Werner Heisenberg

gigatos | mars 22, 2022

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Résumé

Werner Carl Heisenberg (5 décembre 1901, Würzburg – 1er février 1976, Munich) était un physicien théoricien allemand, l »un des fondateurs de la mécanique quantique, lauréat du prix Nobel de physique (1932) et membre de plusieurs académies et sociétés scientifiques.

Heisenberg est l »auteur d »un certain nombre de résultats fondamentaux de la théorie quantique : il a jeté les bases de la mécanique matricielle, formulé la relation d »incertitude, appliqué le formalisme de la mécanique quantique aux problèmes du ferromagnétisme, de l »effet Zeeman anormal et autres. Plus tard, il a participé activement au développement de l »électrodynamique quantique (théorie de Heisenberg – Pauli) et de la théorie quantique des champs (théorie de la matrice S). Dans les dernières décennies de sa vie, il a tenté de créer une théorie unifiée des champs. Heisenberg est à l »origine de l »une des premières théories de mécanique quantique des forces nucléaires. Pendant la Seconde Guerre mondiale, il était le principal théoricien du projet nucléaire allemand. Il a également travaillé sur la physique des rayons cosmiques, la théorie des turbulences et les problèmes philosophiques des sciences naturelles. Heisenberg a joué un rôle majeur dans l »organisation de la recherche scientifique dans l »Allemagne d »après-guerre.

L »adolescence (1901-1920)

Werner Heisenberg est né à Würzburg dans la famille d »August Heisenberg, professeur de philologie grecque médiévale et moderne, et d »Annie Wecklein, fille du directeur du Gymnase Maximilien de Munich. Il était le deuxième enfant de la famille, son frère aîné Erwin (1900-1965) est devenu plus tard chimiste. La famille s »est installée à Munich en 1910, où Werner a fréquenté l »école, excellant en mathématiques, en physique et en grammaire. Ses études sont interrompues au printemps 1918, lorsque lui et d »autres jeunes de 16 ans sont envoyés dans une ferme pour y effectuer des travaux auxiliaires. À cette époque, il s »intéresse sérieusement à la philosophie, lisant Platon et Kant. Après la fin de la Première Guerre mondiale, le pays et la ville se trouvent dans une situation incertaine, le pouvoir passe d »un groupe politique à un autre. Au printemps 1919, Heisenberg servit brièvement comme officier de la sacristie, aidant les troupes du nouveau gouvernement bavarois qui étaient entrées dans la ville. Il s »est alors engagé dans un mouvement de jeunesse, dont une partie était fortement opposée au statu quo, aux anciennes traditions et aux préjugés. Voici comment Heisenberg lui-même se souvient d »une de ces réunions de jeunes :

Il y a eu de nombreux discours dont le pathos nous semblerait étranger aujourd »hui. Qu »est-ce qui est le plus important, le destin de notre peuple ou le destin de l »humanité ; si la mort sacrificielle du tombé n »a pas de sens dans la défaite ; si les jeunes ont le droit de façonner leur propre vie selon leurs propres idées de valeurs ; qu »est-ce qui est le plus important, la loyauté envers soi-même ou les anciennes formes qui ont ordonné la vie des gens pendant des siècles – toutes ces choses ont été discutées et débattues avec passion. J »étais trop hésitant sur toutes les questions pour prendre part à ces débats, mais je les ai écoutés encore et encore…

Cependant, son principal intérêt à cette époque n »est pas la politique, la philosophie ou la musique (Heisenberg est un pianiste doué et, comme le rappelle Felix Bloch, il peut jouer de cet instrument pendant des heures) mais plutôt les mathématiques et la physique. Il les a étudiés le plus souvent de manière indépendante et ses connaissances, qui allaient bien au-delà du cours scolaire, ont été particulièrement remarquées lors de ses examens finaux au lycée. Au cours d »une longue maladie, il lit le livre « Space, Time and Matter » de Hermann Weill et est impressionné par la puissance des méthodes mathématiques et de leurs applications. Il décide alors d »étudier les mathématiques à l »université de Munich, où il s »inscrit à l »été 1920. Cependant, Ferdinand von Lindemann, un professeur de mathématiques, refuse de faire du nouveau venu un membre de son séminaire et, sur les conseils de son père, Heisenberg se rend chez le célèbre physicien théorique Arnold Sommerfeld. Il accepte immédiatement d »accueillir Werner dans son groupe, où travaille déjà le jeune Wolfgang Pauli, qui devient rapidement un ami proche d »Heisenberg.

Munich – Göttingen – Copenhague (1920-1927)

Sous la direction de Sommerfeld, Heisenberg commence à travailler dans la veine de la « vieille théorie quantique ». Sommerfeld passe l »hiver 1922-1923 à l »université du Wisconsin (États-Unis) et recommande à son élève de travailler à Göttingen auprès de Max Born. C »est ainsi qu »a débuté une collaboration fructueuse entre les deux scientifiques. Il faut noter qu »Heisenberg s »était déjà rendu à Göttingen en juin 1922 lors du « Festival Bohr », une série de conférences sur la nouvelle physique atomique données par Niels Bohr. Le jeune physicien a même appris à connaître le célèbre Danois et a discuté avec lui lors d »une de ses promenades. Comme Heisenberg lui-même l »a rappelé plus tard, cette conversation a eu une grande influence sur la formation de ses vues et de son approche des problèmes scientifiques. Il a défini le rôle des différentes influences dans sa vie comme suit : « J »ai appris l »optimisme avec Sommerfeld, les mathématiques avec Göttingen et la physique avec Bohr.

Heisenberg retourne à Munich pour le semestre d »été 1923. À cette époque, il avait préparé une thèse traitant de certains problèmes fondamentaux de l »hydrodynamique. Le sujet avait été suggéré par Sommerfeld, qui pensait qu »un sujet plus classique simplifierait la défense. Toutefois, en plus de la thèse, un examen oral dans trois matières était nécessaire pour obtenir un doctorat. Un test de physique expérimentale, auquel Heisenberg n »avait pas prêté beaucoup d »attention, était particulièrement difficile. Finalement, il ne peut répondre à aucune des questions du professeur Wilhelm Wien (sur la résolution de l »interféromètre Fabry-Perot, du microscope, du télescope et du principe de la batterie au plomb) mais, grâce à l »intercession de Sommerfeld, il obtient tout de même la note la plus basse, suffisante pour lui conférer le diplôme.

A l »automne 1923, Heisenberg retourne à Göttingen pour voir Born, qui lui obtient un poste d »assistant supplémentaire. Born a décrit son nouvel employé comme suit :

Il ressemblait à un simple paysan, avec des cheveux blonds et courts, des yeux clairs et vifs et une expression charmante. Il a rempli ses fonctions d »assistant plus sérieusement que Pauli et m »a beaucoup aidé. Sa rapidité incompréhensible et sa compréhension aiguë lui ont toujours permis de venir à bout d »une quantité colossale de travail sans grand effort.

À Göttingen, le jeune scientifique poursuit ses travaux sur la théorie de l »effet Zeeman et d »autres problèmes quantiques, et l »année suivante, il passe l »habilitation et est officiellement autorisé à donner des conférences. A l »automne 1924, Heisenberg se rend pour la première fois à Copenhague pour travailler avec Niels Bohr. Il a également commencé à travailler en étroite collaboration avec Hendrik Kramers, rédigeant un article commun sur la théorie de la dispersion quantique.

Au printemps 1925, Heisenberg retourne à Göttingen et, au cours des mois suivants, fait des progrès décisifs dans la construction de la première théorie quantique logiquement cohérente, la mécanique matricielle. Par la suite, le formalisme de la théorie a été perfectionné avec l »aide de Born et de Pascual Jordan. Une autre formulation de la théorie, la mécanique ondulatoire, a été donnée par Erwin Schrödinger et a stimulé à la fois de nombreuses applications concrètes et une élaboration approfondie des fondements physiques de la théorie. L »un des résultats de cette activité a été le principe d »incertitude d »Heisenberg, formulé au début de 1927.

En mai 1926, Heisenberg s »installe au Danemark et prend ses fonctions de professeur adjoint à l »Université de Copenhague et d »assistant de Niels Bohr.

De Leipzig à Berlin (1927-1945)

La reconnaissance des mérites scientifiques d »Heisenberg lui vaut d »être invité à devenir professeur à Leipzig et à Zurich. Le scientifique choisit Leipzig, où Peter Debye est directeur de l »Institut de physique de l »université, et en octobre 1927, il prend le poste de professeur de physique théorique. Ses autres collègues étaient Gregor Wentzel et Friedrich Hund, avec Guido Beck comme premier assistant. Heisenberg remplit un certain nombre de fonctions au sein du département, donne des cours de physique théorique et organise un séminaire hebdomadaire sur la théorie atomique, qui s »accompagne non seulement de discussions intensives sur des problèmes scientifiques, mais aussi de parties de thé amicales et de compétitions occasionnelles de ping-pong (le jeune professeur joue très bien et avec beaucoup d »enthousiasme). Cependant, comme le soulignent les biographes Neville Mott et Rudolf Peierls, la célébrité précoce d »Heisenberg n »a eu que peu d »impact sur ses qualités personnelles :

Personne ne l »aurait jugé s »il avait commencé à se prendre au sérieux et à devenir un peu pompeux après avoir franchi au moins deux étapes cruciales qui ont changé la face de la physique, et après être devenu professeur à un si jeune âge, ce qui a permis à de nombreuses personnes plus âgées et moins importantes de se sentir importantes elles aussi, mais il est resté tel qu »il était – informel et joyeux dans son traitement, presque enfantin et possédant une modestie qui frise la timidité.

Les premiers élèves d »Heisenberg apparaissent à Leipzig et une grande école scientifique s »y forme rapidement. Parmi les membres du groupe théorique figuraient à différentes époques Felix Bloch, Hugo Fano, Erich Hückel, Robert Mulliken, Rudolf Peierls, Georg Placzek, John Slater et 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 et bien d »autres. Si le professeur n »entrait généralement pas dans les détails mathématiques des travaux de ses étudiants, il aidait souvent à clarifier la nature physique du problème étudié. Felix Bloch, le premier élève d »Heisenberg (et plus tard lauréat du prix Nobel) a décrit comme suit les qualités pédagogiques et scientifiques de son mentor

Si je devais retenir une seule de ses grandes qualités en tant que professeur, ce serait son attitude extraordinairement positive face à tout progrès et ses encouragements à cet égard. …L »une des caractéristiques les plus frappantes d »Heisenberg était l »intuition presque indubitable dont il faisait preuve dans son approche d »un problème physique, et la manière phénoménale dont les solutions semblaient tomber du ciel.

En 1933, Heisenberg reçoit le prix Nobel de physique pour l »année précédente avec la mention « pour la création de la mécanique quantique, dont les applications ont permis, entre autres, la découverte des formes allotropiques de l »hydrogène ». Malgré sa joie, le scientifique s »est dit déconcerté par le fait que ses collègues Paul Dirac et Erwin Schrödinger ont reçu le même prix (pour 1933) pour deux, tandis que Max Born a été complètement ignoré par le comité Nobel. En janvier 1937, il rencontre une jeune femme, Elisabeth Schumacher (1914-1998), la fille d »un professeur d »économie berlinois, et l »épouse en avril. L »année suivante, ils ont eu des jumeaux, Wolfgang et Anna-Maria. Ils ont eu sept enfants en tout, dont certains ont également développé un intérêt pour la science : Martin Heisenberg est devenu généticien, Jochen Heisenberg physicien, et Anna-Marie et Verena physiologistes.

À cette époque, la situation politique en Allemagne avait radicalement changé : Hitler était arrivé au pouvoir. Heisenberg, qui décide de rester dans le pays, est rapidement attaqué par les adversaires de la « physique juive », qui comprend la mécanique quantique et la relativité. Néanmoins, tout au long des années 1930 et au début des années 1940, le scientifique a travaillé de manière prolifique sur des problèmes de théorie du noyau atomique, de physique des rayons cosmiques et de théorie des champs quantiques. À partir de 1939, il participe au projet nucléaire allemand en tant que l »un de ses dirigeants et, en 1942, il est nommé professeur de physique à l »université de Berlin et directeur de l »institut de physique de la société Kaiser Wilhelm.

Période d »après-guerre (1946-1976)

Pendant l »opération Epsilon, dix scientifiques allemands (dont Heisenberg) qui travaillaient sur des armes nucléaires dans l »Allemagne nazie ont été détenus par les forces alliées. Les scientifiques ont été capturés entre le 1er mai et le 30 juin 1945 et emmenés à Farm Hall, un bâtiment placé sous écoute à Godmanchester, près de Cambridge, en Angleterre. Ils y ont été détenus du 3 juillet 1945 au 3 janvier 1946 afin de déterminer dans quelle mesure les Allemands étaient proches de la fabrication d »une bombe atomique.

Au début de l »année 1946, le colonel B. K. Blount, membre du département scientifique du gouvernement militaire de la zone d »occupation britannique, invite Heisenberg et Otto Hahn à Göttingen, où doit commencer la renaissance de la science dans l »Allemagne dévastée. Les scientifiques ont consacré beaucoup d »attention au travail d »organisation, d »abord au sein du Conseil pour la science, puis de la Société Max Planck, qui a remplacé la Société Kaiser Wilhelm. En 1949, après la création de la RFA, Heisenberg devient le premier président de l »Association allemande de recherche, qui doit promouvoir les travaux scientifiques dans le pays. En tant que chef du Comité de la physique atomique, il est l »un des initiateurs des travaux sur les réacteurs nucléaires en Allemagne. Dans le même temps, Heisenberg s »oppose à l »acquisition d »armes nucléaires par le gouvernement Adenauer. En 1955, il a joué un rôle actif dans l »émergence de la déclaration dite de Mainau, signée par seize lauréats du prix Nobel, et deux ans plus tard – le manifeste de Göttingen de dix-huit scientifiques allemands. En 1958, il signe un appel initié par Linus Pauling et adressé au Secrétaire général des Nations unies pour demander l »interdiction des essais nucléaires. Un résultat lointain de cette activité a été l »adhésion de la RFA au Traité sur la non-prolifération des armes nucléaires.

Heisenberg a soutenu activement la création du CERN, en participant à plusieurs de ses comités. Il a notamment été le premier président du comité de politique scientifique et a participé à la détermination de l »orientation du développement du CERN. Parallèlement, Heisenberg est directeur de l »Institut Max Planck de physique, qui déménage de Göttingen à Munich en 1958 et est rebaptisé Max-Planck-Institut für Physik. Le scientifique est resté à la tête de cette institution jusqu »à sa retraite en 1970. Il a usé de son influence pour créer de nouveaux instituts au sein de la Société – le Centre de recherche de Karlsruhe (qui fait maintenant partie de l »université de Karlsruhe), le Max-Planck-Institut für Plasmaphysik et l »Institut de physique extraterrestre. En 1953, il devient le premier président d »après-guerre de la Fondation Alexander von Humboldt, qui vise à promouvoir les scientifiques étrangers désireux de travailler en Allemagne. En occupant ce poste pendant deux décennies, Heisenberg a veillé à l »autonomie de la Fondation et de sa structure, à l »abri des carences bureaucratiques des agences gouvernementales.

Malgré ses nombreuses responsabilités administratives et sociales, le scientifique a poursuivi ses travaux scientifiques, se concentrant ces dernières années sur les tentatives d »élaboration d »une théorie unifiée des champs. Parmi ses associés au sein du groupe de Göttingen figurent, à différentes époques, Karl von Weizsäcker, Kazuhiko Nishijima, Harry Lehmann, Gerhart Lueders, Reinhard Oehme, Walter Thierring, Bruno Zumino, Hans-Peter Dürr et d »autres. Après sa retraite, Heisenberg s »exprime principalement sur des questions générales ou philosophiques des sciences naturelles. En 1975, sa santé commence à se détériorer et il meurt le 1er février 1976. Le célèbre physicien Eugene Wigner a écrit à cette occasion :

Aucun physicien théorique vivant n »a apporté une plus grande contribution à notre science que lui. En même temps, il était amical avec tout le monde, dépourvu d »arrogance et nous tenait en agréable compagnie.

L »ancienne théorie quantique

Le début des années 1920 en physique atomique est l »époque de ce que l »on appelle « l »ancienne théorie quantique », qui était à l »origine basée sur les idées de Niels Bohr, développées dans les travaux de Sommerfeld et d »autres scientifiques. L »une des principales méthodes pour obtenir de nouveaux résultats était le principe de correspondance de Bohr. Malgré un certain nombre de succès, de nombreuses questions n »ont pas encore été résolues de manière satisfaisante, comme le problème de plusieurs particules en interaction ou le problème de la quantification spatiale. En outre, la théorie elle-même était incohérente : les lois classiques de Newton ne pouvaient être appliquées qu »aux orbites stationnaires de l »électron, alors que la transition entre ces orbites ne pouvait être décrite sur cette base.

Sommerfeld, bien conscient de toutes ces difficultés, engage Heisenberg pour travailler sur la théorie. Son premier article, publié au début de 1922, portait sur un modèle phénoménologique de l »effet Zeeman. Ce travail, qui proposait un modèle audacieux du cadre atomique interagissant avec les électrons de valence et introduisait des nombres quantiques semi-entiers, a immédiatement fait du jeune scientifique l »un des leaders de la spectroscopie théorique. Des articles ultérieurs ont traité de la largeur et de l »intensité des raies spectrales et de leurs composantes zeemaniennes sur la base du principe de correspondance. Les articles rédigés en collaboration avec Max Born examinaient les problèmes généraux de la théorie des atomes à plusieurs électrons (dans le cadre de la théorie classique des perturbations), analysaient la théorie des molécules et proposaient une hiérarchie des mouvements intramoléculaires différant par leur énergie (rotations et vibrations moléculaires, excitations électroniques), évaluaient les valeurs de polarisation atomique et concluaient que l »introduction de nombres quantiques demi-entiers était nécessaire. Une autre modification des relations quantiques consistant à attribuer aux états quantiques de l »atome deux valeurs demi-entières des nombres quantiques du moment angulaire a suivi la prise en compte de l »effet Zeeman anormal (cette modification a été expliquée plus tard par la présence du spin de l »électron). Ce travail, à la suggestion de Born, a servi d »Habilitationsschrift, c »est-à-dire de base à l »habilitation obtenue par Heisenberg à l »âge de 22 ans à l »université de Göttingen.

Le travail conjoint avec Hendrik Kramers, écrit à Copenhague, contient une formulation de la théorie de la dispersion qui généralise les résultats récents de Born et de Kramers lui-même. Elle a abouti à des analogues de la théorie quantique des formules de dispersion pour la polarisabilité de l »atome dans un état stationnaire donné, en tenant compte de la possibilité de transitions vers des états supérieurs et inférieurs. Cet important travail, publié au début de 1925, a été le précurseur immédiat de la première formulation de la mécanique quantique.

Créer une mécanique matricielle

Heisenberg n »était pas satisfait de l »état de la théorie, qui nécessitait de résoudre chaque problème particulier de la physique classique, puis de le traduire en langage quantique à l »aide du principe de correspondance. Une telle approche ne donne pas toujours des résultats et dépend largement de l »intuition du chercheur. Au printemps 1925, à la recherche d »un formalisme rigoureux et logiquement cohérent, Heisenberg décide d »abandonner l »ancienne description et de la remplacer par une description en termes de quantités dites observables. Cette idée a été influencée par les travaux d »Albert Einstein, qui a donné une définition relativiste du temps au lieu du temps absolu newtonien, inobservable. (Cependant, déjà en avril 1926, Einstein remarquait dans une conversation privée avec Heisenberg que c »est la théorie qui détermine quelles quantités sont observables et lesquelles ne le sont pas). Heisenberg a rejeté les concepts classiques de position et de quantité de mouvement de l »électron dans l »atome et a considéré la fréquence et l »amplitude des oscillations, qui peuvent être déterminées par une expérience optique. Il a réussi à représenter ces quantités comme des ensembles de nombres complexes et à donner la règle de leur multiplication, qui s »est avérée non-commutative, puis à appliquer la méthode développée au problème de l »oscillateur anharmonique. Pour un cas particulier de l »oscillateur harmonique, il s »en est suivi naturellement l »existence de ce qu »on appelle « l »énergie du point zéro ». Ainsi, le principe de correspondance a été inclus dans les fondements mêmes du schéma mathématique développé.

Heisenberg a obtenu la solution en juin 1925 sur l »île d »Helgoland, où il se remettait d »une crise de rhume des foins. De retour à Göttingen, il décrit ses résultats dans un article intitulé « On the quantum-theoretic interpretation of kinematic and mechanical relations » et l »envoie à Wolfgang Pauli. Après avoir obtenu l »approbation de ce dernier, Heisenberg remet l »article à Born pour publication dans le journal Zeitschrift für Physik, où il est reçu le 29 juillet 1925. Born se rendit rapidement compte que les ensembles de nombres représentant les quantités physiques n »étaient rien d »autre que des matrices et que la règle d »Heisenberg pour les multiplier était la règle de multiplication des matrices.

En général, la mécanique matricielle a reçu un accueil plutôt passif de la part de la communauté des physiciens, qui était peu familière avec le formalisme mathématique des matrices et qui était découragée par l »extrême abstraction de la théorie. Seuls quelques scientifiques ont porté une attention particulière à l »article d »Heisenberg. Par exemple, Niels Bohr l »a immédiatement salué et a déclaré qu » »une nouvelle ère de stimulation mutuelle de la mécanique et des mathématiques a commencé ». La première formulation rigoureuse de la mécanique matricielle a été donnée par Born et Pascual Jordan dans leur article commun « On Quantum Mechanics », achevé en septembre 1925. Ils ont obtenu la relation de permutation fondamentale (condition quantique) pour les matrices de coordonnées et de quantité de mouvement. Heisenberg s »implique rapidement dans ces recherches, qui aboutissent au fameux « travail des trois » (Drei-Männer Arbeit), achevé en novembre 1925. Il présente une méthode générale de résolution des problèmes dans le cadre de la mécanique matricielle, en particulier en considérant des systèmes avec un nombre arbitraire de degrés de liberté, en introduisant les transformations canoniques, en donnant les bases de la théorie des perturbations en mécanique quantique, en résolvant le problème de la quantification du moment angulaire, en discutant des règles de sélection et un certain nombre d »autres questions.

Les modifications ultérieures de la mécanique matricielle ont suivi deux axes principaux : la généralisation des matrices sous forme d »opérateurs, réalisée par Born et Norbert Wiener, et la représentation de la théorie sous forme algébrique (dans le cadre du formalisme hamiltonien), développée par Paul Dirac. Ce dernier a rappelé bien des années plus tard combien l »émergence de la mécanique matricielle avait été stimulante pour le développement ultérieur de la physique atomique :

J »ai la raison la plus convaincante d »être un admirateur de Werner Heisenberg. Nous avons étudié en même temps, nous avions presque le même âge et nous avons travaillé sur le même problème. Heisenberg a réussi là où j »avais échoué. A cette époque, une énorme quantité de matériel spectroscopique s »était accumulée et Heisenberg avait trouvé le bon chemin dans son labyrinthe. Ce faisant, il a inauguré l »âge d »or de la physique théorique, et bientôt, même un étudiant de second ordre était capable de faire un travail de premier ordre.

Rapport d »incertitudes

Au début de l »année 1926, les travaux d »Erwin Schrödinger sur la mécanique ondulatoire, qui décrivait les processus atomiques sous la forme habituelle d »équations différentielles continues et qui, comme il est rapidement apparu, était mathématiquement identique au formalisme matriciel, ont commencé à être publiés. Heisenberg a critiqué la nouvelle théorie et surtout son interprétation originale comme traitant des ondes réelles portant une charge électrique. Et même l »apparition du traitement probabiliste de Born de la fonction d »onde n »a pas résolu le problème de l »interprétation du formalisme, c »est-à-dire de la clarification du sens des concepts qui y sont utilisés. La nécessité de trouver une solution à ce problème est devenue particulièrement claire en septembre 1926, après la visite de Schrödinger à Copenhague, où, au cours d »une longue discussion avec Bohr et Heisenberg, il a défendu l »image de continuité des phénomènes atomiques et critiqué le concept de discrétisation et de sauts quantiques.

Le point de départ de l »analyse d »Heisenberg était la prise de conscience de la nécessité d »ajuster les concepts classiques (tels que les « coordonnées » et la « quantité de mouvement ») afin qu »ils puissent être utilisés en microphysique, tout comme la théorie de la relativité avait ajusté les concepts d »espace et de temps, donnant ainsi un sens au formalisme de la transformation de Lorentz. Il a trouvé une issue à cette situation en imposant une limite à l »utilisation des notions classiques, exprimée mathématiquement sous la forme de la relation d »incertitude : « plus la position est définie avec précision, moins la quantité de mouvement est connue avec précision, et vice versa ». Il a démontré ses conclusions par une célèbre expérience mentale avec un microscope à rayons gamma. Heisenberg expose ses résultats dans une lettre de 14 pages à Pauli, qui en fait l »éloge. Bohr, qui revient de vacances en Norvège, n »est pas entièrement satisfait et fait un certain nombre de commentaires, mais Heisenberg refuse de modifier son texte, mentionnant les suggestions de Bohr dans un post-scriptum. Un article intitulé « On the illustrative content of quantum-theoretic kinematics and mechanics » détaillant le principe d »incertitude a été reçu par les rédacteurs de la Zeitschrift für Physik le 23 mars 1927.

Le principe d »incertitude a non seulement joué un rôle important dans le développement de l »interprétation de la mécanique quantique, mais a également soulevé un certain nombre de problèmes philosophiques. Bohr l »a relié au concept plus général d »additionnalité qu »il développait en même temps : il a interprété les relations d »incertitude comme une expression mathématique de la limite à laquelle des concepts mutuellement exclusifs (additionnels) sont possibles. En outre, l »article d »Heisenberg a attiré l »attention des physiciens et des philosophes sur le concept de mesure, ainsi que sur une nouvelle compréhension inhabituelle de la causalité proposée par l »auteur : « … dans une formulation forte de la loi de causalité : « si l »on connaît précisément le présent, on peut prédire l »avenir », c »est la prémisse qui est fausse, pas la conclusion. Nous ne pouvons en principe pas connaître le présent dans tous ses détails ». Plus tard, en 1929, il a introduit le terme « effondrement du paquet d »ondes » dans la théorie quantique, qui est devenu l »un des concepts de base de l » »interprétation de Copenhague » de la mécanique quantique.

Applications de la mécanique quantique

L »émergence de la mécanique quantique (d »abord sous forme de matrice, puis sous forme d »onde), immédiatement reconnue par la communauté scientifique, a stimulé des progrès rapides dans le développement des concepts quantiques, en résolvant un certain nombre de problèmes spécifiques. En mars 1926, Heisenberg lui-même rédigea un article conjoint avec Jordan expliquant l »effet Zeeman anormal en utilisant l »hypothèse de Gaudsmit et Uhlenbeck sur le spin des électrons. Dans ses derniers articles, qui étaient déjà rédigés à l »aide du formalisme de Schrödinger, il a considéré des systèmes multiparticulaires et a montré l »importance de la symétrie des états pour comprendre les caractéristiques spectrales de l »hélium (les termes para- et orthohélium), des ions lithium et des molécules de bichrome, ce qui a conduit à la conclusion de l »existence de deux formes allotropiques de l »hydrogène – ortho- et para-hydrogène. En fait, Heisenberg est arrivé indépendamment à la statistique de Fermi-Dirac pour les systèmes satisfaisant le principe de Pauli.

En 1928, Heisenberg a fondé la théorie quantique du ferromagnétisme (modèle d »Heisenberg), en utilisant le concept de forces d »échange entre électrons pour expliquer le « champ moléculaire », introduit par Pierre Weiss en 1907. Dans ce cas, le rôle clé a été joué par la direction relative des spins des électrons, qui a déterminé la symétrie de la partie spatiale de la fonction d »onde et a donc influencé la distribution spatiale des électrons et l »interaction électrostatique entre eux. Dans la seconde moitié des années 1940, Heisenberg a tenté, sans succès, de construire une théorie de la supraconductivité qui ne tienne compte que de l »interaction électrostatique entre les électrons.

Électrodynamique quantique

Dès la fin de l »année 1927, le principal problème qui occupait Heisenberg était la construction de l »électrodynamique quantique, qui devait considérer non seulement la présence d »un champ électromagnétique quantifié, mais aussi son interaction avec des particules chargées relativistes. L »équation de Dirac pour l »électron relativiste, apparue au début de 1928, d »une part, indiquait la bonne voie, mais d »autre part, donnait lieu à un certain nombre de problèmes, apparemment insolubles – le problème de l »énergie propre de l »électron, lié à l »apparition d »un additif infiniment grand à la masse de la particule, et le problème des états à énergie négative. Les recherches menées par Heisenberg avec Pauli sont dans l »impasse et il les abandonne temporairement pour se consacrer à la théorie du ferromagnétisme. Ce n »est qu »au début de 1929 qu »ils parviennent à aller plus loin dans la construction d »un schéma général de la théorie relativiste, qui est exposé dans un article achevé en mars de la même année. Le schéma proposé était basé sur une procédure de quantification de la théorie classique des champs contenant un lagrangien relativiste invariant. Les scientifiques ont appliqué ce formalisme à un système comprenant un champ électromagnétique et des ondes de matière interagissant entre eux. Dans l »article suivant, publié en 1930, ils ont considérablement simplifié la théorie, en utilisant des considérations de symétrie issues d »une communication avec le célèbre mathématicien Hermann Weil. Il s »agit tout d »abord de considérations relatives à l »invariance de jauge, qui ont permis de se débarrasser de certaines constructions artificielles de la formulation originale.

Bien que la tentative d »Heisenberg et Pauli de construire une électrodynamique quantique ait considérablement étendu les limites de la théorie atomique pour inclure un certain nombre de résultats connus, elle s »est avérée incapable d »éliminer les divergences associées à l »énergie propre infinie de l »électron ponctuel. Toutes les tentatives faites par la suite pour résoudre ce problème, y compris des tentatives aussi radicales que la quantification de l »espace (modèle du treillis), ont échoué. La solution a été trouvée beaucoup plus tard dans le cadre de la théorie de la renormalisation.

Dès 1932, Heisenberg accorde une grande attention au phénomène des rayons cosmiques, qui, selon lui, fournit l »occasion d »une vérification sérieuse des concepts théoriques. C »est dans les rayons cosmiques que Carl Anderson a découvert le positron précédemment prédit par Dirac (le « trou » de Dirac). En 1934, Heisenberg développe la théorie des trous en incluant les positrons dans le formalisme de l »électrodynamique quantique. En même temps, comme Dirac, il postule l »existence du phénomène de polarisation du vide et en 1936, avec Hans Euler, il calcule les corrections quantiques des équations de Maxwell associées à cet effet (le lagrangien dit de Heisenberg-Euler).

Physique nucléaire

En 1932, peu après la découverte du neutron par James Chadwick, Heisenberg propose l »idée d »une structure proton-neutron du noyau atomique (un peu plus tôt, elle avait été proposée indépendamment par Dmitri Ivanenko) et dans trois articles, il tente de construire une théorie de mécanique quantique d »un tel noyau. Bien que cette hypothèse ait résolu de nombreuses difficultés du modèle précédent (proton-électron), l »origine des électrons émis dans les processus de désintégration bêta, certaines caractéristiques des statistiques des particules nucléaires et la nature des forces entre les nucléons restaient obscures. Heisenberg a essayé de clarifier ces questions en supposant l »existence d »interactions d »échange entre les protons et les neutrons dans le noyau, qui sont similaires aux forces entre le proton et l »atome d »hydrogène formant l »ion moléculaire d »hydrogène. Cette interaction est censée avoir lieu par l »intermédiaire d »électrons échangés entre le neutron et le proton, mais il a fallu attribuer à ces électrons nucléaires des propriétés « erronées » (en particulier, ils devraient être sans spin, c »est-à-dire des bosons). L »interaction entre les neutrons a été décrite de manière similaire à l »interaction entre deux atomes neutres dans une molécule d »hydrogène. Là aussi, le scientifique a suggéré pour la première fois l »idée d »une invariance isotopique associée à l »échange de charges entre nucléons et à l »indépendance de charge des forces nucléaires. D »autres améliorations de ce modèle ont été apportées par Ettore Majorana, qui a découvert l »effet de saturation des forces nucléaires.

Après l »apparition en 1934 de la théorie de la désintégration bêta, développée par Enrico Fermi, Heisenberg s »engage dans son expansion et suggère que les forces nucléaires ne proviennent pas de l »échange d »électrons, mais de paires électron-neutrinos (indépendamment, cette idée a été développée par Ivanenko, Igor Tamm et Arnold Nordsik). Cependant, l »ampleur de cette interaction était beaucoup plus faible que ce que montrait l »expérience. Néanmoins, ce modèle (avec quelques ajouts) est resté dominant jusqu »à l »apparition de la théorie de Hideki Yukawa, qui postulait l »existence de particules plus lourdes permettant l »interaction des neutrons et des protons dans le noyau. En 1938, Heisenberg et Euler ont mis au point des méthodes d »analyse des données d »absorption des rayons cosmiques, et ont pu donner la première estimation de la durée de vie d »une particule (« mésotron », ou méson, comme on l »a appelé plus tard) appartenant à la composante dure des rayons, qui a d »abord été associée à l »hypothétique particule de Yukawa. L »année suivante, Heisenberg a analysé les limites des théories quantiques existantes des interactions entre particules élémentaires, basées sur la théorie des perturbations, et a discuté de la possibilité d »aller au-delà de ces théories jusqu »à la gamme des hautes énergies atteignables dans les rayons cosmiques. Dans ce domaine, la naissance de particules multiples dans les rayons cosmiques est possible, ce qu »il a considéré dans le cadre de la théorie des mésons vectoriels.

Théorie quantique des champs

Dans une série de trois articles rédigés entre septembre 1942 et mai 1944, Heisenberg propose un moyen radical de se débarrasser de la divergence dans la théorie quantique des champs. L »idée d »une longueur fondamentale (le quantum de l »espace) l »a incité à abandonner la description par une équation de Schrödinger continue. Il revient sur le concept d »observables, dont les relations doivent constituer la base d »une future théorie. Pour les relations entre ces quantités, auxquelles il faisait référence sans ambiguïté aux énergies des états stationnaires et au comportement asymptotique de la fonction d »onde dans les processus de diffusion, d »absorption et d »émission, il a introduit (indépendamment de John Wheeler qui l »a fait en 1937) le concept de la matrice S (matrice de diffusion), à savoir l »opérateur transformant une fonction d »onde incidente en une fonction d »onde diffusée. Selon l »idée d »Heisenberg, la matrice S devait remplacer le hamiltonien dans la future théorie. Malgré les difficultés d »échange d »informations scientifiques dans les conditions de guerre, la théorie de la matrice de diffusion a rapidement été reprise par un certain nombre de scientifiques (Ernst Stückelberg à Genève, Hendrik Kramers à Leiden, Christian Møller à Copenhague, Pauli à Princeton), qui ont entrepris de développer davantage le formalisme et de clarifier ses aspects physiques. Cependant, avec le temps, il est devenu évident que cette théorie, dans sa forme pure, ne peut pas devenir une alternative à la théorie ordinaire des champs quantiques, mais peut être l »un des outils mathématiques utiles au sein de celle-ci. En particulier, il est utilisé (sous une forme modifiée) dans le formalisme de Feynman de l »électrodynamique quantique. Le concept de la matrice S, complété par un certain nombre de conditions, a occupé une place centrale dans la formulation de la théorie quantique des champs dite axiomatique et, plus tard, dans le développement de la théorie des cordes.

Dans l »après-guerre, avec le nombre croissant de particules élémentaires nouvellement découvertes, le problème s »est posé de les décrire avec le moins de champs et d »interactions possible, dans le cas le plus simple – un seul champ (on peut alors parler d »une « théorie des champs unifiés »). Depuis 1950 environ, le problème de trouver la bonne équation pour décrire un seul champ est au cœur des travaux scientifiques d »Heisenberg. Son approche était basée sur une généralisation non linéaire de l »équation de Dirac et sur la présence d »une certaine longueur fondamentale (de l »ordre du rayon de l »électron classique) limitant l »applicabilité de la mécanique quantique ordinaire. En général, cette orientation, immédiatement confrontée à de formidables problèmes mathématiques et à la nécessité de prendre en compte une énorme quantité de données expérimentales, a été acceptée avec scepticisme par la communauté scientifique et développée presque exclusivement dans le groupe d »Heisenberg. Bien que le succès n »ait pas été au rendez-vous et que le développement de la théorie quantique ait suivi des voies différentes, certaines idées et méthodes apparaissant dans les travaux du scientifique allemand ont joué un rôle dans ce développement ultérieur. En particulier, l »idée de représenter le neutrino comme une particule de Goldstone, résultant d »une rupture spontanée de symétrie, a influencé le développement du concept de supersymétrie.

Hydrodynamique

Heisenberg commence à s »intéresser aux problèmes fondamentaux de la dynamique des fluides au début des années 1920. Dans son premier article, il tente, à la suite de Theodore von Karman, de déterminer les paramètres de la queue de tourbillon qui se produit derrière une plaque en mouvement. Dans sa thèse de doctorat, il a examiné la stabilité de l »écoulement laminaire et la nature de la turbulence sur l »exemple d »un écoulement fluide entre deux plaques planes et parallèles. Il a pu montrer que l »écoulement laminaire, stable à faible nombre de Reynolds (en dessous d »une valeur critique), devient d »abord instable, mais qu »à des valeurs très élevées, sa stabilité augmente (seules les perturbations à ondes longues sont instables). Heisenberg revient au problème de la turbulence en 1945 alors qu »il est interné en Angleterre. Il a développé une approche basée sur la mécanique statistique, qui était très proche des idées développées par Geoffrey Taylor, Andrei Kolmogorov et d »autres scientifiques. Il a notamment pu montrer comment l »énergie est échangée entre des tourbillons de tailles différentes.

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Relations avec le régime nazi

Peu après l »arrivée d »Hitler au pouvoir en janvier 1933, une invasion grossière de la politique dans la vie universitaire établie a commencé dans le but de « nettoyer » la science et l »éducation des Juifs et autres éléments indésirables. Heisenberg, comme beaucoup de ses collègues, est choqué par l »anti-intellectualisme pur et simple du nouveau régime, qui ne peut qu »affaiblir la science allemande. Dans un premier temps, cependant, il était encore enclin à souligner les aspects positifs des changements en cours dans le pays. La rhétorique nazie de la renaissance allemande et de la culture allemande semble l »avoir attiré en raison de sa proximité avec les idéaux romantiques épousés par le mouvement de jeunesse après la Première Guerre mondiale. De plus, comme le note David Cassidy, le biographe du scientifique, la passivité avec laquelle Heisenberg et ses collègues ont perçu les changements était probablement liée à la tradition de considérer la science comme une institution extérieure à la politique.

Les tentatives d »Heisenberg, de Max Planck et de Max von Laue pour changer la politique à l »égard des scientifiques juifs, ou du moins en atténuer les effets par des contacts personnels et des pétitions par les canaux bureaucratiques officiels, n »aboutissent pas. Depuis l »automne 1933, les « non-Aryens », les femmes et les personnes ayant des convictions de gauche ne peuvent plus enseigner. À partir de 1938, les futurs professeurs doivent prouver leur aptitude politique. Dans cette situation, Heisenberg et ses collègues, considérant la préservation de la physique allemande comme une priorité, ont tenté de remplacer les postes vacants par des scientifiques allemands ou même étrangers, ce qui a été accueilli négativement par la communauté scientifique et n »a pas non plus atteint son objectif. Un dernier recours était de démissionner en signe de protestation, mais Planck dissuada Heisenberg en soulignant l »importance de la survie de la physique malgré le désastre qui attendait l »Allemagne dans le futur.

Le désir de maintenir leur position apolitique a non seulement empêché Heisenberg et d »autres scientifiques de résister à l »antisémitisme croissant dans les cercles universitaires, mais les a également exposés à de sérieuses attaques de la part des « physiciens aryens ». En 1935, les attaques contre la « physique juive », qui comprend la théorie de la relativité et la mécanique quantique, s »intensifient. Ces actions, soutenues par la presse officielle, étaient dirigées par des partisans actifs du régime nazi, les lauréats du prix Nobel Johannes Stark et Philipp Lenard. La démission d »Arnold Sommerfeld, qui a choisi son célèbre élève pour lui succéder comme professeur à l »université de Munich, suscite des attaques contre Heisenberg, qualifié par Stark en décembre 1935 de « Geist von Einsteins Geist » (allemand : Geist von Einsteins Geist). Le scientifique a publié une réponse dans le journal du parti nazi Völkischer Beobachter, appelant à accorder plus d »attention aux théories physiques fondamentales. Au printemps 1936, Heisenberg, avec Hans Geiger et Max Wien, réussit à rassembler les signatures de 75 professeurs sur une pétition en faveur de cet appel. Ces contre-mesures semblent faire pencher le ministère impérial de l »éducation du côté des scientifiques, mais le 15 juillet 1937, la situation change à nouveau. Ce jour-là, le journal officiel des SS, Das Schwarze Korps, publie un article important de Stark intitulé « Les Juifs blancs dans la science » (« Weisse Juden » in der Wissenschaft), qui proclame la nécessité d »éliminer « l »esprit juif » de la physique allemande. Heisenberg est personnellement menacé d »être envoyé dans un camp de concentration et nommé « Osiecki de la physique ». Malgré les nombreuses invitations qui lui sont adressées de l »étranger à cette époque, Heisenberg ne veut pas quitter le pays et décide de négocier avec le gouvernement. David Cassidy a donné l »image suivante de ce choix difficile

Si le régime avait rétabli son statut supérieur, il aurait accepté les compromis qui s »imposaient, en se convainquant d »ailleurs de la justesse de la nouvelle justification : par le sacrifice personnel qu »il consentait en restant à son poste, il protégeait en effet la physique allemande correcte contre toute déformation par le national-socialisme.

Suivant sa ligne de conduite, Heisenberg rédige deux lettres officielles – au Ministère de l »Education du Reich et au Reichsführer SS Heinrich Himmler – dans lesquelles il exige une réponse officielle aux actions de Stark et de ses partisans. Dans ces lettres, il déclarait que si les attaques étaient officiellement approuvées par les autorités, il démissionnerait de son poste ; dans le cas contraire, il demandait la protection du gouvernement. Grâce à une connaissance de la mère du scientifique avec la mère d »Himmler, la lettre arrive à destination, mais il faut attendre près d »un an, pendant lequel Heisenberg est interrogé par la Gestapo, ses conversations à domicile écoutées et ses actions espionnées, avant de recevoir une réponse positive d »un haut fonctionnaire du Reich. Néanmoins, le poste de professeur à Munich est toujours attribué à un autre candidat, plus fidèle au parti.

Le début du projet d »uranium. Voyage à Copenhague

Le compromis trouvé entre Heisenberg et les dirigeants nazis a été décrit par Cassidy comme un marché faustien. D »une part, le succès contre les « physiciens aryens » et la réhabilitation publique du scientifique signifiaient la reconnaissance de son importance (et de celle de ses collègues) dans le maintien d »un haut niveau d »enseignement et de recherche en physique dans le pays. L »autre facette de ce compromis est la volonté des scientifiques allemands (dont Heisenberg) de coopérer avec les autorités et de participer aux développements militaires du Troisième Reich. L »importance de ces derniers s »est particulièrement accrue avec le début de la Seconde Guerre mondiale, non seulement pour l »armée, mais aussi pour les scientifiques eux-mêmes, car la coopération avec l »armée constituait une protection fiable contre la conscription au front. Il y avait un autre aspect à l »accord d »Heisenberg de travailler pour le gouvernement nazi, exprimé comme suit par Mott et Peierls :

…Il est raisonnable de supposer qu »il voulait que l »Allemagne gagne la guerre. Il n »acceptait pas de nombreux aspects du régime nazi, mais il était un patriote. Souhaiter la défaite de son pays aurait impliqué des vues bien plus rebelles que celles qu »il avait.

Dès septembre 1939, les dirigeants de l »armée ont soutenu la création du « club de l »uranium » (Uranverein) afin d »explorer plus en profondeur les perspectives d »utilisation de la fission nucléaire de l »uranium, découverte par Otto Hahn et Fritz Strassmann à la fin de 1938. Heisenberg fait partie des personnes invitées à l »une des premières discussions sur le problème, le 26 septembre 1939, où sont exposés les grandes lignes du projet et la possibilité d »applications militaires de l »énergie nucléaire. Le scientifique devait étudier théoriquement le fonctionnement de la « machine à uranium », comme on appelait alors le réacteur nucléaire. En décembre 1939, il présente son premier rapport classifié contenant une analyse théorique de la possibilité de produire de l »énergie par fission nucléaire. Dans ce rapport, le carbone et l »eau lourde étaient proposés comme modérateurs, mais à partir de l »été 1940, il a été décidé d »utiliser cette dernière comme option plus économique et plus abordable (elle avait déjà été produite dans la Norvège occupée).

Après sa réhabilitation par les autorités nazies, Heisenberg est autorisé à donner des conférences non seulement en Allemagne mais aussi dans d »autres pays européens (y compris les pays occupés). Du point de vue des bureaucrates du parti, il devait être l »incarnation de la prospérité de la science allemande. Mark Walker, un expert renommé de l »histoire de la science allemande pendant cette période, a écrit sur le sujet :

Il est clair qu »Heisenberg travaillait pour la propagande nazie sans le vouloir, ou peut-être même sans le savoir. Cependant, il est tout aussi clair que les responsables nationaux-socialistes concernés l »utilisaient à des fins de propagande, que ses activités étaient efficaces à cet égard et que ses collègues étrangers avaient des raisons de croire qu »il faisait la promotion du nazisme… Ces voyages de conférences à l »étranger, peut-être plus que toute autre chose, ont empoisonné ses relations avec de nombreux collègues étrangers et d »anciens amis hors d »Allemagne.

L »exemple le plus célèbre d »un tel voyage est sans doute une rencontre avec Niels Bohr à Copenhague en septembre 1941. Les détails de la conversation entre les deux scientifiques ne sont pas connus et les interprétations varient largement. Selon Heisenberg lui-même, il voulait connaître l »opinion de son professeur sur l »aspect moral de la création de nouvelles armes, mais comme il ne pouvait pas parler ouvertement, Bohr l »a mal compris. Le Danois a donné une interprétation très différente de la réunion. Il a l »impression que les Allemands travaillent intensivement sur le sujet de l »uranium et Heisenberg veut savoir ce qu »il en sait. De plus, Bohr pensait que son invité lui avait suggéré de coopérer avec les nazis. Les vues du scientifique danois ont été reflétées dans des projets de lettres, publiés pour la première fois en 2002 et largement discutés dans la presse.

En 1998, la pièce Copenhagen du dramaturge anglais Michael Frayn a été créée à Londres. Elle se concentre sur un épisode de la relation entre Bohr et Heisenberg qui n »a pas été entièrement éclairci. Son succès au Royaume-Uni, puis à Broadway, a suscité un débat entre physiciens et historiens des sciences sur le rôle du scientifique allemand dans la création de la « bombe pour Hitler » et sur le contenu de la conversation avec Bohr. Il a été suggéré que Heisenberg voulait communiquer par l »intermédiaire de Bohr aux physiciens alliés de ne pas procéder à la fabrication d »armes nucléaires ou de se concentrer sur un réacteur pacifique, comme l »ont fait les scientifiques allemands. Selon Walker, Heisenberg a dit à la conversation « trois choses : 1) les Allemands travaillent sur la bombe atomique ; 2) lui-même est ambivalent à propos de ce travail ; 3) Bohr devrait coopérer avec l »Institut scientifique allemand et avec les autorités d »occupation. Il n »est donc pas surprenant que le Danois, qui s »est installé en Angleterre puis aux États-Unis à l »automne 1943, ait soutenu le développement rapide de la bombe nucléaire dans ces pays.

Tentatives de construction d »un réacteur

Au début de l »année 1942, malgré la pénurie d »uranium et d »eau lourde, divers groupes de scientifiques en Allemagne avaient réussi à réaliser des expériences de laboratoire dont les résultats étaient encourageants pour la construction d »une « machine à uranium ». En particulier, à Leipzig, Robert Döpel a réussi à obtenir une augmentation positive du nombre de neutrons dans la géométrie sphérique de la disposition des couches d »uranium proposée par Heisenberg. En Allemagne, 70 à 100 scientifiques travaillent sur le problème de l »uranium dans différents groupes, unis par une direction commune. Une conférence organisée par le Conseil scientifique militaire en février 1942 (l »un des conférenciers était Heisenberg) a été d »une grande importance pour le sort du projet. Bien que cette réunion ait reconnu le potentiel militaire de l »énergie nucléaire, mais compte tenu de la situation économique et militaire actuelle de l »Allemagne, il a été décidé que son utilisation dans un délai raisonnable (environ un an) ne sera pas réalisée, et donc que cette nouvelle arme ne pourra pas influencer la guerre. Néanmoins, la recherche nucléaire est jugée importante pour l »avenir (tant sur le plan militaire que pacifique) et il est décidé de continuer à la financer, mais la direction générale est transférée de l »armée au Conseil impérial de la recherche. Cette décision est confirmée en juin 1942 lors d »une réunion de scientifiques avec le ministre de l »Armement Albert Speer, et l »objectif principal est de construire un réacteur nucléaire. Comme le souligne Walker, la décision de ne pas porter les travaux à un niveau industriel s »est avérée déterminante pour le sort de l »ensemble du projet allemand d »uranium :

Si jusqu »alors les recherches américaines et allemandes s »étaient déroulées en parallèle, les Américains ont rapidement devancé les Allemands… En comparant les travaux effectués depuis l »hiver 1941

En juillet 1942, afin d »organiser les travaux sur la « machine à uranium », l »Institut de physique de Berlin est rendu à la Kaiser Wilhelm Society et Heisenberg est nommé à la tête de l »Institut (il est également nommé professeur à l »université de Berlin). Comme Peter Debye, qui n »était pas revenu des Etats-Unis, restait officiellement directeur de l »institut, le titre du poste d »Heisenberg était « directeur à l »institut ». Malgré le manque de matériaux, dans les années suivantes, à Berlin, plusieurs expériences ont été réalisées dans le but d »obtenir une réaction en chaîne auto-entretenue dans des chaudières nucléaires de différentes géométries. Cet objectif a presque été atteint en février 1945, la dernière expérience, qui était déjà en cours d »évacuation, dans une pièce taillée dans un rocher au village de Heigerloh (l »institut lui-même est situé à proximité, à Hehingen). C »est là que les scientifiques et l »installation ont été capturés par la mission secrète Alsos en avril 1945.

Peu avant l »arrivée des troupes américaines, Heisenberg se rend à vélo dans le village bavarois d »Urfeld, où se trouve sa famille et où il est bientôt retrouvé par les Alliés. En juillet 1945, il fait partie des dix principaux scientifiques allemands impliqués dans le projet nucléaire nazi qui sont internés à Farm Hall, près de Cambridge. Les physiciens ont été surveillés en permanence pendant six mois, et leurs conversations ont été enregistrées à l »aide de microphones cachés. Les enregistrements ont été déclassifiés par le gouvernement britannique en février 1992 et constituent un document précieux sur l »histoire du projet nucléaire allemand.

Discussions d »après-guerre

Peu après la fin de la guerre mondiale, un débat animé s »est engagé sur les raisons de l »échec des physiciens allemands à fabriquer la bombe atomique. En novembre 1946, Die Naturwissenschaften publie un article d »Heisenberg sur le projet nucléaire nazi. Mark Walker a souligné plusieurs inexactitudes caractéristiques dans le traitement des événements par le scientifique allemand : minimiser le rôle des physiciens proches des milieux militaires, qui ne s »en cachaient pas (insistance sur une erreur expérimentale qui a conduit au choix de l »eau lourde (plutôt que du graphite) comme modérateur, bien que ce choix ait été essentiellement motivé par des considérations économiques ; occulter la compréhension par les scientifiques allemands du rôle du réacteur nucléaire dans la production de plutonium de qualité militaire ; attribuant à la rencontre des scientifiques avec le ministre Speer le rôle crucial dans la prise de conscience de l »impossibilité de construire des armes nucléaires avant la fin de la guerre, bien que cela ait été reconnu plus tôt encore par les dirigeants de l »armée qui avaient décidé de ne pas industrialiser la recherche et de ne pas y gaspiller de précieuses ressources. Dans le même article, Heisenberg laisse entendre pour la première fois que les physiciens allemands (du moins ceux qui entouraient Heisenberg) contrôlaient le cours des travaux et tentaient, pour des raisons morales, de les éloigner du développement des armes nucléaires. Cependant, comme l »observe Walker,

Premièrement, non seulement Heisenberg et son entourage n »ont pas contrôlé l »effort allemand de maîtrise de l »énergie nucléaire, mais ils n »auraient pas pu le faire s »ils avaient même essayé, et deuxièmement, grâce à la décision des autorités de l »armée en 1942 et à la situation générale de la guerre, Heisenberg et les autres scientifiques travaillant sur le problème nucléaire n »ont jamais eu à faire face au difficile dilemme moral qui se pose à l »idée de fabriquer des armes nucléaires pour les nazis. Pourquoi prendraient-ils le risque d »essayer de changer l »orientation de la recherche s »ils étaient sûrs de ne pas pouvoir influencer l »issue de la guerre ?

L »autre côté du débat était représenté par Sam Goudsmit, qui avait servi à la fin de la guerre comme directeur scientifique de la mission Alsos (dans le passé, Heisenberg et lui avaient été des amis assez proches). Dans une dispute émotionnelle qui a duré plusieurs années, Goudsmit a soutenu que l »obstacle au succès en Allemagne était les lacunes de la science dans une société totalitaire, mais a en fait accusé les scientifiques allemands d »incompétence, estimant qu »ils ne comprenaient pas pleinement la physique de la bombe. Heisenberg s »est fortement opposé à cette dernière affirmation. Selon Walker, « l »atteinte à sa réputation de physicien l »a probablement dérangé plus que les critiques pour avoir servi les nazis.

La thèse de la « résistance morale » d »Heisenberg a été développée par Robert Jung dans son best-seller « Brighter than a Thousand Suns », où l »on affirme que les scientifiques allemands ont sciemment saboté le développement de nouvelles armes. Plus tard, cette version a également été reprise dans un livre de Thomas Powers. D »autre part, l »idée de Goudsmit sur l »incompétence des physiciens mise en évidence sous les nazis a été reprise par le général Leslie Groves, chef du projet Manhattan, puis exprimée par Paul Lawrence Rose dans son livre. Selon Walker, qui considère que la principale raison de l »échec réside dans les difficultés économiques des années de guerre, les deux thèses opposées étaient loin de l »exactitude historique et reflétaient les besoins de l »époque : la thèse d »Heisenberg visait à rétablir les droits de la science allemande et à réhabiliter les scientifiques ayant collaboré avec les nazis, tandis que la déclaration de Goudsmit servait à justifier la crainte des armes nucléaires nazies et les efforts des Alliés pour les fabriquer. Mott et Pyerls partagent effectivement le point de vue selon lequel les difficultés techniques sont cruciales et qu »il est impossible pour l »Allemagne de fournir un effort aussi important dans les circonstances actuelles.

Les deux points de vue opposés (sabotage et incompétence) ne sont pas entièrement confirmés par les enregistrements des conversations des physiciens allemands effectués pendant leur internement à Farm Hall. C »est d »ailleurs à Farm Hall qu »ils ont été confrontés pour la première fois à la question des raisons de l »échec, car jusqu »au bombardement d »Hiroshima, ils étaient convaincus d »avoir une bonne longueur d »avance sur les Américains et les Britanniques en matière de développement nucléaire. Au cours de cette discussion, Karl von Weizsäcker a d »abord suggéré l »idée même qu »ils n »ont pas construit la bombe parce qu » »ils ne le voulaient pas ». Comme le souligne l »historien Horst Kant, cela est logique, car Heisenberg et Weizsäcker eux-mêmes, contrairement aux participants au projet Manhattan, ne consacraient pas tout leur temps au développement nucléaire. En particulier, Heisenberg, juste en 1942-1944, a activement développé la théorie de la matrice S, et n »a peut-être pas ressenti un intérêt particulier pour une recherche purement militaire. Hans Bethe, qui dirigeait le département théorique du laboratoire de Los Alamos pendant la guerre, a également conclu, à partir des films de Farm Hall, qu »Heisenberg ne travaillait pas sur la bombe atomique. Le débat se poursuit encore aujourd »hui et est loin d »être clos, mais Cassidy pense que l »on peut considérer sans risque de se tromper qu »Heisenberg

… non pas comme un héros ou un méchant cruel, mais comme un homme profondément talentueux et instruit qui s »est malheureusement retrouvé impuissant dans les terribles circonstances de son époque, auxquelles il n »était, comme la plupart des gens, absolument pas préparé.

Tout au long de sa vie, Heisenberg a accordé une attention particulière aux fondements philosophiques de la science, auxquels il a consacré un certain nombre de ses publications et discours. À la fin des années 1950, il a publié Physics and Philosophy, un texte des Gifford Lectures de l »université de St Andrews, et dix ans plus tard son autobiographie Part and the Whole, que Carl von Weizsäcker a qualifiée d »unique dialogue platonicien de notre époque. Heisenberg a été initié à la philosophie de Platon en tant qu »élève du gymnase classique de Munich, où il a reçu une éducation de grande qualité dans le domaine des sciences humaines. En outre, il a été grandement influencé par son père, un important scientifique philosophe. Tout au long de sa vie, Heisenberg s »est intéressé à Platon et à d »autres philosophes de l »Antiquité, et a même estimé qu » »on ne peut guère avancer dans la physique atomique moderne sans connaître la philosophie grecque ». Dans le développement de la physique théorique dans la seconde moitié du vingtième siècle, il a vu un retour (à un niveau différent) à certaines des idées atomistes de Platon :

Si nous voulons comparer les résultats de la physique moderne des particules avec les idées de l »un des anciens philosophes, la philosophie de Platon semble la plus adéquate : les particules de la physique moderne sont des représentants de groupes de symétrie, et à cet égard, elles ressemblent aux figures symétriques de la philosophie de Platon.

Ce sont les symétries déterminant les propriétés des particules élémentaires – et non les particules elles-mêmes – qu »Heisenberg considérait comme quelque chose de primordial et l »un des critères de vérité d »une théorie visant à trouver ces symétries et les lois de conservation associées, il en voyait la beauté et la cohérence logique. L »influence de la philosophie de Platon est également visible dans ses premiers travaux sur la mécanique quantique. Une autre source d »inspiration pour Heisenberg le penseur est l »œuvre d »Emmanuel Kant, en particulier son concept de connaissance a priori et son analyse de la pensée expérimentale, qui se reflète dans l »interprétation de la théorie quantique. L »influence de Kant se manifeste à la fois dans la modification par Heisenberg du sens de la causalité et dans sa conception de l »observabilité des grandeurs physiques, qui a conduit à l »établissement du principe d »incertitude et à la formulation du problème de la mesure en microphysique. Les premiers travaux du scientifique sur la mécanique quantique ont été indirectement influencés par les idées positivistes d »Ernst Mach (à travers les écrits d »Einstein).

Outre Einstein, Heisenberg a été profondément influencé par son amitié et sa collaboration avec Niels Bohr, qui a accordé une attention particulière à l »interprétation de la théorie, en clarifiant le sens des concepts qui y sont utilisés. Heisenberg, que Wolfgang Pauli a d »abord qualifié de pur formaliste, a rapidement assimilé l »idéologie de Bohr et, dans ses célèbres travaux sur les relations d »incertitude, a apporté une contribution importante à la redéfinition des concepts classiques dans le microcosme. Par la suite, il a non seulement été l »un des principaux acteurs de la formation finale de l »interprétation dite de Copenhague de la mécanique quantique, mais il s »est également tourné à plusieurs reprises vers l »analyse historique et conceptuelle de la physique moderne. Le philosophe Anatoly Akhutin a identifié l »idée de la frontière au sens large (le concept d »un centre d »organisation autour duquel une image unifiée du monde et de la science est construite ; le problème d »aller au-delà des connaissances existantes et de construire une nouvelle image de la réalité (« étapes au-delà de l »horizon ») comme un motif majeur dans le raisonnement d »Heisenberg.

Quelques articles dans Traduction russe

Sources