynamiky významně rozšířil hranice atomové teorie a zahrnul řadu známých výsledků, ukázalo se, že není schopen odstranit divergence spojené s nekonečnou vlastní energií bodového elektronu. Všechny pozdější pokusy o řešení tohoto problému, včetně tak radikálních, jako je kvantifikace prostoru (mřížkový model), byly neúspěšné. Řešení bylo nalezeno mnohem později v rámci renormalizační teorie.
Od roku 1932 věnoval Heisenberg velkou pozornost fenoménu kosmického záření, který podle jeho názoru poskytoval příležitost k serióznímu ověření teoretických koncepcí. Právě v kosmickém záření Carl Anderson objevil pozitron, který předtím předpověděl Dirac (Diracova „díra“). V roce 1934 Heisenberg rozvinul teorii děr tím, že do formalismu kvantové elektrodynamiky zahrnul pozitrony. Zároveň stejně jako Dirac postuloval existenci jevu polarizace vakua a v roce 1936 spolu s Hansem Eulerem vypočítal kvantové korekce Maxwellových rovnic spojené s tímto jevem (tzv. Heisenbergův-Eulerův Lagrangean).
Přečtěte si také, dejiny – Války růží
Jaderná fyzika
V roce 1932, krátce po objevu neutronu Jamesem Chadwickem, přišel Heisenberg s myšlenkou proton-neutronové struktury atomového jádra (o něco dříve ji nezávisle navrhl Dmitrij Ivaněnko) a ve třech článcích se pokusil vytvořit kvantově-mechanickou teorii takového jádra. Přestože tato hypotéza vyřešila řadu obtíží předchozího (proton-elektronového) modelu, původ elektronů emitovaných při rozpadu beta, některé rysy statistiky jaderných částic a povaha sil mezi nukleony zůstaly nejasné. Heisenberg se pokusil tyto otázky objasnit tím, že předpokládal existenci výměnných interakcí mezi protony a neutrony v jádře, které jsou podobné silám mezi protonem a atomem vodíku tvořícím molekulární ion vodíku. Tato interakce by měla probíhat prostřednictvím elektronů vyměňovaných mezi neutronem a protonem, ale těmto jaderným elektronům měly být přisouzeny „nesprávné“ vlastnosti (zejména měly být bezspinové, tedy bosony). Interakce mezi neutrony byla popsána podobně jako interakce mezi dvěma neutrálními atomy v molekule vodíku. Vědec zde poprvé vyjádřil myšlenku izotopické invariance související s výměnou nábojů mezi nukleony a s nábojovou nezávislostí jaderných sil. Další vylepšení tohoto modelu provedl Ettore Majorana, který objevil saturační efekt jaderných sil.
Poté, co se v roce 1934 objevila teorie beta rozpadu, kterou vypracoval Enrico Fermi, se Heisenberg zapojil do jejího rozšiřování a navrhl, že jaderné síly nevznikají výměnou elektronů, ale párů elektron-neutrino (nezávisle na něm tuto myšlenku rozvíjeli Ivanenko, Igor Tamm a Arnold Nordsik). Velikost této interakce však byla mnohem menší, než ukázal experiment. Nicméně tento model (s některými doplňky) zůstal dominantní až do objevení teorie Hidekiho Yukawy, která postulovala existenci těžších částic umožňujících interakci neutronů a protonů v jádře. V roce 1938 Heisenberg a Euler vyvinuli metody analýzy absorpčních dat kosmického záření a byli schopni poprvé odhadnout dobu života částice („mezotronu“ nebo mezonu, jak byla později nazvána), která patří k tvrdé složce záření a která byla zpočátku spojována s hypotetickou částicí Yukawa. V následujícím roce Heisenberg analyzoval omezení stávajících kvantových teorií interakcí elementárních částic založených na teorii perturbací a diskutoval o možnosti překročení těchto teorií do oblasti vysokých energií dosažitelných v kosmickém záření. V tomto oboru je možný zrod vícenásobných částic v kosmickém záření, které uvažoval v rámci teorie vektorových mezonů.
Přečtěte si také, zivotopisy – Fra Angelico
Kvantová teorie pole
V sérii tří článků napsaných mezi zářím 1942 a květnem 1944 Heisenberg navrhl radikální způsob, jak se zbavit divergence v kvantové teorii pole. Myšlenka fundamentální délky (kvanta prostoru) ho přiměla opustit popis pomocí spojité Schrödingerovy rovnice. Vrátil se k pojmu pozorovatelných veličin, jejichž vztahy musí tvořit základ budoucí teorie. Pro vztahy mezi těmito veličinami, k nimž jednoznačně vztahoval energie stacionárních stavů a asymptotické chování vlnové funkce v procesech rozptylu, absorpce a emise, zavedl (nezávisle na Johnu Wheelerovi, který tak učinil v roce 1937) pojem S-matrice (matice rozptylu), tedy operátor transformující dopadající vlnovou funkci na rozptýlenou vlnovou funkci. Podle Heisenbergovy myšlenky měla S-matrice v budoucí teorii nahradit Hamiltonián. Navzdory obtížím při výměně vědeckých informací ve válečných podmínkách se teorie rozptylových matic brzy ujala řada vědců (Ernst Stückelberg v Ženevě, Hendrik Kramers v Leidenu, Christian Møller v Kodani, Pauli v Princetonu), kteří se pustili do dalšího rozvoje formalismu a objasnění jeho fyzikálních aspektů. Postupem času se však ukázalo, že tato teorie se ve své čisté podobě nemůže stát alternativou k běžné kvantové teorii pole, ale může být jedním z užitečných matematických nástrojů v jejím rámci. Zejména se používá (v modifikované podobě) ve Feynmanově formalismu kvantové elektrodynamiky. Koncept S-matrice, doplněný řadou podmínek, zaujal ústřední místo při formulaci tzv. axiomatické kvantové teorie pole a později při vývoji teorie strun.
V poválečném období, s rostoucím počtem nově objevených elementárních částic, vyvstal problém popsat je co nejmenším počtem polí a interakcí, v nejjednodušším případě jediným polem (pak můžeme mluvit o „jednotné teorii pole“). Přibližně od roku 1950 je problém nalezení správné rovnice pro popis jednoho pole jádrem Heisenbergovy vědecké práce. Jeho přístup byl založen na nelineárním zobecnění Diracovy rovnice a přítomnosti určité základní délky (řádově poloměru klasického elektronu), která omezuje použitelnost běžné kvantové mechaniky. Obecně byl tento směr, okamžitě konfrontovaný s obrovskými matematickými problémy a nutností pojmout obrovské množství experimentálních dat, vědeckou komunitou přijat skepticky a rozvíjen téměř výhradně v Heisenbergově skupině. Přestože úspěchu nebylo dosaženo a vývoj kvantové teorie se ubíral převážně jinými cestami, některé myšlenky a metody objevující se v pracích německého vědce sehrály v tomto dalším vývoji svou roli. Zejména myšlenka představit neutrino jako Goldstoneovu částici, která vzniká v důsledku spontánního narušení symetrie, ovlivnila vývoj koncepce supersymetrie.
Přečtěte si také, zivotopisy – Jana Greyová
Hydrodynamika
Heisenberg se začal zabývat základními problémy hydrodynamiky na počátku 20. let 20. století a ve své první práci se pokusil po vzoru Theodora von Karmana určit parametry vírového chvostu, který vzniká za pohybující se deskou. Ve své doktorské práci zkoumal stabilitu laminárního proudění a povahu turbulence na příkladu proudění tekutiny mezi dvěma rovinnými rovnoběžnými deskami. Podařilo se mu ukázat, že laminární proudění, stabilní při nízkých Reynoldsových číslech (pod kritickou hodnotou), se zpočátku stává nestabilním, ale při velmi vysokých hodnotách se jeho stabilita zvyšuje (nestabilní jsou pouze dlouhovlnné poruchy). Heisenberg se k problematice turbulence vrátil v roce 1945, kdy byl internován v Anglii. Vyvinul přístup založený na statistické mechanice, který se v mnohém shodoval s myšlenkami Geoffreyho Taylora, Andreje Kolmogorova a dalších vědců. Zejména se mu podařilo ukázat, jak dochází k výměně energie mezi víry různých velikostí.
Přečtěte si také, zivotopisy – Nikolaj Michajlovič Karamzin
Vztah k nacistickému režimu
Brzy po nástupu Hitlera k moci v lednu 1933 začala hrubá invaze politiky do zavedeného univerzitního života s cílem „očistit“ vědu a vzdělání od Židů a dalších nežádoucích elementů. Heisenberg byl stejně jako mnoho jeho kolegů šokován naprostým antiintelektualismem nového režimu, který musel oslabit německou vědu. Zpočátku se však stále přikláněl ke zdůrazňování pozitivních rysů změn, k nimž v zemi dochází. Nacistická rétorika německé renesance a německé kultury ho zřejmě přitahovala pro svou blízkost romantickým ideálům, které hlásalo hnutí mládeže po první světové válce. Jak navíc poznamenává vědcův životopisec David Cassidy, pasivita, s níž Heisenberg a jeho kolegové vnímali změny, pravděpodobně souvisela s tradicí vnímat vědu jako instituci mimo politiku.
Pokusy Heisenberga, Maxe Plancka a Maxe von Laueho změnit politiku vůči židovským vědcům nebo alespoň zmírnit její dopady prostřednictvím osobních kontaktů a petic oficiálními byrokratickými kanály byly neúspěšné. Od podzimu 1933 nesměli vyučovat „neárijci“, ženy a lidé s levicovým přesvědčením. Od roku 1938 museli budoucí lektoři prokázat svou politickou vhodnost. V této situaci se Heisenberg a jeho kolegové, kteří považovali zachování německé fyziky za prioritu, pokusili nahradit uvolněná místa německými nebo dokonce zahraničními vědci, což bylo vědeckou komunitou přijato negativně a také to nedosáhlo svého cíle. Poslední možností byla rezignace na protest, ale Planck Heisenberga odradil poukazem na důležitost přežití fyziky navzdory katastrofě, která Německo v budoucnu čekala.
Snaha zachovat si apolitický postoj nejenže Heisenbergovi a dalším vědcům bránila v odporu proti rostoucímu antisemitismu v univerzitních kruzích, ale brzy je samotné vystavila vážným útokům ze strany „árijských fyziků“. V roce 1935 zesílily útoky proti „židovské fyzice“, která zahrnovala teorii relativity a kvantovou mechaniku. Tyto akce, podporované oficiálním tiskem, řídili aktivní stoupenci nacistického režimu, nositelé Nobelovy ceny Johannes Stark a Philipp Lenard. Rezignace Arnolda Sommerfelda, který si vybral svého slavného žáka za svého nástupce na postu profesora na Mnichovské univerzitě, vyvolala útoky na Heisenberga, kterého Stark v prosinci 1935 označil za „Geist von Einsteins Geist“ (německy: Geist von Einsteins Geist). Vědec publikoval v nacistickém stranickém listu Völkischer Beobachter odpověď, v níž vyzval, aby se věnovala větší pozornost základním fyzikálním teoriím. Na jaře 1936 se Heisenbergovi spolu s Hansem Geigerem a Maxem Wienem podařilo shromáždit podpisy 75 profesorů pod petici na podporu této výzvy. Zdálo se, že tato protiopatření přiklonila císařské ministerstvo školství na stranu vědců, ale 15. července 1937 se situace opět změnila. Toho dne vyšel v oficiálních novinách SS Das Schwarze Korps velký Starkův článek s názvem „Bílí Židé ve vědě“ („Weisse Juden“ in der Wissenschaft), který hlásal potřebu odstranit „židovského ducha“ z německé fyziky. Heisenbergovi osobně hrozilo, že bude poslán do koncentračního tábora, a byl jmenován „Oseckým fyzikem“. I přes řadu pozvání ze zahraničí se Heisenbergovi v této době nechtělo opustit zemi a rozhodl se jednat s vládou. David Cassidy podal následující obraz této obtížné volby
Kdyby režim obnovil jeho nadřízené postavení, přijal by požadované kompromisy a navíc by se přesvědčil o spravedlnosti nového ospravedlnění: osobní obětí za setrvání ve své funkci v podstatě chránil správnou německou fyziku před deformací ze strany nacionálního socialismu.
Heisenberg v souladu se zvoleným postupem vypracoval dva oficiální dopisy – říšskému ministerstvu školství a říšskému vůdci SS Heinrichu Himmlerovi -, v nichž požadoval oficiální reakci na počínání Starka a jeho příznivců. V dopisech uvedl, že pokud budou útoky oficiálně schváleny úřady, odstoupí ze své funkce, pokud ne, bude požadovat vládní ochranu. Díky známosti vědcovy matky s Himmlerovou matkou se dopis dostal na místo určení. Trvalo však téměř rok, během něhož byl Heisenberg vyslýchán gestapem, byly odposlouchávány jeho domácí rozhovory a špehovány jeho činy, než obdržel kladnou odpověď od vysokého říšského úředníka. Přesto místo profesora v Mnichově získal jiný, straně loajálnější kandidát.
Přečtěte si také, zivotopisy – Giacomo Puccini
Zahájení uranového projektu. Výlet do Kodaně
Kompromis dosažený mezi Heisenbergem a nacistickým vedením popsal Cassidy obrazně jako faustovskou dohodu. Na jedné straně úspěch proti „árijským fyzikům“ a veřejná rehabilitace vědce znamenaly uznání jeho významu (a významu jeho kolegů) pro udržení vysoké úrovně fyzikálního vzdělávání a výzkumu v zemi. Druhou stranou tohoto kompromisu byla ochota německých vědců (včetně Heisenberga) spolupracovat s úřady a podílet se na vojenském vývoji Třetí říše. Její význam vzrostl zejména s vypuknutím druhé světové války, a to nejen pro armádu, ale i pro samotné vědce, neboť spolupráce s armádou sloužila jako spolehlivá ochrana před povoláním na frontu. Heisenbergův souhlas s prací pro nacistickou vládu měl i druhou stránku, kterou Mott a Peierls vyjádřili takto:
…Lze předpokládat, že chtěl, aby Německo válku vyhrálo. Nesouhlasil s mnoha aspekty nacistického režimu, ale byl vlastenec. Přání, aby jeho země byla poražena, by znamenalo mnohem vzpurnější názory, než jaké zastával.
Již v září 1939 podpořilo vedení armády vznik takzvaného „Uranového klubu“ (Uranverein), který měl hlouběji prozkoumat možnosti využití jaderného štěpení uranu, objeveného Otto Hahnem a Fritzem Strassmannem koncem roku 1938. Heisenberg byl jedním z těch, kteří byli pozváni na jedno z prvních jednání o tomto problému 26. září 1939, kde byly nastíněny obrysy projektu a možnosti vojenského využití jaderné energie. Vědec měl teoreticky prozkoumat fungování „uranového stroje“, jak se tehdy jadernému reaktoru říkalo. V prosinci 1939 předložil svou první tajnou zprávu s teoretickou analýzou možnosti výroby energie jaderným štěpením. V této zprávě byly jako moderátory navrženy uhlík a těžká voda, ale od léta 1940 bylo rozhodnuto použít druhou z nich jako ekonomičtější a dostupnější variantu (vyráběla se již v okupovaném Norsku).
Po rehabilitaci nacistickým vedením mohl Heisenberg přednášet nejen v Německu, ale i v dalších evropských zemích (včetně okupovaných). Z pohledu stranických byrokratů měl sloužit jako ztělesnění prosperity německé vědy. Mark Walker, uznávaný odborník na dějiny německé vědy v tomto období, napsal na toto téma:
Je jasné, že Heisenberg pracoval pro nacistickou propagandu nevědomky, možná dokonce nevědomky. Stejně tak je ale zřejmé, že ho příslušní nacionálněsocialističtí činitelé využívali k propagandistickým účelům, že jeho činnost byla v tomto ohledu účinná a že jeho zahraniční kolegové měli důvod se domnívat, že propaguje nacismus… Takové zahraniční přednáškové cesty možná více než cokoli jiného otrávily jeho vztahy s mnoha zahraničními kolegy a bývalými přáteli mimo Německo.
Asi nejznámějším příkladem takové cesty bylo setkání s Nielsem Bohrem v Kodani v září 1941. Podrobnosti rozhovoru mezi oběma vědci nejsou známy a interpretace se značně liší. Sám Heisenberg podle svých slov chtěl znát názor svého učitele na morální aspekt vytváření nových zbraní, ale protože nemohl mluvit otevřeně, Bohr ho nepochopil. Dán si schůzku vyložil zcela jinak. Získal dojem, že Němci intenzivně pracují na tématu uranu a Heisenberg chce zjistit, co o tom ví. Bohr se navíc domníval, že mu jeho host navrhl spolupráci s nacisty. Názory dánského vědce se odrazily v návrzích dopisů, které byly poprvé zveřejněny v roce 2002 a široce diskutovány v tisku.
V roce 1998 měla v Londýně premiéru hra anglického dramatika Michaela Frayna Kodaň, která se zaměřuje na ne zcela objasněnou epizodu ze vztahu mezi Bohrem a Heisenbergem. Jeho úspěch ve Velké Británii a poté na Broadwayi podnítil debatu mezi fyziky a historiky vědy o roli německého vědce při vytváření „bomby pro Hitlera“ a o obsahu rozhovoru s Bohrem. Předpokládá se, že Heisenberg chtěl prostřednictvím Bohra sdělit spojeneckým fyzikům, aby nepokračovali ve vývoji jaderných zbraní nebo se zaměřili na mírový reaktor, jak to udělali němečtí vědci. Podle Walkera Heisenberg v rozhovoru řekl „tři věci: 1) Němci pracují na atomové bombě; 2) on sám má k této práci ambivalentní postoj; 3) Bohr by měl spolupracovat s Německým vědeckým ústavem a s okupačními úřady.“. Není proto divu, že Dán, který se na podzim 1943 přestěhoval do Anglie a poté do USA, podporoval rychlý vývoj jaderné bomby v těchto zemích.
Přečtěte si také, bitvy – Bitva u Tours
Pokusy o stavbu reaktoru
Počátkem roku 1942 se i přes nedostatek uranu a těžké vody podařilo různým skupinám vědců v Německu provést laboratorní pokusy s povzbudivými výsledky, pokud jde o stavbu „uranového stroje“. Zejména Robertu Döpelovi se v Lipsku podařilo dosáhnout pozitivního nárůstu počtu neutronů v Heisenbergem navržené sférické geometrii uspořádání vrstev uranu. Na problému uranu pracovalo v Německu celkem 70-100 vědců v různých skupinách, které spojovalo společné vedení. Velký význam pro osud projektu měla konference pořádaná Vojenskou vědeckou radou v únoru 1942 (jedním z přednášejících byl Heisenberg). Na této schůzce byl sice uznán vojenský potenciál jaderné energie, ale vzhledem k současné hospodářské a vojenské situaci v Německu bylo rozhodnuto, že jejího využití v rozumné době (asi rok) nebude dosaženo, a proto by tato nová zbraň nebyla schopna ovlivnit válku. Jaderný výzkum byl nicméně považován za důležitý pro budoucnost (vojenskou i mírovou) a bylo rozhodnuto pokračovat v jeho financování, ale celkové vedení bylo převedeno z armády na Císařskou výzkumnou radu. Toto rozhodnutí bylo potvrzeno v červnu 1942 na schůzce vědců s ministrem zbrojení Albertem Speerem a hlavním cílem bylo postavit jaderný reaktor. Jak upozorňuje Walker, rozhodnutí nepřevést práce na průmyslovou úroveň se ukázalo jako klíčové pro osud celého německého uranového projektu:
Ačkoli do té doby probíhal americký a německý výzkum paralelně, Američané Němce brzy předběhli… Při porovnání prací prováděných od zimy 1941
V červenci 1942 byl Fyzikální ústav v Berlíně vrácen Společnosti císaře Viléma, aby mohl organizovat práci na „uranovém stroji“, a Heisenberg byl jmenován vedoucím ústavu (byl také jmenován profesorem na Berlínské univerzitě). Protože Peter Debye, který se nevrátil z USA, zůstal formálně ředitelem ústavu, Heisenbergova funkce se jmenovala „ředitel ústavu“. Navzdory nedostatku materiálu bylo v následujících letech v Berlíně provedeno několik experimentů s cílem získat samoudržující se řetězovou reakci v jaderných kotlích různých geometrií. Tohoto cíle bylo téměř dosaženo v únoru 1945, poslední pokus, který byl již v evakuaci, v místnosti vytesané ve skále u vesnice Heigerloch (samotný ústav se nachází nedaleko, v Hechingenu). Právě zde byli v dubnu 1945 zajati vědci a zařízení tajné mise Alsos.
Krátce před příchodem amerických vojsk odjel Heisenberg na kole do bavorské vesnice Urfeld, kde žila jeho rodina a kde ho brzy našli spojenci. V červenci 1945 byl jedním z deseti významných německých vědců zapojených do nacistického jaderného projektu, kteří byli internováni ve Farm Hall nedaleko Cambridge. Fyzikové byli po dobu šesti měsíců pod neustálým dohledem a jejich rozhovory byly nahrávány skrytými mikrofony. Nahrávky byly odtajněny britskou vládou v únoru 1992 a jsou cenným dokumentem o historii německého jaderného projektu.
Přečtěte si také, zivotopisy – Knut Veliký
Poválečné diskuse
Krátce po skončení světové války se rozhořela vášnivá debata o příčinách neúspěchu německých fyziků při výrobě atomové bomby. V listopadu 1946 vyšel v časopise Die Naturwissenschaften Heisenbergův článek o nacistickém jaderném projektu. Mark Walker upozornil na několik charakteristických nepřesností v německém vědeckém zpracování událostí: bagatelizování role fyziků, kteří byli úzce spojeni s vojenskými kruhy a nijak se tím netajili (důraz na experimentální chybu, která vedla k volbě těžké vody (namísto grafitu) jako moderátoru, ačkoli tato volba byla vedena především ekonomickými důvody; zastírání chápání německých vědců, pokud jde o úlohu jaderného reaktoru pro výrobu plutonia pro zbraně; přisuzuje setkání vědců s ministrem Speerem klíčovou roli při uvědomění si nemožnosti sestrojit jaderné zbraně před koncem války, ačkoli si to vedení armády uvědomovalo již dříve a rozhodlo se výzkum nekomercionalizovat a neplýtvat na něj cennými zdroji. Ve stejném článku se poprvé objevil náznak, že němečtí fyzikové (přinejmenším ti z Heisenbergova okolí) kontrolovali průběh prací a z morálních důvodů se je snažili odklonit od vývoje jaderných zbraní. Nicméně, jak poznamenává Walker,
Za prvé, Heisenberg a jeho okolí nejenže neovládli německé úsilí o zvládnutí jaderné energie, ale ani by to nedokázali, kdyby se o to pokusili, a za druhé, díky rozhodnutí armádních úřadů v roce 1942 a celkové válečné situaci Heisenberg a další vědci pracující na jaderném problému nikdy nečelili těžkému morálnímu dilematu, které vzniká při pomyšlení na výrobu jaderných zbraní pro nacisty. Proč by riskovali a snažili se změnit směr výzkumu, kdyby si byli jisti, že nemohou ovlivnit výsledek války?
Druhou stranu debaty zastupoval Sam Goudsmit, který na konci války působil jako vědecký ředitel mise Alsos (v dřívějších dobách byli s Heisenbergem poměrně blízcí přátelé). V emotivním sporu, který trval několik let, Goudsmit tvrdil, že překážkou úspěchu v Německu jsou nedostatky vědy v totalitní společnosti, ale ve skutečnosti obviňoval německé vědce z neschopnosti, protože se domníval, že plně nerozumějí fyzice bomby. Heisenberg se proti tomuto tvrzení důrazně ohradil. Podle Walkera mu „poškození jeho pověsti jako fyzika pravděpodobně vadilo více než kritika za službu nacistům.
Heisenbergovu tezi o „morálním odporu“ dále rozvinul Robert Jung ve svém bestselleru „Jasnější než tisíc sluncí“, kde skutečně tvrdil, že němečtí vědci vědomě sabotovali vývoj nových zbraní. Později se tato verze odrazila i v knize Thomase Powerse. Na druhou stranu Goudsmitovu myšlenku o neschopnosti fyziků, která se dostala do popředí za nacistů, převzal generál Leslie Groves, vedoucí projektu Manhattan, a později ji ve své knize vyjádřil Paul Lawrence Rose. Podle Walkera, který za hlavní příčinu neúspěchu považoval hospodářské potíže válečných let, měly obě protichůdné teze daleko k historické přesnosti a byly odrazem dobových potřeb: Heisenbergova teze měla obnovit práva německé vědy a rehabilitovat vědce, kteří spolupracovali s nacisty, zatímco Goudsmitovo prohlášení sloužilo k ospravedlnění strachu z nacistických jaderných zbraní a spojeneckých snah o jejich vytvoření. Mott a Pyerls se také fakticky shodli na tom, že rozhodující jsou technické potíže a že za daných okolností není možné, aby Německo vyvinulo tak velké úsilí.
Oba protichůdné názory (sabotáž a nekompetentnost) nejsou zcela potvrzeny nahrávkami rozhovorů německých fyziků pořízenými během jejich internace ve Farm Hall. Navíc právě ve Farm Hall byli poprvé konfrontováni s otázkou příčin neúspěchu, protože až do bombardování Hirošimy byli přesvědčeni, že jsou v jaderném vývoji daleko před Američany a Brity. V průběhu této diskuse Karl von Weizsäcker poprvé vyslovil myšlenku, že bombu nepostavili, protože „nechtěli. Jak upozorňuje historik Horst Kant, dává to smysl, protože Heisenberg a Weizsäcker na rozdíl od projektu Manhattan nevěnovali veškerý svůj čas vývoji jaderných zbraní. Zejména Heisenberg právě v letech 1942-1944 aktivně rozvíjel teorii S-matrice a možná právě necítil zvláštní zájem o čistě vojenský výzkum. Hans Bethe, který byl za války vedoucím teoretického oddělení v laboratoři v Los Alamos, také na základě filmů z Farm Hall usoudil, že Heisenberg na atomové bombě nepracoval. Debata pokračuje dodnes a zdaleka není u konce, ale Cassidy se domnívá, že je možné Heisenberga považovat za člověka.
…ne jako hrdinu nebo krutého padoucha, ale jako hluboce nadaného, vzdělaného člověka, který se bohužel ocitl bezmocný v hrozných okolnostech své doby, na něž byl stejně jako většina lidí zcela nepřipraven.
Po celý život věnoval Heisenberg zvláštní pozornost filozofickým základům vědy, kterým věnoval řadu svých publikací a projevů. Koncem padesátých let vydal knihu Physics and Philosophy (Fyzika a filosofie), text Giffordových přednášek na univerzitě v St Andrews, a o deset let později autobiografické dílo Part and the Whole (Část a celek), které Carl von Weizsäcker označil za jediný platónský dialog naší doby. S Platónovou filozofií se Heisenberg seznámil jako žák klasického gymnázia v Mnichově, kde získal kvalitní humanitní vzdělání. Kromě toho ho výrazně ovlivnil jeho otec, významný filozofický vědec. Heisenberg se po celý život zajímal o Platóna a další antické filozofy, a dokonce se domníval, že „v moderní atomové fyzice lze jen stěží pokročit, pokud neznáme řeckou filozofii. Ve vývoji teoretické fyziky v druhé polovině 20. století viděl návrat (na jiné úrovni) k některým Platónovým atomistickým myšlenkám:
Chceme-li porovnat výsledky moderní částicové fyziky s myšlenkami některého ze starých filozofů, jeví se Platónova filozofie jako nejvhodnější: částice moderní fyziky jsou představiteli symetrických skupin a v tomto ohledu se podobají symetrickým figurám Platónovy filozofie.
Právě symetrie určující vlastnosti elementárních částic – nikoli částice samotné – považoval Heisenberg za něco primárního a jedno z kritérií pravdivosti teorie hledající tyto symetrie a s nimi spojené zákony zachování spatřoval v její kráse a logické konzistenci. Vliv Platónovy filosofie je patrný i v jeho dřívějších pracích o kvantové mechanice. Dalším zdrojem inspirace pro myslitele Heisenberga bylo dílo Immanuela Kanta, zejména jeho pojetí apriorního poznání a jeho analýza experimentálního myšlení, která se promítla do výkladu kvantové teorie. Kantův vliv se projevil jak v Heisenbergově modifikaci významu kauzality, tak v jeho pojetí pozorovatelnosti fyzikálních veličin, které vedlo k zavedení principu neurčitosti a formulaci problému měření v mikrofyzice. Heisenbergova raná práce na kvantové mechanice byla nepřímo ovlivněna pozitivistickými myšlenkami Ernsta Macha (prostřednictvím Einsteinových spisů).
Kromě Einsteina Heisenberga zásadně ovlivnilo přátelství a spolupráce s Nielsem Bohrem, který věnoval zvláštní pozornost interpretaci teorie a objasnil význam pojmů v ní používaných. Heisenberg, kterého Wolfgang Pauli zpočátku označoval za čistého formalistu, si brzy osvojil Bohrovu ideologii a ve své slavné práci o vztazích neurčitosti významně přispěl k novému vymezení klasických pojmů v mikrosvětě. Později byl nejen jedním z hlavních aktérů konečného formování tzv. kodaňské interpretace kvantové mechaniky, ale také se opakovaně věnoval historické a koncepční analýze moderní fyziky. Filosof Anatolij Achutin označil za hlavní motiv Heisenbergova uvažování myšlenku hranice v širším slova smyslu (pojem organizačního centra, kolem něhož se vytváří jednotný obraz světa a vědy; problém překročení dosavadního poznání a vytvoření nového obrazu skutečnosti („kroky za horizont“).
Zdroje
