Werner Heisenberg

gigatos | október 28, 2022

Összegzés

Werner Carl Heisenberg (Würzburg, 1901. december 5. – München, 1976. február 1.) német elméleti fizikus, a kvantummechanika egyik megalapítója, fizikai Nobel-díjas (1932), számos akadémia és tudományos társaság tagja.

Heisenberg a kvantumelmélet számos alapvető eredményének szerzője: lefektette a mátrixmechanika alapjait, megfogalmazta a bizonytalansági relációt, alkalmazta a kvantummechanika formalizmusát a ferromágnesesség, az anomális Zeeman-effektus és más problémákra. Később aktívan részt vett a kvantumelektrodinamika (Heisenberg – Pauli elmélet) és a kvantumtérelmélet (S-mátrix elmélet) kidolgozásában, élete utolsó évtizedeiben pedig kísérleteket tett egy egységes térelmélet megalkotására. Heisenberg a nukleáris erők egyik első kvantummechanikai elméletéhez tartozik, a második világháború alatt ő volt a német nukleáris projekt vezető teoretikusa. A kozmikus sugárzás fizikájával, a turbulenciaelmélettel és a természettudományok filozófiai problémáival is foglalkozott. Heisenberg jelentős szerepet játszott a háború utáni Németországban a tudományos kutatás megszervezésében.

A kamaszkor (1901-1920)

Werner Heisenberg Würzburgban született August Heisenberg, a középkori és újkori görög filológia professzora és Annie Wecklein, a müncheni Maximilian Gimnázium igazgatójának lánya családjában. Ő volt a család második gyermeke, idősebb testvére, Erwin (1900-1965) később vegyész lett. A család 1910-ben Münchenbe költözött, ahol Werner iskolába járt, és matematikából, fizikából és nyelvtanból kitűnt. Tanulmányait 1918 tavaszán megszakították, amikor más 16 évesekkel együtt egy tanyára küldték segédmunkára. Ebben az időben komolyan érdeklődött a filozófia iránt, Platónt és Kantot olvasott. Az első világháború vége után az ország és a város bizonytalan helyzetbe került, a hatalom egyik politikai csoporttól a másikhoz került. 1919 tavaszán Heisenberg rövid ideig sekrestyésként segítette a városba bevonuló új bajor kormány csapatait. Akkoriban részt vett egy ifjúsági mozgalomban, amelynek egy része határozottan ellenezte a status quo-t, a régi hagyományokat és előítéleteket. Maga Heisenberg így emlékezett vissza a fiatalok egyik ilyen találkozójára:

Sok olyan beszéd volt, amelynek pátosza ma már idegennek tűnne számunkra. Mi a fontosabb, népünk sorsa vagy az emberiség sorsa; hogy az elesettek áldozatos halála értelmetlen-e a vereségben; hogy a fiataloknak joguk van-e saját életüket a saját értékrendjük szerint alakítani; hogy mi a fontosabb, az önmagukhoz való hűség vagy a régi formák, amelyek évszázadok óta rendezik az emberek életét – mindezekről szenvedélyesen vitáztak és vitatkoztak. Minden kérdésben túlságosan hezitáltam ahhoz, hogy részt vegyek ezekben a vitákban, de újra és újra meghallgattam őket…

Ebben az időben azonban nem a politika, a filozófia vagy a zene volt a fő érdeklődési területe (Heisenberg tehetséges zongorista volt, és Felix Bloch visszaemlékezése szerint órákig tudott játszani a hangszeren), hanem a matematika és a fizika. Ezeket többnyire önállóan tanulta, és az iskolai tananyagon messze túlmutató tudása különösen a gimnáziumi érettségi vizsgákon tűnt ki. Egy hosszú betegség alatt elolvasta Hermann Weill „Tér, idő és anyag” című könyvét, és lenyűgözte a matematikai módszerek és alkalmazásuk ereje, ezért elhatározta, hogy matematikát tanul a müncheni egyetemen, ahová 1920 nyarán iratkozott be. Ferdinand von Lindemann matematikaprofesszor azonban nem volt hajlandó szemináriumi taggá fogadni az újoncot, és apja tanácsára Heisenberg az ismert elméleti fizikushoz, Arnold Sommerfeldhez fordult. Azonnal beleegyezett abba, hogy Wernert felvegye a csoportjába, ahol már a fiatal Wolfgang Pauli dolgozott, aki hamarosan Heisenberg közeli barátja lett.

München – Göttingen – Koppenhága (1920-1927)

Sommerfeld irányítása alatt Heisenberg az úgynevezett „régi kvantumelmélet” szellemében kezdett el dolgozni. Sommerfeld 1922-1923 telét a Wisconsini Egyetemen (USA) töltötte, és azt javasolta, hogy tanítványa Göttingenben dolgozzon Max Born mellett. Így kezdődött a két tudós közötti gyümölcsöző együttműködés. Meg kell jegyezni, hogy Heisenberg már 1922 júniusában ellátogatott Göttingenbe az úgynevezett „Bohr-fesztivál”, a Niels Bohr által az új atomfizikáról tartott előadássorozat idején. A fiatal fizikus még meg is ismerkedett a híres dánnal, és egyik sétája során elbeszélgetett vele. Mint Heisenberg később maga is felidézte, ez a beszélgetés nagy hatással volt nézeteinek és a tudományos problémákhoz való hozzáállásának alakítására. A különböző hatások szerepét életében így határozta meg: „Sommerfeldtől tanultam optimizmust, Göttingától matematikát, Bohrtól fizikát.

Heisenberg 1923 nyári félévére visszatért Münchenbe. Ekkorra már elkészítette a hidrodinamika néhány alapvető problémájával foglalkozó szakdolgozatát. A témát Sommerfeld javasolta, aki úgy gondolta, hogy egy klasszikusabb téma leegyszerűsítené a védekezést. A PhD fokozat megszerzéséhez azonban a szakdolgozat mellett három tárgyból szóbeli vizsgát is kellett tenni. Különösen nehéz volt a kísérleti fizikában egy olyan teszt, amelyre Heisenberg nem fordított nagy figyelmet. Végül nem tudott válaszolni Prof. Wilhelm Wien egyetlen kérdésére sem (a Fabry-Perot interferométer felbontásáról, a mikroszkópról, a távcsőről és az ólomakkumulátor elvéről), de Sommerfeld közbenjárásának köszönhetően mégis megkapta a legalacsonyabb jegyet, ami elegendő volt a diploma odaítéléséhez.

1923 őszén Heisenberg visszatért Göttingenbe Bornhoz, aki további asszisztensi állást biztosított számára. Born a következőképpen jellemezte új alkalmazottját:

Úgy nézett ki, mint egy egyszerű parasztfiú, rövid, szőke hajjal, tiszta, élénk szemekkel és bájos arckifejezéssel. Komolyabban végezte asszisztensi feladatait, mint Pauli, és nagy segítségemre volt. Érthetetlen gyorsasága és éles felfogóképessége mindig lehetővé tette, hogy kolosszális mennyiségű munkán túljusson különösebb erőfeszítés nélkül.

Göttingenben a fiatal tudós folytatta a Zeeman-effektus elméletével és más kvantumproblémákkal kapcsolatos munkáját, a következő évben pedig habilitált, és hivatalosan is engedélyt kapott előadások tartására. 1924 őszén Heisenberg először Koppenhágába jött, hogy Niels Bohr mellett dolgozzon. Szorosan együtt kezdett dolgozni Hendrik Kramersszel, és közös tanulmányt írt a kvantumdiszperzióelméletről.

1925 tavaszán Heisenberg visszatért Göttingenbe, és a következő hónapokban döntő előrelépést tett az első logikailag koherens kvantumelmélet, a mátrixmechanika megalkotásában. Ezt követően Born és Pascual Jordan segítségével tökéletesítették az elmélet formalizmusát. Az elmélet egy másik megfogalmazását, a hullámmechanikát Erwin Schrödinger adta meg, amely számos konkrét alkalmazást és az elmélet fizikai alapjainak mélyreható kidolgozását is ösztönözte. E tevékenység egyik eredménye volt Heisenberg 1927 elején megfogalmazott bizonytalansági elve.

1926 májusában Heisenberg Dániába költözött, és a Koppenhágai Egyetem docenseként és Niels Bohr asszisztenseként kezdte meg munkáját.

Lipcséből Berlinbe (1927-1945)

Heisenberg tudományos érdemei elismerésének eredményeként Lipcséből és Zürichből professzori meghívást kapott. A tudós Lipcsét választotta, ahol Peter Debye az egyetem fizikai intézetének igazgatója volt, és 1927 októberében elfoglalta az elméleti fizika professzori állását. További munkatársai Gregor Wentzel és Friedrich Hund voltak, első asszisztense pedig Guido Beck. Heisenberg számos feladatot látott el a tanszéken, előadásokat tartott az elméleti fizikáról, és hetente szemináriumot szervezett az atomelméletről, amelyet nemcsak a tudományos problémák intenzív megvitatása kísért, hanem baráti teadélutánok és időnként asztalitenisz-versenyek is (a fiatal professzor nagyon jól és nagy kedvvel játszott). Ahogy azonban Neville Mott és Rudolf Peierls életrajzírók rámutatnak, Heisenberg korai hírneve kevéssé befolyásolta személyes tulajdonságait:

Senki sem ítélte volna el, ha legalább két olyan döntő lépés megtétele után, amely megváltoztatta a fizika arculatát, és miután ilyen fiatalon professzor lett, ami miatt sok idősebb és kevésbé fontos ember is fontosnak érezte magát, elkezdi komolyan venni magát és kissé nagyképűvé válik, de ő maradt olyan, amilyen volt – kötetlen és vidám a bánásmódban, szinte fiús, és a félénkséggel határos szerénységgel rendelkezik.

Heisenberg első tanítványai Lipcsében jelentek meg, és itt hamarosan jelentős tudományos iskola alakult ki. Az elméleti csoport tagjai között volt Felix Bloch, Hugo Fano, Erich Hückel, Robert Mulliken, Rudolf Peierls, Georg Placzek, John Slater és Edward Teller, Tissa László, 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 és sokan mások. Bár a professzor általában nem ment bele diákjai munkájának matematikai részleteibe, gyakran segített tisztázni a vizsgált probléma fizikai természetét. Felix Bloch, Heisenberg első tanítványa (és későbbi Nobel-díjas) a következőképpen jellemezte mentora pedagógiai és tudományos kvalitásait

Ha egyetlen nagyszerű tanári tulajdonságát kellene kiemelnem, akkor az a rendkívül pozitív hozzáállása lenne minden fejlődéshez és az ezzel kapcsolatos bátorítása. …Heisenberg egyik legszembetűnőbb tulajdonsága az a szinte félreérthetetlen intuíció volt, amellyel egy fizikai problémát megközelített, és az a fenomenális mód, ahogyan a megoldások az égből hullottak.

1933-ban Heisenberg megkapta az előző évi fizikai Nobel-díjat „a kvantummechanika megalkotásáért, amelynek alkalmazásai többek között a hidrogén allotróp formáinak felfedezéséhez vezettek” megfogalmazással. Öröme ellenére a tudós értetlenségét fejezte ki amiatt, hogy kollégái, Paul Dirac és Erwin Schrödinger ugyanazt a díjat (1933-ért) ketten kapták, míg Max Bornt a Nobel-bizottság teljesen figyelmen kívül hagyta. 1937 januárjában megismerkedett egy fiatal nővel, Elisabeth Schumacherrel (1914-1998), egy berlini közgazdászprofesszor lányával, akit áprilisban feleségül vett. A következő évben megszülettek az ikrek, Wolfgang és Anna-Mária. Összesen hét gyermekük született, akik közül néhányan szintén a tudományok iránt érdeklődtek: Martin Heisenberg genetikus, Jochen Heisenberg fizikus, Anna-Marie és Verena pedig fiziológusok lettek.

Ekkorra Németországban a politikai helyzet gyökeresen megváltozott: Hitler került hatalomra. Heisenberget, aki úgy döntött, hogy az országban marad, hamarosan megtámadták az úgynevezett „zsidó fizika” ellenzői, amelybe a kvantummechanika és a relativitáselmélet is beletartozott. Mindazonáltal a tudós az 1930-as években és az 1940-es évek elején termékenyen dolgozott az atommagelmélet, a kozmikus sugárzás fizikája és a kvantumtérelmélet problémáin. 1939-től a német nukleáris projekt egyik vezetőjeként vett részt, 1942-ben pedig a berlini egyetem fizikaprofesszorává és a Kaiser Wilhelm Társaság Fizikai Intézetének vezetőjévé nevezték ki.

A háború utáni időszak (1946-1976)

Az Epsilon hadművelet során tíz német tudóst (köztük Heisenberget), akik a náci Németországban nukleáris fegyvereken dolgoztak, a szövetséges erők őrizetbe vettek. A tudósokat 1945. május 1. és június 30. között fogták el, és az angliai Cambridge közelében lévő Godmanchesterben található Farm Hallba, egy lehallgatott épületbe vitték őket. Azért tartották őket ott 1945. július 3. és 1946. január 3. között, hogy megállapítsák, milyen közel vannak a németek az atombomba megépítéséhez.

1946 elején B. K. Blount ezredes, a brit megszállási övezet katonai kormányának tudományos osztályának tagja meghívta Heisenberget és Otto Hahnt Göttingenbe, ahol a tudomány újjáélesztése kezdődött a lepusztult Németországban. A tudósok nagy figyelmet szenteltek a szervezési munkának, először a Tudományos Tanácson belül, majd a Max Planck Társaságban, amely a Kaiser Wilhelm Társaság helyébe lépett. 1949-ben, a BRD megalakulása után Heisenberg lett a Német Kutatási Társaság első elnöke, amely az ország tudományos munkáját hivatott elősegíteni. Az Atomfizikai Bizottság vezetőjeként ő volt az egyik kezdeményezője a németországi atomreaktorokkal kapcsolatos munkának. Heisenberg ugyanakkor ellenezte, hogy az Adenauer-kormány atomfegyvereket szerezzen be. 1955-ben aktív szerepet játszott a tizenhat Nobel-díjas által aláírt úgynevezett Mainaui Nyilatkozat, majd két évvel később a tizennyolc német tudós által aláírt Göttingeni Kiáltvány megszületésében. 1958-ban aláírta a Linus Pauling által kezdeményezett, az ENSZ főtitkárához intézett felhívást, amelyben a nukleáris kísérletek betiltását követelte. E tevékenység távoli eredménye volt a BRD csatlakozása a nukleáris fegyverek elterjedésének megakadályozásáról szóló szerződéshez.

Heisenberg aktívan támogatta a CERN létrehozását, és részt vett számos bizottságában. Ő volt a Tudománypolitikai Bizottság első elnöke, és részt vett a CERN fejlődésének irányának meghatározásában. Ezzel egy időben Heisenberg a Max-Planck Fizikai Intézet igazgatója volt, amely 1958-ban Göttingenből Münchenbe költözött, és átnevezték Max-Planck-Institut für Physik-ra. A tudós 1970-es nyugdíjba vonulásáig állt az intézmény élén. Befolyását felhasználva új intézeteket hozott létre a Társaságon belül: a Karlsruhei Kutatóközpontot (ma a Karlsruhei Egyetem része), a Max-Planck-Institut für Plasmaphysikot és a Földönkívüli Fizikai Intézetet. 1953-ban ő lett a háború utáni első elnöke az Alexander von Humboldt Alapítványnak, amelynek célja a Németországban dolgozni kívánó külföldi tudósok támogatása volt. Heisenberg két évtizeden át töltötte be ezt a pozíciót, és biztosította az alapítvány autonómiáját és struktúráját, amely mentes volt a kormányzati ügynökségek bürokratikus hiányosságaitól.

Számos adminisztratív és társadalmi feladata ellenére a tudós folytatta tudományos munkásságát, az utóbbi években az egységes mezőelmélet kidolgozására tett kísérletekre összpontosítva. A göttingeni csoportban különböző időszakokban többek között Karl von Weizsäcker, Kazuhiko Nishijima, Harry Lehmann, Gerhart Lueders, Reinhard Oehme, Walter Thierring, Bruno Zumino, Hans-Peter Dürr és mások voltak a társai. Visszavonulása után Heisenberg elsősorban a természettudomány általános vagy filozófiai kérdéseiről beszélt. 1975-ben egészségi állapota romlani kezdett, és 1976. február 1-jén meghalt. A neves fizikus, Eugene Wigner írt erről az alkalomról:

Nincs még élő elméleti fizikus, aki nála nagyobb mértékben járult volna hozzá tudományunkhoz. Ugyanakkor mindenkivel barátságos volt, mentes volt az arroganciától, és kellemes társaságban volt.

A régi kvantumelmélet

Az atomfizikában az 1920-as évek eleje volt az úgynevezett „régi kvantumelmélet” ideje, amely eredetileg Niels Bohr elképzelésein alapult, és amelyet Sommerfeld és más tudósok munkája során fejlesztettek tovább. Az új eredmények elérésének egyik fő módszere a Bohr-féle megfelelési elv volt. Számos siker ellenére számos kérdést még nem sikerült kielégítően megoldani, mint például a több kölcsönhatásban lévő részecske problémáját vagy a térbeli kvantálás problémáját. Ráadásul maga az elmélet nem volt következetes: Newton klasszikus törvényei csak az elektron álló pályáira voltak alkalmazhatók, míg az elektronok közötti átmenetet nem lehetett ezen az alapon leírni.

Sommerfeld, aki tisztában volt mindezekkel a nehézségekkel, megbízta Heisenberget, hogy dolgozzon az elméleten. Első, 1922 elején megjelent tanulmánya a Zeeman-effektus fenomenológiai modelljéről szólt. Ez a munka, amely a valenciaelektronokkal kölcsönhatásban lévő atomi váz merész modelljét javasolta, és bevezette a félig egész számú kvantumszámokat, azonnal az elméleti spektroszkópia egyik vezetőjévé tette a fiatal tudóst. A későbbi dolgozatok a spektrális vonalak szélességét és intenzitását, valamint zeemani komponenseiket tárgyalták a megfelelési elv alapján. A Max Bornnal közösen írt dolgozatok a többelektronos atomok elméletének általános problémáit vizsgálták (a klasszikus perturbációelmélet keretein belül), elemezték a molekulák elméletét, és javaslatot tettek az energiájukban eltérő molekulán belüli mozgások hierarchiájára (molekuláris forgások és rezgések, elektronikus gerjesztések), értékelték az atomok polarizálhatósági értékeit, és megállapították, hogy szükséges a fél egész kvantumszámok bevezetése. Az anomális Zeeman-effektus figyelembevételéből következett a kvantumviszonyok egy másik módosítása, amely abban állt, hogy az atom kvantumállapotainak két fél egész értékű szögimpulzus kvantumszámot tulajdonítottak (ezt a módosítást később az elektronspin jelenlétével magyarázták). Ez a munka Born javaslatára Habilitationsschriftként szolgált, azaz a Heisenberg által 22 éves korában a Göttingeni Egyetemen megszerzett habilitáció alapjául.

A Hendrik Kramersszel Koppenhágában írt közös munka a diszperzióelmélet olyan megfogalmazását tartalmazta, amely Born és Kramers újabb eredményeit általánosította. Ennek eredményeképpen kvantumelméleti analóg diszperziós képleteket kaptunk az atom polarizálhatóságára egy adott stacionárius állapotban, figyelembe véve a magasabb és alacsonyabb állapotokba való átmenetek lehetőségét. Ez az 1925 elején megjelent fontos munka a kvantummechanika első megfogalmazásának közvetlen előfutára volt.

Mátrix mechanika létrehozása

Heisenberg nem volt elégedett az elmélet jelenlegi állapotával, amely a klasszikus fizikán belül minden egyes probléma megoldását, majd a megfelelési elv segítségével történő lefordítását igényelte a kvantumnyelvre. Ez a megközelítés nem mindig vezetett eredményre, és nagymértékben a kutató intuíciójától függött. 1925 tavaszán Heisenberg egy szigorú és logikailag konzisztens formalizmust keresve úgy döntött, hogy elhagyja a régi leírást, és az úgynevezett megfigyelhető mennyiségek leírásával helyettesíti. Ezt az elképzelést befolyásolta Albert Einstein munkássága, aki a megfigyelhetetlen newtoni abszolút idő helyett az idő relativisztikus meghatározását adta. (Einstein azonban már 1926 áprilisában, egy Heisenberggel folytatott magánbeszélgetésben megjegyezte, hogy az elmélet határozza meg, hogy mely mennyiségek megfigyelhetőek és melyek nem.) Heisenberg elvetette az atomban lévő elektron helyzetére és impulzusára vonatkozó klasszikus fogalmakat, és a rezgések frekvenciáját és amplitúdóját vette figyelembe, amelyeket optikai kísérletből lehet meghatározni. Sikerült ezeket a mennyiségeket komplex számok halmazaként ábrázolnia, és megadnia szorzásuk szabályát, amely nem kommutatívnak bizonyult, majd a kidolgozott módszert az anharmonikus oszcillátor problémájára alkalmazta. A harmonikus oszcillátor egy adott esetére természetesen következett az úgynevezett „nullponti energia” létezése. Így a megfelelési elv beépült a kidolgozott matematikai rendszer alapjaiba.

Heisenberg 1925 júniusában Helgoland szigetén kapta meg a megoldást, ahol éppen egy szénanáthás rohamból lábadozott. Amikor visszatért Göttingenbe, eredményeit „A kinematikai és mechanikai összefüggések kvantumelméleti értelmezéséről” című tanulmányában írta le, és elküldte Wolfgang Paulinak. Miután Heisenberg megszerezte az utóbbi jóváhagyását, a dolgozatot átadta Bornnak a Zeitschrift für Physik című folyóiratban való közzétételre, ahol 1925. július 29-én meg is jelent. Born hamarosan rájött, hogy a fizikai mennyiségeket reprezentáló számhalmazok nem mások, mint mátrixok, és hogy Heisenberg szabálya ezek szorzására a mátrixszorzási szabály.

Általában véve a mátrixmechanika meglehetősen passzív fogadtatásra várt a fizikusok körében, akik kevéssé voltak jártasak a mátrixok matematikai formalizmusában, és akiket az elmélet rendkívüli absztraktsága elriasztott. Csak néhány tudós figyelt oda Heisenberg cikkére. Niels Bohr például azonnal elismerően nyilatkozott róla, és kijelentette, hogy „a mechanika és a matematika kölcsönös ösztönzésének új korszaka kezdődött”. A mátrixmechanika első szigorú megfogalmazását Born és Pascual Jordan adta meg „A kvantummechanikáról” című, 1925 szeptemberében elkészült közös munkájukban. Megkapták az alapvető permutációs összefüggést (kvantumfeltételt) a koordináta- és impulzusmátrixokra. Heisenberg hamarosan bekapcsolódott ebbe a kutatásba, amely a híres „háromfős munkában” (Drei-Männer Arbeit) csúcsosodott ki, amelyet 1925 novemberében fejezett be. Bemutatott egy általános módszert a mátrixmechanika keretein belüli problémák megoldására, különös tekintettel a tetszőleges számú szabadsági fokú rendszerek figyelembevételére, a kanonikus transzformációk bevezetésére, a kvantummechanikai perturbációelmélet alapjainak ismertetésére, a szögimpulzus kvantálás problémájának megoldására, a kiválasztási szabályok tárgyalására és számos más kérdésre.

A mátrixmechanika további módosításai két fő irányvonalon haladtak: a mátrixok operátorok formájában történő általánosítása, amelyet Born és Norbert Wiener hajtott végre, valamint az elmélet algebrai formában történő ábrázolása (a Hamilton-formalizmuson belül), amelyet Paul Dirac dolgozott ki. Ez utóbbi sok évvel később felidézte, hogy a mátrixmechanika megjelenése milyen ösztönzőleg hatott az atomfizika további fejlődésére:

A legnyomósabb okom van arra, hogy Werner Heisenberg csodálója legyek. Egy időben tanultunk, majdnem egyidősek voltunk, és ugyanazon a problémán dolgoztunk. Heisenbergnek sikerült, ami nekem nem sikerült. Ekkorra már hatalmas mennyiségű spektroszkópiai anyag gyűlt össze, és Heisenberg megtalálta a helyes utat az útvesztőjében. Ezzel az elméleti fizika aranykorát nyitotta meg, és hamarosan még egy másodrangú diák is képes volt első osztályú munkát végezni.

A bizonytalanságok aránya

1926 elején kezdett nyomtatásban megjelenni Erwin Schrödinger hullámmechanikai munkája, amely az atomi folyamatokat a szokásos folytonos differenciálegyenletek formájában írta le, és amely, mint hamarosan kiderült, matematikailag azonos volt a mátrix formalizmussal. Heisenberg kritikusan viszonyult az új elmélethez, és különösen annak eredeti értelmezéséhez, amely elektromos töltést hordozó valós hullámokkal foglalkozott. És még a hullámfüggvény Born-féle valószínűségszámítás megjelenése sem oldotta meg a formalizmus értelmezésének problémáját, azaz a benne használt fogalmak jelentésének tisztázását. A probléma megoldásának szükségessége különösen világossá vált 1926 szeptemberében, Schrödinger koppenhágai látogatása után, ahol Bohr és Heisenberg hosszú vitájában megvédte az atomi jelenségek folytonosságáról alkotott képet, és bírálta a diszkréció és a kvantumugrások fogalmát.

Heisenberg elemzésének kiindulópontja annak felismerése volt, hogy a klasszikus fogalmakat (mint például a „koordináta” és az „impulzus”) úgy kell kiigazítani, hogy azok a mikrofizikában is használhatók legyenek, ahogyan a relativitáselmélet kiigazította a tér és az idő fogalmát, és ezzel értelmet adott a Lorentz-transzformáció formalizmusának. A helyzetből úgy talált kiutat, hogy korlátot szabott a klasszikus fogalmak használatának, amit matematikailag a bizonytalansági reláció formájában fejezett ki: „minél pontosabban határozzuk meg a pozíciót, annál kevésbé pontosan ismerjük a lendületet, és fordítva”. Következtetéseit egy híres, gamma-mikroszkóppal végzett mentális kísérlettel bizonyította. Heisenberg 14 oldalas levélben ismertette eredményeit Paulihoz, aki dicsérte azokat. A norvégiai nyaralásból visszatért Bohr nem volt teljesen elégedett, és számos észrevételt tett, de Heisenberg nem volt hajlandó változtatni a szövegén, Bohr javaslatait egy utószóban említette. A Zeitschrift für Physik szerkesztőségéhez 1927. március 23-án érkezett meg a bizonytalansági elvet részletező „A kvantumelméleti kinematika és mechanika szemléltető tartalmáról” című cikk.

A bizonytalansági elv nemcsak a kvantummechanika értelmezésének kialakításában játszott fontos szerepet, hanem számos filozófiai problémát is felvetett. Bohr összekapcsolta az addicionalitás általánosabb fogalmával, amelyet ugyanebben az időben fejlesztett ki: a bizonytalansági relációkat annak a határnak a matematikai kifejezéseként értelmezte, ameddig egymást kizáró (kiegészítő) fogalmak lehetségesek. Továbbá Heisenberg cikke felhívta a fizikusok és filozófusok figyelmét a mérés fogalmára, valamint a szerző által javasolt új, szokatlan kauzalitás-értelmezésre: „… a kauzalitás törvényének erős megfogalmazásában: ‘ha valaki pontosan ismeri a jelent, megjósolhatja a jövőt’, a premissza téves, nem a következtetés. Elvileg nem ismerhetjük a jelent annak minden részletében”. Később, 1929-ben bevezette a kvantumelméletbe a „hullámcsomag összeomlása” kifejezést, amely a kvantummechanika úgynevezett „koppenhágai értelmezésének” egyik alapfogalma lett.

A kvantummechanika alkalmazásai

A kvantummechanika megjelenése (először mátrix-, majd hullámformában), amelyet a tudományos közösség azonnal felismert, gyors előrehaladást serkentett a kvantumfogalmak fejlesztésében, számos konkrét probléma megoldásával. Maga Heisenberg 1926 márciusában Jordannal közösen írt egy tanulmányt, amelyben az anomális Zeeman-effektust az elektronok spinjére vonatkozó Gaudsmit- és Uhlenbeck-hipotézis segítségével magyarázta meg. Későbbi, már a Schrödinger-formalizmust alkalmazó munkáiban többrészecske-rendszerekkel foglalkozott, és kimutatta az állapotszimmetria jelentőségét a hélium (a para- és ortohélium kifejezések), a lítiumionok és a kétkróm-molekulák spektrális jellemzőinek megértésében, ami a hidrogén két allotróp formájának – orto- és para-hidrogén – létezésére engedett következtetni. Valójában Heisenberg ettől függetlenül jutott el a Fermi-Dirac-statisztikához a Pauli-elvnek megfelelő rendszerekre.

1928-ban Heisenberg lefektette a ferromágnesesség kvantumelméletének alapjait (Heisenberg-modell), az elektronok közötti csereerők fogalmával magyarázva a Pierre Weiss által 1907-ben bevezetett úgynevezett „molekuláris mezőt”. Ebben az esetben kulcsszerepet játszott az elektronok spinjeinek relatív iránya, amely meghatározta a hullámfüggvény térbeli részének szimmetriáját, és így befolyásolta az elektronok térbeli eloszlását és a köztük lévő elektrosztatikus kölcsönhatást. Az 1940-es évek második felében Heisenberg sikertelen kísérletet tett egy olyan szupravezetési elmélet megalkotására, amely csak az elektronok közötti elektrosztatikus kölcsönhatást vette figyelembe.

Kvantum elektrodinamika

1927 végétől Heisenberget a fő probléma, amely foglalkoztatta, a kvantum-elektrodinamika megalkotása volt, amely nemcsak a kvantált elektromágneses mező jelenlétét, hanem annak relativisztikus töltött részecskékkel való kölcsönhatását is figyelembe veszi. A relativisztikus elektronra vonatkozó Dirac-egyenlet, amely 1928 elején jelent meg, egyrészt a helyes utat mutatta, másrészt azonban számos, megoldhatatlannak tűnő problémát vetett fel – az elektron saját energiájának problémáját, amely a részecske tömegéhez képest végtelenül nagy adalék megjelenésével függött össze, valamint a negatív energiájú állapotok problémáját. A Heisenberg által Paulival közösen végzett kutatás holtpontra jutott, és átmenetileg felhagyott vele, és a ferromágnesesség elméletével foglalkozott. Csak 1929 elején sikerült továbblépniük a relativisztikus elmélet általános rendszerének felépítésében, amelyet az év márciusában elkészült tanulmányban vázoltak fel. A javasolt séma a relativisztikusan invariáns Lagrange-elméletet tartalmazó klasszikus mezőelmélet kvantálási eljárásán alapult. A tudósok ezt a formalizmust egy elektromágneses mezőt és egymással kölcsönhatásban lévő anyaghullámokat tartalmazó rendszerre alkalmazták. A következő, 1930-ban megjelent tanulmányban jelentősen leegyszerűsítették az elméletet, felhasználva a Hermann Weyl híres matematikussal folytatott kommunikációból származó szimmetriatanulmányokat. Ez mindenekelőtt a mérőinvariánssal kapcsolatos megfontolásokat érintette, amelyek lehetővé tették, hogy megszabaduljunk az eredeti megfogalmazás néhány mesterséges konstrukciójától.

Bár Heisenberg és Pauli kísérlete a kvantumelektrodinamika megalkotására jelentősen kiterjesztette az atomelmélet határait, és számos ismert eredményt tartalmazott, nem tudta kiküszöbölni a pontelektron végtelen sajátenergiájával kapcsolatos eltéréseket. A probléma megoldására később tett minden kísérlet, beleértve az olyan radikális kísérleteket is, mint a térkvantálás (rácsmodell), sikertelen volt. A megoldást jóval később, a renormálási elmélet keretében találták meg.

1932-től Heisenberg nagy figyelmet szentelt a kozmikus sugárzás jelenségének, amely szerinte lehetőséget adott az elméleti elképzelések komoly ellenőrzésére. Carl Anderson a kozmikus sugárzásban fedezte fel a korábban Dirac által megjósolt pozitront (Dirac „lyukát”). 1934-ben Heisenberg kidolgozta a lyukelméletet, amikor a kvantumelektrodinamika formalizmusába bevonta a pozitronokat. Ugyanakkor Dirachoz hasonlóan ő is a vákuum-polarizáció jelenségének létezését tételezte fel, és 1936-ban Hans Eulerrel együtt kiszámította a Maxwell-egyenletek e hatáshoz kapcsolódó kvantumkorrekcióit (az úgynevezett Heisenberg-Euler Lagrange-egyenletet).

Nukleáris fizika

1932-ben, nem sokkal azután, hogy James Chadwick felfedezte a neutront, Heisenberg felvetette az atommag proton-neutron szerkezetének gondolatát (valamivel korábban Dmitrij Ivanenko már önállóan felvetette), és három cikkben megpróbálta megalkotni egy ilyen atommag kvantummechanikai elméletét. Bár ez a hipotézis megoldotta a korábbi (proton-elektron) modell számos nehézségét, a béta-bomlási folyamatokban kibocsátott elektronok eredete, a magrészecskék statisztikájának néhány jellemzője és a nukleonok közötti erők természete továbbra is tisztázatlan maradt. Heisenberg úgy próbálta tisztázni ezeket a kérdéseket, hogy feltételezte a protonok és a neutronok közötti csere kölcsönhatások létezését az atommagban, amelyek hasonlóak a proton és a hidrogénatom közötti, a hidrogén molekulaiont alkotó erőkhöz. Ez a kölcsönhatás a neutron és a proton között kicserélt elektronokon keresztül kellene, hogy létrejöjjön, de ezeknek a magelektronoknak „rossz” tulajdonságokat kellett tulajdonítani (különösen, hogy spin nélkülieknek, azaz bozonoknak kellene lenniük). A neutronok közötti kölcsönhatást a hidrogénmolekulában lévő két semleges atom közötti kölcsönhatáshoz hasonlóan írták le. A tudós itt fogalmazta meg először a nukleonok közötti töltéscserével és a nukleáris erők töltésfüggetlenségével kapcsolatos izotópinvariánsság gondolatát. Ettore Majorana továbbfejlesztette ezt a modellt, és felfedezte a nukleáris erők telítődési hatását.

Az Enrico Fermi által kidolgozott béta-bomlás elméletének 1934-es megjelenése után Heisenberg részt vett annak kiterjesztésében, és felvetette, hogy a magerők nem az elektronok, hanem az elektron-neutrínó párok cseréjéből keletkeznek (ettől függetlenül ezt az elképzelést Ivanenko, Igor Tamm és Arnold Nordsik dolgozta ki). Ennek a kölcsönhatásnak a nagysága azonban sokkal kisebb volt, mint amit a kísérlet mutatott. Mindazonáltal ez a modell (néhány kiegészítéssel) domináns maradt egészen Hideki Yukawa elméletének megjelenéséig, amely a neutronok és protonok atommagban való kölcsönhatását lehetővé tevő nehezebb részecskék létezését tételezte fel. 1938-ban Heisenberg és Euler módszereket dolgozott ki a kozmikus sugárzás abszorpciós adatainak elemzésére, és képesek voltak először megbecsülni a sugárzás kemény komponenséhez tartozó részecske („mezotron”, vagy mezon, ahogy később nevezték) élettartamát, amelyet először a feltételezett Yukawa-részecskével hoztak összefüggésbe. A következő évben Heisenberg elemezte az elemi részecskék kölcsönhatásaira vonatkozó, a perturbációelméleten alapuló, meglévő kvantumelméletek korlátait, és megvitatta annak lehetőségét, hogy ezeken az elméleteken túlmutatva a kozmikus sugárzásban elérhető nagy energiatartományba lépjenek. Ezen a területen lehetséges a többszörös részecskék születése a kozmikus sugárzásban, amit a vektoros mezonok elméletének keretében vizsgált.

Kvantumtérelmélet

Egy 1942 szeptembere és 1944 májusa között írt három tanulmányban Heisenberg radikális megoldást javasolt a kvantumtérelmélet divergenciájának megszüntetésére. Az alapvető hosszúság (a tér kvantumának) gondolata arra késztette, hogy felhagyjon a folytonos Schrödinger-egyenlettel való leírással. Visszatért a megfigyelhető értékek fogalmához, amelyek közötti kapcsolatoknak kell egy jövőbeli elmélet alapját képezniük. Az e mennyiségek közötti összefüggésekre, amelyekhez egyedüliként a stacionárius állapotok energiáit és a hullámfüggvény aszimptotikus viselkedését említette a szórási, abszorpciós és emissziós folyamatokban, bevezette (függetlenül John Wheeler-től, aki 1937-ben tette ezt) az S-mátrix (szórásmátrix) fogalmát, azaz egy olyan operátort, amely a beeső hullámfüggvényt szórt hullámfüggvénnyé alakítja át. Heisenberg elképzelése szerint az S-mátrixnak a jövőbeni elméletben a Hamiltoniánus helyébe kellett volna lépnie. A háborús körülmények között a tudományos információcsere nehézségei ellenére a szórásmátrix-elméletet hamarosan számos tudós (Ernst Stückelberg Genfben, Hendrik Kramers Leidenben, Christian Møller Koppenhágában, Pauli Princetonban) felkarolta, és hozzálátott a formalizmus továbbfejlesztéséhez és fizikai vonatkozásainak tisztázásához. Idővel azonban világossá vált, hogy ez az elmélet a maga tiszta formájában nem válhat a közönséges kvantumtérelmélet alternatívájává, de azon belül az egyik hasznos matematikai eszköz lehet. Különösen a kvantumelektrodinamika Feynman-féle formalizmusában használják (módosított formában). Az S-mátrix fogalma, kiegészítve számos feltétellel, központi helyet foglalt el az úgynevezett axiomatikus kvantumtérelmélet megfogalmazásában, majd később a húrelmélet kidolgozásában.

A háború utáni időszakban, az újonnan felfedezett elemi részecskék számának növekedésével felmerült a probléma, hogy ezeket a lehető legkevesebb mezővel és kölcsönhatással írják le, a legegyszerűbb esetben egyetlen mezővel (ekkor beszélhetünk „egységes mezőelméletről”). Körülbelül 1950 óta Heisenberg tudományos munkásságának középpontjában az a probléma állt, hogy megtalálja a megfelelő egyenletet egyetlen mező leírására. Megközelítése a Dirac-egyenlet nemlineáris általánosításán és a közönséges kvantummechanika alkalmazhatóságát korlátozó (a klasszikus elektron sugarának nagyságrendjébe eső) alapvető hossz jelenlétén alapult. Ezt az irányt, amely azonnal félelmetes matematikai problémákkal és a hatalmas mennyiségű kísérleti adat befogadásának szükségességével szembesült, a tudományos közösség általában szkeptikusan fogadta, és szinte kizárólag Heisenberg csoportjában fejlesztették tovább. Bár a siker elmaradt, és a kvantumelmélet fejlődése többnyire más utakon haladt, a német tudós munkáiban megjelenő néhány gondolat és módszer szerepet játszott a továbbfejlődésben. Különösen a neutrínónak a spontán szimmetriatörés eredményeként keletkező Goldstone-részecskeként való ábrázolása befolyásolta a szuperszimmetria koncepciójának kialakulását.

Hidrodinamika

Heisenberg az 1920-as évek elején kezdett el foglalkozni a hidrodinamika alapvető problémáival, első dolgozatában Theodore von Karman nyomán megpróbálta meghatározni a mozgó lemez mögött fellépő örvénycsóva paramétereit. Doktori disszertációjában a lamináris áramlás stabilitását és a turbulencia természetét vizsgálta két síkban párhuzamos lemez közötti folyadékáramlás példáján. Sikerült megmutatnia, hogy a lamináris áramlás, amely alacsony Reynolds-számoknál (egy kritikus érték alatt) stabil, eleinte instabillá válik, de nagyon magas értékeknél a stabilitás növekszik (csak a hosszúhullámú perturbációk instabilak). Heisenberg 1945-ben tért vissza a turbulencia problémájához, amikor Angliában internálták. A statisztikai mechanikán alapuló megközelítést dolgozott ki, amely nagyban megegyezett a Geoffrey Taylor, Andrej Kolmogorov és más tudósok által kidolgozott elképzelésekkel. Különösen azt tudta megmutatni, hogyan történik az energiacsere a különböző méretű örvények között.

Kapcsolat a náci rezsimmel

Nem sokkal azután, hogy Hitler 1933 januárjában hatalomra került, megkezdődött a politika durva behatolása a bevett egyetemi életbe azzal a céllal, hogy „megtisztítsa” a tudományt és az oktatást a zsidóktól és más nemkívánatos elemektől. Heisenberget, sok kollégájához hasonlóan, sokkolta az új rendszer puszta antiintellektualizmusa, amely a német tudomány gyengülését jelentette. Eleinte azonban még hajlott arra, hogy az országban végbemenő változások pozitív vonásait hangsúlyozza. Úgy tűnik, a német reneszánsz és a német kultúra náci retorikája azért vonzotta őt, mert közel állt az első világháború utáni ifjúsági mozgalom által képviselt romantikus eszmékhez. Ráadásul, ahogy David Cassidy, a tudós életrajzírója megjegyzi, a passzivitás, amellyel Heisenberg és kollégái a változásokat érzékelték, valószínűleg azzal a hagyománnyal függött össze, hogy a tudományt politikán kívüli intézménynek tekintették.

Heisenberg, Max Planck és Max von Laue sikertelenül próbálták megváltoztatni a zsidó tudósokkal szembeni politikát, vagy legalábbis enyhíteni annak hatásait személyes kapcsolatok és a hivatalos bürokratikus csatornákon keresztül benyújtott petíciók révén. 1933 őszétől a „nem árják”, a nők és a baloldali nézeteket valló személyek nem taníthattak. 1938-tól a leendő oktatóknak bizonyítaniuk kellett politikai alkalmasságukat. Ebben a helyzetben Heisenberg és munkatársai, a német fizika megőrzését elsődlegesnek tekintve, kísérletet tettek arra, hogy a megüresedett állásokat német vagy akár külföldi tudósokkal pótolják, amit a tudományos közösség negatívan fogadott, és nem is érte el a célját. A végső megoldás az volt, hogy tiltakozásul lemond, de Planck lebeszélte Heisenberget arról, hogy a Németországra a jövőben váró katasztrófa ellenére a fizika túlélésének fontosságára hívta fel a figyelmet.

Az a vágy, hogy megőrizzék apolitikus álláspontjukat, nemcsak megakadályozta Heisenberget és más tudósokat abban, hogy ellenálljanak az egyetemi körökben egyre erősödő antiszemitizmusnak, hanem hamarosan maguk is komoly támadásoknak voltak kitéve az „árja fizikusok” részéről. 1935-ben felerősödtek a támadások a „zsidó fizika” ellen, amely a relativitáselméletet és a kvantummechanikát is magában foglalta. Ezeket a hivatalos sajtó által támogatott akciókat a náci rezsim aktív támogatói, a Nobel-díjas Johannes Stark és Philipp Lenard irányították. Arnold Sommerfeld lemondása, aki híres tanítványát választotta utódjául a müncheni egyetem professzorának, támadásokat váltott ki Heisenberg ellen, akit Stark 1935 decemberében „Geist von Einsteins Geist”-nek (németül: Geist von Einsteins Geist) bélyegzett. A tudós a Völkischer Beobachter című náci pártlapban válaszlevelet tett közzé, amelyben felszólított, hogy fordítsanak nagyobb figyelmet az alapvető fizikai elméletekre. 1936 tavaszán Heisenbergnek Hans Geigerrel és Max Wiennel együtt 75 professzor aláírását sikerült összegyűjtenie egy petícióhoz, amely ezt a felhívást támogatta. Úgy tűnt, hogy ezek az ellenintézkedések a császári oktatási minisztériumot a tudósok oldalára állítják, de 1937. július 15-én a helyzet ismét megváltozott. Ezen a napon a Das Schwarze Korps című hivatalos SS-újságban Stark „Fehér zsidók a tudományban” („Weisse Juden” in der Wissenschaft) címmel nagyszabású cikket jelentetett meg, amelyben azt hirdette, hogy a német fizikából ki kell irtani a „zsidó szellemet”. Heisenberget személyesen azzal fenyegették, hogy koncentrációs táborba küldik, és „a fizika Osieckijének” nevezték el. Annak ellenére, hogy ebben az időben számos külföldi meghívást kapott, Heisenberg nem volt hajlandó elhagyni az országot, és úgy döntött, hogy tárgyal a kormánnyal. David Cassidy a következő képet adta erről a nehéz döntésről

Ha a rendszer visszaállította volna felsőbbségi státuszát, elfogadta volna a megkövetelt kompromisszumokat, ráadásul meggyőződött volna az új igazolás igazságosságáról: azzal a személyes áldozattal, hogy pozíciójában maradt, tulajdonképpen megvédte a helyes német fizikát a nemzetiszocializmus torzításától.

Az általa választott irányvonalat követve Heisenberg két hivatalos levelet fogalmazott meg – a Birodalmi Oktatási Minisztériumhoz és Heinrich Himmler SS Reichsführerhez -, amelyben hivatalos választ követelt Stark és támogatói fellépésére. A levelekben kijelentette, hogy ha a támadásokat a hatóságok hivatalosan jóváhagyják, akkor lemond a posztjáról, ha nem, akkor kormányzati védelmet kér. A tudós édesanyjának Himmler édesanyjával való ismeretségének köszönhetően a levél célba ért. Majdnem egy évbe telt azonban, amely alatt Heisenberget a Gestapo kihallgatta, otthoni beszélgetéseit lehallgatták és tettei után kémkedtek, mire pozitív választ kapott egy magas rangú birodalmi tisztviselőtől. A müncheni professzori posztot mégis egy másik, párthűségesebb jelölt kapta meg.

Az uránprojekt kezdete. Utazás Koppenhágába

A Heisenberg és a náci vezetés között létrejött kompromisszumot Cassidy képletesen fausti alkuként írta le. Egyrészt az „árja fizikusok” elleni siker és a tudós nyilvános rehabilitációja azt jelentette, hogy elismerik a jelentőségét (és kollégáiét) az ország fizikaoktatásának és -kutatásának magas szinten tartásában. A kompromisszum másik oldala a német tudósok (köztük Heisenberg) hajlandósága volt arra, hogy együttműködjenek a hatóságokkal, és részt vegyenek a Harmadik Birodalom katonai fejlesztéseiben. Ez utóbbi jelentősége különösen megnőtt a második világháború kitörésével, nemcsak a hadsereg, hanem maguk a tudósok számára is, mivel a hadsereggel való együttműködés megbízható védelmet jelentett a frontra való behívás ellen. Heisenberg beleegyezésének, hogy a náci kormánynak dolgozzon, volt egy másik oldala is, amelyet Mott és Peierls a következőképpen fogalmazott meg:

…Joggal feltételezhető, hogy azt akarta, hogy Németország megnyerje a háborút. A náci rezsim számos aspektusát nem fogadta el, de hazafi volt. Ha azt kívánta volna, hogy hazája vereséget szenvedjen, az sokkal lázadóbb nézeteket feltételezett volna, mint amilyeneket ő vallott.

A hadsereg vezetése már 1939 szeptemberében támogatta az úgynevezett „Uránklub” (Uranverein) létrehozását, hogy alaposabban feltárja az urán nukleáris hasadásának felhasználási lehetőségeit, amelyet Otto Hahn és Fritz Strassmann fedezett fel 1938 végén. Heisenberg is meghívást kapott a probléma egyik első, 1939. szeptember 26-i megbeszélésére, ahol felvázolták a projekt vázlatát és az atomenergia katonai alkalmazásának lehetőségét. A tudósnak az volt a feladata, hogy elméletileg megvizsgálja az „urángép”, ahogy akkoriban az atomreaktort nevezték, működését. 1939 decemberében benyújtotta első titkos jelentését, amelyben elméleti elemzést készített a maghasadással történő energiatermelés lehetőségéről. Ebben a jelentésben szén és nehézvíz használatát javasolták moderátornak, de 1940 nyarától kezdve úgy döntöttek, hogy az utóbbit használják, mint gazdaságosabb és megfizethetőbb lehetőséget (a megszállt Norvégiában már előállították).

Miután a náci vezetés rehabilitálta Heisenberget, nemcsak Németországban, hanem más európai országokban (beleértve a megszálltakat is) is lehetőséget kapott előadások tartására. A pártbürokraták szemszögéből a német tudomány virágzásának megtestesítőjeként kellett szolgálnia. Mark Walker, a korszak német tudománytörténetének elismert szakértője írt a témáról:

Egyértelmű, hogy Heisenberg akaratlanul, sőt talán tudtán kívül is a náci propagandának dolgozott. Ugyanilyen egyértelmű azonban az is, hogy az érintett nemzetiszocialista tisztviselők propagandacélokra használták őt, hogy tevékenysége e tekintetben hatékony volt, és hogy külföldi kollégái okkal hihették, hogy a nácizmust népszerűsíti… Az ilyen külföldi előadói utak talán mindennél jobban megmérgezték kapcsolatát számos külföldi kollégájával és korábbi barátjával Németországon kívül.

Talán a leghíresebb példa egy ilyen útra a Niels Bohrral való találkozó volt Koppenhágában 1941 szeptemberében. A két tudós közötti beszélgetés részletei nem ismertek, és az értelmezések széles skálán mozognak. Heisenberg saját elmondása szerint szerette volna megtudni tanára véleményét az új fegyverek létrehozásának erkölcsi vonatkozásairól, de mivel nem tudott nyíltan beszélni, Bohr félreértette őt. A dán egészen másképp értelmezte a találkozót. Az volt a benyomása, hogy a németek intenzíven dolgoznak az urán témáján, és Heisenberg ki akarta deríteni, hogy mit tud erről. Ráadásul Bohr úgy vélte, hogy vendége azt javasolta neki, hogy működjön együtt a nácikkal. A dán tudós nézeteit levéltervezetek tükrözték, amelyeket először 2002-ben tettek közzé, és amelyeket a sajtó széles körben megvitatott.

1998-ban mutatták be Londonban Michael Frayn angol drámaíró Koppenhága című darabját, amely Bohr és Heisenberg kapcsolatának egy nem teljesen tisztázott epizódjára összpontosít. A film sikere az Egyesült Királyságban, majd a Broadwayn is vitát váltott ki a fizikusok és a tudománytörténészek körében a német tudós szerepéről a „Hitlernek szánt bomba” megalkotásában, valamint a Bohrral folytatott beszélgetés tartalmáról. Azt feltételezik, hogy Heisenberg Bohron keresztül azt akarta közölni a szövetséges fizikusokkal, hogy ne folytassák a nukleáris fegyverek fejlesztését, vagy összpontosítsanak a békés reaktorokra, ahogyan azt a német tudósok tették. Walker szerint Heisenberg a beszélgetés során „három dolgot mondott el: 1) a németek az atombombán dolgoznak; 2) ő maga ambivalensen viszonyul ehhez a munkához; 3) Bohrnak együtt kell működnie a Német Tudományos Intézettel és a megszálló hatóságokkal. Ezért nem meglepő, hogy a dán, miután 1943 őszén Angliába, majd az Egyesült Államokba költözött, támogatta az atombomba korai fejlesztését ezekben az országokban.

Kísérletek egy reaktor megépítésére

1942 elejére, az urán és a nehézvíz hiánya ellenére, különböző németországi tudóscsoportoknak sikerült laboratóriumi kísérleteket végezniük, amelyek biztató eredményeket hoztak az „urángép” megépítése szempontjából. Különösen Lipcsében Robert Döpel tudta elérni, hogy a Heisenberg által javasolt, az uránrétegek elrendezésének gömbi geometriájában a neutronok száma pozitívan növekedjen. Németországban összesen 70-100 tudós dolgozott az uránproblémán különböző csoportokban, akiket egy közös vezetés egyesített. A projekt sorsa szempontjából nagy jelentőségű volt egy konferencia, amelyet a Katonai Tudományos Tanács szervezett 1942 februárjában (az egyik előadó Heisenberg volt). Bár ezen a találkozón elismerték az atomenergia katonai potenciálját, de Németország jelenlegi gazdasági és katonai helyzetét tekintve úgy döntöttek, hogy ésszerű időn (kb. egy éven) belül nem fogják tudni alkalmazni, és ezért ez az új fegyver nem lesz képes befolyásolni a háborút. Mindazonáltal a nukleáris kutatást fontosnak ítélték a jövő szempontjából (mind katonai, mind békés szempontból), és úgy döntöttek, hogy továbbra is finanszírozzák, de az általános irányítást a hadseregtől a Birodalmi Kutatási Tanácshoz helyezték át. Ezt a döntést 1942 júniusában a tudósok és Albert Speer fegyverkezési miniszter találkozóján megerősítették, és a fő cél egy atomreaktor megépítése volt. Mint Walker rámutat, a döntés, hogy a munkát nem vitték ipari szintre, kulcsfontosságúnak bizonyult az egész német uránprojekt sorsa szempontjából:

Bár addig az amerikai és a német kutatások párhuzamosan folytak, az amerikaiak hamarosan megelőzték a németeket… Az 1941 telétől végzett munkák összehasonlításában

1942 júliusában, az „urángépen” végzett munka megszervezése érdekében a berlini Fizikai Intézet visszakerült a Kaiser Wilhelm Társasághoz, és Heisenberget nevezték ki az intézet vezetőjévé (egyben a berlini egyetem professzorává is kinevezték). Mivel Peter Debye, aki nem tért vissza az USA-ból, formálisan az intézet igazgatója maradt, Heisenberg beosztásának címe „intézeti igazgató” volt. Az anyaghiány ellenére a következő években Berlinben számos kísérletet végeztek azzal a céllal, hogy különböző geometriájú atomkazánokban önfenntartó láncreakciót hozzanak létre. Ezt a célt majdnem sikerült elérni 1945 februárjában, az utolsó kísérletet, amely már a kiürítés alatt állt, egy sziklába vájt szobában, Heigerloch faluban (maga az intézet a közelben, Hechingenben található). Itt fogták el a tudósokat és a létesítményt 1945 áprilisában a titkos Alsos-misszió által.

Röviddel az amerikai csapatok megérkezése előtt Heisenberg kerékpárral a bajorországi Urfeld faluba ment, ahol a családja lakott, és ahol a szövetségesek hamarosan rátaláltak. 1945 júliusában egyike volt a náci nukleáris projektben részt vevő tíz jelentős német tudósnak, akiket a Cambridge melletti Farm Hallban internáltak. A fizikusokat hat hónapig folyamatos megfigyelés alatt tartották, és beszélgetéseiket rejtett mikrofonokkal rögzítették. A felvételeket 1992 februárjában a brit kormány feloldotta a titkosítás alól, és értékes dokumentumot jelentenek a német nukleáris projekt történetéről.

A háború utáni viták

Nem sokkal a világháború vége után heves vita kezdődött arról, hogy miért nem sikerült a német fizikusoknak megépíteniük az atombombát. 1946 novemberében a Die Naturwissenschaften című lapban megjelent Heisenberg cikke a náci nukleáris projektről. Mark Walker több jellegzetes pontatlanságra is rávilágított a német tudósnak az eseményekről szóló beszámolójában: a katonai körökkel szoros kapcsolatban álló fizikusok szerepének lekicsinyítése, és ezt nem is titkolták (egy kísérleti hiba hangsúlyozása, amely a nehézvíz (és nem a grafit) moderátorának kiválasztásához vezetett, bár ezt a választást elsősorban gazdasági megfontolások vezérelték; a német tudósok azon felfogásának elfedése, hogy az atomreaktor milyen szerepet játszik a fegyverminőségű plutónium előállításában; a tudósok Speer miniszterrel való találkozójának tulajdonítva a döntő szerepet abban, hogy felismerték, hogy a háború vége előtt lehetetlen nukleáris fegyvereket építeni, bár ezt már korábban felismerte a hadsereg vezetése, amely úgy döntött, hogy nem hozza kereskedelmi forgalomba a kutatást, és nem pazarolja rá az értékes erőforrásokat. Ugyanebben a cikkben jelent meg először Heisenberg utalása arra, hogy a német fizikusok (legalábbis Heisenberg környezetében) irányították a munka menetét, és erkölcsi okokból megpróbálták azt a nukleáris fegyverek kifejlesztésétől távol tartani. Azonban, ahogy Walker megjegyzi,

Először is, Heisenberg és környezete nemhogy nem irányította a nukleáris energia elsajátítására irányuló német erőfeszítéseket, de ha megpróbálták volna, akkor sem tudták volna, másodszor, a hadsereg hatóságainak 1942-es döntésének és a háború általános helyzetének köszönhetően Heisenbergnek és a nukleáris problémán dolgozó többi tudósnak soha nem kellett szembenéznie azzal a nehéz erkölcsi dilemmával, amely a nácik számára nukleáris fegyverek készítésének gondolatára felmerül. Miért kockáztatták volna meg, hogy megpróbálják megváltoztatni a kutatás irányát, ha biztosak voltak benne, hogy nem tudják befolyásolni a háború kimenetelét?

A vita másik oldalát Sam Goudsmit képviselte, aki a háború végén az Alsos-misszió tudományos igazgatójaként szolgált (korábban ő és Heisenberg meglehetősen közeli barátok voltak). Egy több évig tartó érzelmi vitában Goudsmit azzal érvelt, hogy a németországi siker akadálya a tudomány hiányosságai egy totalitárius társadalomban, de valójában inkompetenciával vádolta a német tudósokat, mivel úgy vélte, hogy nem értették teljesen a bomba fizikáját. Heisenberg határozottan ellenezte az utóbbi állítást. Walker szerint „a fizikusként szerzett hírnevének sérelme valószínűleg jobban zavarta, mint a nácik kiszolgálása miatti kritika.

Heisenberg „erkölcsi ellenállásról” szóló tézisét Robert Jung „Fényesebb, mint ezer nap” című bestsellerében továbbfejlesztette, ahol valójában azt állította, hogy a német tudósok tudatosan szabotálták az új fegyverek kifejlesztését. Később ez a változat Thomas Powers könyvében is megjelent. Másrészt, Goudsmit gondolatát a nácik alatt előtérbe került fizikusok inkompetenciájáról Leslie Groves tábornok, a Manhattan Projekt vezetője vette át, és később Paul Lawrence Rose fejezte ki könyvében. Walker szerint, aki a kudarc fő okát a háborús évek gazdasági nehézségeiben látta, mindkét ellentétes tézis távol állt a történelmi pontosságtól, és a kor igényeit tükrözte: a Heisenberg-tézis a német tudomány jogainak helyreállítását és a nácikkal együttműködő tudósok rehabilitálását célozta, míg Goudsmit állítása a náci atomfegyverektől való félelem és a szövetségesek nukleáris fegyverek építésére irányuló törekvéseinek igazolására szolgált. Mott és Pyerls is hatékonyan osztotta azt a nézetet, hogy a technikai nehézségek voltak a döntőek, és hogy Németország számára lehetetlen volt ilyen nagy erőfeszítést tenni az adott körülmények között.

Mindkét ellentétes nézetet (a szabotázsról és a hozzá nem értésről) nem támasztják alá teljes mértékben a német fizikusok beszélgetéseiről készült felvételek, amelyek a Farm Hallban való internálásuk alatt készültek. Ráadásul a Farm Hallban szembesültek először a kudarc okainak kérdésével, mert a hirosimai bombázásig meg voltak győződve arról, hogy a nukleáris fejlesztés terén jóval az amerikaiak és a britek előtt járnak. E vita során Karl von Weizsäcker vetette fel először azt a gondolatot, hogy azért nem építették meg a bombát, mert „nem akarták”. Ahogy Horst Kant történész rámutat, ennek van értelme, mert Heisenberg és Weizsäcker, a Manhattan-projektől eltérően, nem szentelték minden idejüket a nukleáris fejlesztéseknek. Különösen Heisenberg 1942-1944-ben aktívan fejlesztette az S-mátrix elméletét, és talán csak nem érzett különösebb érdeklődést egy tisztán katonai kutatás iránt. Hans Bethe, aki a háború alatt a Los Alamos-i laboratórium elméleti osztályának vezetője volt, szintén arra a következtetésre jutott a Farm Hall filmekből, hogy Heisenberg nem dolgozott az atombombán. A vita a mai napig tart, és még messze nincs vége, de Cassidy szerint nyugodtan tekinthetjük Heisenberget

…nem hősként vagy kegyetlen gonosztevőként, hanem egy mélyen tehetséges, művelt emberként, aki sajnos tehetetlenül találta magát korának szörnyű körülményei között, amelyekre ő is, mint a legtöbb ember, teljesen felkészületlenül érte.

Heisenberg egész életében különös figyelmet szentelt a tudomány filozófiai alapjainak, amelyeknek számos publikációját és beszédét szentelte. Az 1950-es évek végén adta ki a St. Andrews-i Egyetemen tartott Gifford-előadásainak szövegét, a Physics and Philosophy-t, tíz évvel később pedig az önéletrajzi jellegű Part and the Whole című művét, amelyet Carl von Weizsäcker korunk egyetlen platóni párbeszédének nevezett. Heisenberg a müncheni klasszikus gimnázium tanulójaként ismerkedett meg Platón filozófiájával, ahol magas színvonalú humán oktatásban részesült. Emellett nagy hatással volt rá édesapja, egy jelentős filozófiai tudós is. Heisenberg egész életében megőrizte érdeklődését Platón és más ókori filozófusok iránt, sőt úgy vélte, hogy „a modern atomfizikában aligha lehet előrehaladni a görög filozófia ismerete nélkül”. A huszadik század második felében az elméleti fizika fejlődésében (más szinten) visszatérést látott Platón atomista elképzeléseihez:

Ha a modern részecskefizika eredményeit bármelyik régi filozófus elképzeléseivel akarjuk összehasonlítani, Platón filozófiája tűnik a legmegfelelőbbnek: a modern fizika részecskéi szimmetriacsoportok képviselői, és ebben a tekintetben hasonlítanak Platón filozófiájának szimmetrikus alakzataira.

Heisenberg az elemi részecskék tulajdonságait meghatározó szimmetriákat – és nem magukat a részecskéket – tekintette valami elsődlegesnek, és az elmélet igazságának egyik kritériumát, amely e szimmetriák és a hozzájuk kapcsolódó megőrzési törvények megtalálását célozta, annak szépségében és logikai következetességében látta. Platón filozófiájának hatása a kvantummechanikával kapcsolatos korábbi munkáiban is megmutatkozik. A gondolkodó Heisenberg számára egy másik inspirációs forrás Immanuel Kant munkássága volt, különösen az a priori tudásról alkotott koncepciója és a kísérleti gondolkodás elemzése, amely a kvantumelmélet értelmezésében tükröződik. Kant hatása mind Heisenbergnek a kauzalitás jelentésének módosításában, mind a fizikai mennyiségek megfigyelhetőségéről alkotott felfogásában megmutatkozik, ami a bizonytalansági elv felállításához és a mikrofizika mérési problémájának megfogalmazásához vezetett. Heisenberg korai kvantummechanikai munkásságára közvetve hatással voltak Ernst Mach pozitivista elképzelései (Einstein írásai révén).

Einstein mellett Heisenbergre nagy hatással volt Niels Bohrral való barátsága és együttműködése, aki különös figyelmet fordított az elmélet értelmezésére, tisztázva az elméletben használt fogalmak jelentését. Heisenberg, akit Wolfgang Pauli eleinte tiszta formalistának nevezett, hamarosan magáévá tette Bohr ideológiáját, és a bizonytalansági viszonyokról szóló híres munkájában jelentősen hozzájárult a klasszikus fogalmak újradefiniálásához a mikrokozmoszban. Később nemcsak a kvantummechanika úgynevezett koppenhágai értelmezésének végső kialakításában volt az egyik főszereplő, hanem többször fordult a modern fizika történeti és fogalmi elemzése felé is. Anatolij Akhutin filozófus a tágabb értelemben vett határ gondolatát (a szervezőközpont fogalma, amely köré a világról és a tudományról alkotott egységes kép épül; a meglévő tudáson való túllépés és a valóságról alkotott új kép („a horizonton túli lépések”) problémája) Heisenberg gondolkodásának egyik fő motívumaként azonosította.

Néhány cikk orosz fordításban

Cikkforrások

1. Гейзенберг, Вернер
2. Werner Heisenberg
3. 1 2 Архив по истории математики Мактьютор
4. 1 2 Werner Heisenberg // Encyclopædia Britannica (англ.)
5. 1 2 Werner Heisenberg // Nationalencyklopedin (швед.) — 1999.
6. Гейзенберг Вернер // Большая советская энциклопедия: [в 30 т.] / под ред. А. М. Прохоров — 3-е изд. — М.: Советская энциклопедия, 1969.
7. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 N. Mott, R. Peierls. Werner Heisenberg (1901—1976) // Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society. — 1977. — Vol. 23. — P. 213—219.
8. ^ a b Heisenberg’s work on quantum physics was preceded by a quarter century of research.
9. Werner Heisenberg: Der Teil und das Ganze. R. Piper & Co. Verlag, München 1969, S. 30.
10. Die Grade waren summa cum laude, magna cum laude, cum laude und als schlechteste Note ein einfaches bestanden.
11. Cassidy: Heisenberg, physics and the bomb. Bellevue Literary Press, 2009, S. 119.
12. ^ La famiglia e i primi anni di vita, su xoomer.virgilio.it. URL consultato il 2 ottobre 2022.
13. ^ (EN) Family matters, su history.aip.org. URL consultato il 2 ottobre 2022.
14. ^ Il ginnasio e l’impegno nella Prima Guerra mondiale, su xoomer.virgilio.it. URL consultato il 2 ottobre 2022.