Werner Karl Heisenberg

Mary Stone | Ottobre 25, 2022

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Riassunto

Werner Carl Heisenberg (5 dicembre 1901, Würzburg – 1° febbraio 1976, Monaco di Baviera) è stato un fisico teorico tedesco, uno dei fondatori della meccanica quantistica, vincitore del Premio Nobel per la Fisica (1932) e membro di numerose accademie e società scientifiche.

Heisenberg è l”autore di una serie di risultati fondamentali della teoria quantistica: ha gettato le basi della meccanica delle matrici, ha formulato la relazione di indeterminazione, ha applicato il formalismo della meccanica quantistica ai problemi del ferromagnetismo, dell”effetto Zeeman anomalo e altri. In seguito partecipò attivamente allo sviluppo dell”elettrodinamica quantistica (teoria di Heisenberg-Pauli) e della teoria quantistica dei campi (teoria della matrice S); negli ultimi decenni della sua vita fece dei tentativi per creare una teoria dei campi unificata. Heisenberg appartiene a una delle prime teorie quantomeccaniche delle forze nucleari, e durante la Seconda guerra mondiale fu il principale teorico del progetto nucleare tedesco. Si è occupato anche di fisica dei raggi cosmici, della teoria della turbolenza e di problemi filosofici della scienza naturale. Heisenberg ha svolto un ruolo fondamentale nell”organizzazione della ricerca scientifica nella Germania del dopoguerra.

L”adolescenza (1901-1920)

Werner Heisenberg nacque a Würzburg da August Heisenberg, professore di filologia greca medievale e moderna, e Annie Wecklein, figlia del direttore del Maximilian Gymnasium di Monaco. Era il secondo figlio della famiglia, il fratello maggiore Erwin (1900-1965) divenne in seguito un chimico. La famiglia si trasferì a Monaco nel 1910, dove Werner frequentò la scuola, eccellendo in matematica, fisica e grammatica. I suoi studi furono interrotti nella primavera del 1918, quando lui e altri sedicenni furono mandati in una fattoria per svolgere lavori ausiliari. In questo periodo si interessa seriamente alla filosofia, leggendo Platone e Kant. Dopo la fine della Prima Guerra Mondiale, il Paese e la città si trovavano in una situazione di incertezza, il potere stava passando da un gruppo politico all”altro. Nella primavera del 1919, Heisenberg prestò brevemente servizio come ufficiale della fabbriceria, aiutando le truppe del nuovo governo bavarese che erano entrate in città. Fu poi coinvolto in un movimento giovanile, parte del quale si opponeva fortemente allo status quo, alle vecchie tradizioni e ai pregiudizi. Ecco come Heisenberg stesso ha ricordato uno di questi incontri giovanili:

Ci sono stati molti discorsi il cui pathos sembrerebbe estraneo a noi oggi. Che cosa sia più importante, il destino del nostro popolo o il destino dell”umanità; se la morte sacrificale dei caduti sia priva di significato nella sconfitta; se i giovani abbiano il diritto di plasmare la propria vita secondo le proprie idee di valori; che cosa sia più importante, la lealtà verso se stessi o le vecchie forme che hanno ordinato la vita delle persone per secoli – tutte queste cose sono state discusse e dibattute con passione. Ero troppo titubante su tutti i temi per partecipare a questi dibattiti, ma li ho ascoltati ancora e ancora…

I suoi interessi principali, tuttavia, non erano la politica, la filosofia o la musica (Heisenberg era un pianista di talento e, come ricorda Felix Bloch, poteva suonare lo strumento per ore), ma piuttosto la matematica e la fisica. Li studiò per lo più in modo indipendente e la sua conoscenza, che andava ben oltre il corso scolastico, si fece notare soprattutto negli esami finali del ginnasio. Durante una lunga malattia, lesse il libro di Hermann Weill “Spazio, tempo e materia” e, impressionato dalla potenza dei metodi matematici e delle loro applicazioni, decise di studiare matematica all”Università di Monaco, dove si iscrisse nell”estate del 1920. Tuttavia, Ferdinand von Lindemann, professore di matematica, rifiutò di far entrare il nuovo arrivato nel suo seminario e, su consiglio del padre, Heisenberg si rivolse al noto fisico teorico Arnold Sommerfeld. Accettò immediatamente di accettare Werner nel suo gruppo, dove già lavorava il giovane Wolfgang Pauli, che divenne presto un amico intimo di Heisenberg.

Monaco – Gottinga – Copenaghen (1920-1927)

Sotto la guida di Sommerfeld, Heisenberg iniziò a lavorare nel solco della cosiddetta “vecchia teoria dei quanti”. Sommerfeld trascorse l”inverno 1922-1923 all”Università del Wisconsin (USA), raccomandando al suo allievo di lavorare a Gottinga con Max Born. Iniziò così una proficua collaborazione tra i due scienziati. Va notato che Heisenberg aveva già visitato Gottinga nel giugno 1922 durante il cosiddetto “Festival di Bohr”, una serie di conferenze sulla nuova fisica atomica tenute da Niels Bohr. Il giovane fisico ha persino conosciuto il famoso danese e ha chiacchierato con lui durante una delle sue passeggiate. Come Heisenberg stesso ricordò in seguito, questa conversazione ebbe una grande influenza sulla formazione delle sue opinioni e del suo approccio ai problemi scientifici. Definisce così il ruolo delle varie influenze nella sua vita: “Ho imparato l”ottimismo da Sommerfeld, la matematica da Göttingen e la fisica da Bohr.

Heisenberg tornò a Monaco per l”estate del 1923. A quel punto aveva preparato una tesi che trattava alcuni problemi fondamentali dell”idrodinamica. L”argomento era stato suggerito da Sommerfeld, che pensava che un soggetto più classico avrebbe semplificato la difesa. Tuttavia, oltre alla tesi, per ottenere il dottorato era necessario sostenere un esame orale in tre materie. Particolarmente difficile era un test di fisica sperimentale, al quale Heisenberg non aveva prestato molta attenzione. Alla fine non riuscì a rispondere a nessuna delle domande del Prof. Wilhelm Wien (sulla risoluzione dell”interferometro di Fabry-Perot, sul microscopio, sul telescopio e sul principio della pila al piombo) ma, grazie all”intercessione di Sommerfeld, gli fu comunque assegnato il voto più basso, sufficiente a conferire la laurea.

Nell”autunno del 1923 Heisenberg tornò a Gottinga per incontrare Born, che gli assicurò un ulteriore posto di assistente. Born ha descritto il suo nuovo dipendente come segue:

Sembrava un semplice contadino, con capelli corti e biondi, occhi chiari e vivaci e un”espressione affascinante. Ha svolto i suoi compiti di assistente con maggiore serietà rispetto a Pauli e mi è stato di grande aiuto. La sua incomprensibile rapidità e la sua acuta comprensione gli hanno sempre permesso di portare a termine una quantità colossale di lavoro senza grandi sforzi.

A Gottinga, il giovane scienziato continuò a lavorare sulla teoria dell”effetto Zeeman e su altri problemi quantistici, e l”anno successivo fu sottoposto all”abilitazione e fu ufficialmente autorizzato a tenere conferenze. Nell”autunno del 1924, Heisenberg si recò per la prima volta a Copenaghen per lavorare con Niels Bohr. Ha inoltre iniziato a lavorare a stretto contatto con Hendrik Kramers, scrivendo un documento congiunto sulla teoria della dispersione quantistica.

Nella primavera del 1925 Heisenberg tornò a Gottinga e nei mesi successivi fece progressi decisivi nella costruzione della prima teoria quantistica logicamente coerente, la meccanica delle matrici. Successivamente, il formalismo della teoria fu perfezionato con l”aiuto di Born e Pascual Jordan. Un”altra formulazione della teoria, la meccanica ondulatoria, fu data da Erwin Schrödinger e stimolò sia numerose applicazioni concrete sia una profonda elaborazione dei fondamenti fisici della teoria. Uno dei risultati di questa attività fu il principio di indeterminazione di Heisenberg, formulato all”inizio del 1927.

Nel maggio del 1926 Heisenberg si trasferì in Danimarca e prese servizio come professore associato all”Università di Copenhagen e assistente di Niels Bohr.

Da Lipsia a Berlino (1927-1945)

Il riconoscimento dei meriti scientifici di Heisenberg portò a inviti a cattedre da Lipsia e Zurigo. Lo scienziato scelse Lipsia, dove Peter Debye era direttore dell”istituto di fisica dell”università, e nell”ottobre 1927 assunse l”incarico di professore di fisica teorica. Altri suoi colleghi furono Gregor Wentzel e Friedrich Hund, con Guido Beck come primo assistente. Heisenberg svolgeva una serie di mansioni nel dipartimento, teneva lezioni di fisica teorica e organizzava un seminario settimanale sulla teoria atomica, che era accompagnato non solo da intense discussioni su problemi scientifici, ma anche da amichevoli tè e occasionali gare di ping-pong (il giovane professore giocava molto bene e con grande gusto). Tuttavia, come sottolineano i biografi Neville Mott e Rudolf Peierls, la fama iniziale di Heisenberg non ebbe un grande impatto sulle sue qualità personali:

Nessuno lo avrebbe giudicato se avesse cominciato a prendersi sul serio e a diventare un po” pomposo dopo aver compiuto almeno due passi cruciali che hanno cambiato il volto della fisica, e dopo essere diventato professore a un”età così giovane, cosa che ha fatto sentire importanti anche molte persone più anziane e meno importanti, ma lui è rimasto com”era: informale e allegro nel trattare, quasi fanciullesco e con una modestia che rasenta la timidezza.

I primi allievi di Heisenberg si presentarono a Lipsia e qui si formò presto un”importante scuola scientifica. Tra i membri del gruppo teorico si annoverano Felix Bloch, Hugo Fano, Erich Hückel, Robert Mulliken, Rudolf Peierls, Georg Placzek, John Slater ed 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 e molti altri. Anche se di solito il professore non entrava nei dettagli matematici del lavoro dei suoi studenti, spesso aiutava a chiarire la natura fisica del problema che stava studiando. Felix Bloch, primo studente di Heisenberg (e in seguito premio Nobel), descrisse le qualità pedagogiche e scientifiche del suo mentore come segue

Se dovessi scegliere una sola delle sue grandi qualità come insegnante, sarebbe il suo atteggiamento straordinariamente positivo nei confronti di qualsiasi progresso e il suo incoraggiamento in questo senso. …Una delle caratteristiche più sorprendenti di Heisenberg era l”intuizione quasi inconfondibile con cui affrontava un problema fisico e il modo fenomenale in cui le soluzioni sembravano cadere dal cielo.

Nel 1933 Heisenberg ricevette il Premio Nobel per la Fisica per l”anno precedente con la dicitura “per la creazione della meccanica quantistica, le cui applicazioni, tra l”altro, hanno portato alla scoperta delle forme allotropiche dell”idrogeno”. Nonostante la sua gioia, lo scienziato espresse sconcerto per il fatto che i suoi colleghi Paul Dirac ed Erwin Schrödinger ricevettero lo stesso premio (per il 1933) per due, mentre Max Born fu completamente ignorato dal Comitato per il Nobel. Nel gennaio 1937 conobbe una giovane donna, Elisabeth Schumacher (1914-1998), figlia di un professore di economia di Berlino, e in aprile la sposò. L”anno successivo ebbero due gemelli, Wolfgang e Anna-Maria. In tutto ebbero sette figli, alcuni dei quali svilupparono anche un interesse per la scienza: Martin Heisenberg divenne genetista, Jochen Heisenberg fisico e Anna-Marie e Verena fisiologhe.

A quel punto la situazione politica in Germania era cambiata radicalmente: Hitler era salito al potere. Heisenberg, che decise di rimanere nel Paese, fu presto attaccato dagli oppositori della cosiddetta “fisica ebraica”, che comprendeva la meccanica quantistica e la relatività. Tuttavia, per tutti gli anni Trenta e i primi anni Quaranta lo scienziato lavorò in modo prolifico su problemi di teoria del nucleo atomico, fisica dei raggi cosmici e teoria quantistica dei campi. Dal 1939 partecipò al progetto nucleare tedesco come uno dei suoi leader e nel 1942 fu nominato professore di fisica all”Università di Berlino e capo dell”Istituto di fisica della Kaiser Wilhelm Society.

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Periodo postbellico (1946-1976)

Durante l”Operazione Epsilon, dieci scienziati tedeschi (tra cui Heisenberg) che lavoravano alle armi nucleari nella Germania nazista furono arrestati dalle forze alleate. Gli scienziati vennero catturati tra il 1° maggio e il 30 giugno 1945 e portati a Farm Hall, un edificio dotato di cimici a Godmanchester, vicino a Cambridge, in Inghilterra. Sono stati trattenuti lì dal 3 luglio 1945 al 3 gennaio 1946 per determinare quanto i tedeschi fossero vicini alla costruzione di una bomba atomica.

All”inizio del 1946 il colonnello B. K. Blount, membro del dipartimento scientifico del governo militare della zona di occupazione britannica, invitò Heisenberg e Otto Hahn a Gottinga, dove doveva iniziare la rinascita della scienza nella Germania devastata. Gli scienziati dedicarono molta attenzione al lavoro organizzativo, prima all”interno del Consiglio per la Scienza e poi della Società Max Planck, che sostituì la Società Kaiser Wilhelm. Nel 1949, dopo la costituzione della RFT, Heisenberg divenne il primo presidente dell”Associazione tedesca per la ricerca, che doveva promuovere il lavoro scientifico nel Paese. In qualità di capo del Comitato per la fisica atomica, è stato uno dei promotori del lavoro sui reattori nucleari in Germania. Allo stesso tempo, Heisenberg si oppose all”acquisizione di armi nucleari da parte del governo Adenauer. Nel 1955 ha svolto un ruolo attivo nella nascita della cosiddetta Dichiarazione di Mainau, firmata da sedici premi Nobel, e due anni dopo del Manifesto di Gottinga di diciotto scienziati tedeschi. Nel 1958 ha firmato l”appello lanciato da Linus Pauling e indirizzato al Segretario Generale delle Nazioni Unite per la messa al bando dei test nucleari. Un risultato lontano di questa attività è stata l”adesione della RFT al Trattato di non proliferazione delle armi nucleari.

Heisenberg sostenne attivamente la creazione del CERN, partecipando a diversi comitati. In particolare, è stato il primo presidente del Comitato per la politica scientifica e ha contribuito a determinare la direzione dello sviluppo del CERN. Contemporaneamente, Heisenberg fu direttore dell”Istituto Max Planck per la Fisica, che nel 1958 si trasferì da Gottinga a Monaco di Baviera e fu rinominato Max-Planck-Institut für Physik. Lo scienziato è stato a capo di questa istituzione fino al suo pensionamento nel 1970. Usò la sua influenza per creare nuovi istituti all”interno della Società: il Centro di Ricerca di Karlsruhe (ora parte dell”Università di Karlsruhe), il Max-Planck-Institut für Plasmaphysik e l”Istituto di Fisica Extraterrestre. Nel 1953 divenne il primo presidente del dopoguerra della Fondazione Alexander von Humboldt, che mirava a promuovere gli scienziati stranieri che volevano lavorare in Germania. Mantenendo questa posizione per due decenni, Heisenberg assicurò l”autonomia della Fondazione e della sua struttura, libera dalle carenze burocratiche delle agenzie governative.

Nonostante le numerose responsabilità amministrative e sociali, lo scienziato ha continuato il suo lavoro scientifico, concentrandosi negli ultimi anni sui tentativi di sviluppare una teoria di campo unificata. Tra i suoi collaboratori nel gruppo di Gottinga, in tempi diversi, figurano Karl von Weizsäcker, Kazuhiko Nishijima, Harry Lehmann, Gerhart Lueders, Reinhard Oehme, Walter Thierring, Bruno Zumino, Hans-Peter Dürr e altri. Dopo il suo ritiro, Heisenberg parlò soprattutto di questioni generali o filosofiche della scienza naturale. Nel 1975 la sua salute cominciò a peggiorare e il 1° febbraio 1976 morì. Il famoso fisico Eugene Wigner ha scritto per l”occasione:

Non c”è fisico teorico vivente che abbia dato un contributo maggiore alla nostra scienza. Allo stesso tempo era amichevole con tutti, privo di arroganza e ci teneva in piacevole compagnia.

La vecchia teoria quantistica

I primi anni Venti della fisica atomica sono stati l”epoca della cosiddetta “vecchia teoria dei quanti”, originariamente basata sulle idee di Niels Bohr, sviluppate nel lavoro di Sommerfeld e di altri scienziati. Uno dei metodi principali per ottenere nuovi risultati era il principio di corrispondenza di Bohr. Nonostante i numerosi successi, molte questioni non erano ancora state risolte in modo soddisfacente, come il problema delle diverse particelle interagenti o il problema della quantificazione spaziale. Inoltre, la teoria stessa era incoerente: le leggi classiche di Newton potevano essere applicate solo alle orbite stazionarie dell”elettrone, mentre la transizione tra di esse non poteva essere descritta su questa base.

Sommerfeld, ben consapevole di tutte queste difficoltà, incaricò Heisenberg di lavorare sulla teoria. Il suo primo lavoro, pubblicato all”inizio del 1922, riguardava un modello fenomenologico dell”effetto Zeeman. Questo lavoro, che proponeva un modello audace della struttura atomica che interagisce con gli elettroni di valenza e introduceva numeri quantici semi-integri, fece subito del giovane scienziato uno dei leader della spettroscopia teorica. I lavori successivi hanno discusso l”ampiezza e l”intensità delle linee spettrali e delle loro componenti zeemaniane sulla base del principio di corrispondenza. Gli articoli scritti in collaborazione con Max Born consideravano i problemi generali della teoria degli atomi a più elettroni (nell”ambito della teoria classica delle perturbazioni), analizzavano la teoria delle molecole e proponevano una gerarchia di moti intramolecolari diversi per energia (rotazioni e vibrazioni molecolari, eccitazioni elettroniche), valutavano i valori di polarizzabilità atomica e concludevano che era necessaria l”introduzione dei numeri quantici a mezzo numero intero. Un”altra modifica delle relazioni quantistiche, che consiste nell”attribuire agli stati quantici dell”atomo due valori seminteri dei numeri quantici del momento angolare, è derivata dalla considerazione dell”effetto Zeeman anomalo (questa modifica è stata spiegata in seguito dalla presenza dello spin degli elettroni). Questo lavoro, su suggerimento di Born, servì come Habilitationsschrift, cioè come base per l”abilitazione ottenuta da Heisenberg all”età di 22 anni all”Università di Gottinga.

Il lavoro congiunto con Hendrik Kramers, scritto a Copenaghen, conteneva una formulazione della teoria della dispersione che generalizzava i recenti risultati di Born e dello stesso Kramers. Il risultato è stato l”analogo quantistico delle formule di dispersione per la polarizzabilità dell”atomo in un determinato stato stazionario, tenendo conto della possibilità di transizioni a stati superiori e inferiori. Questo importante lavoro, pubblicato all”inizio del 1925, fu l”immediato precursore della prima formulazione della meccanica quantistica.

Creare una meccanica a matrice

Heisenberg non era soddisfatto dello stato della teoria, che richiedeva di risolvere ogni particolare problema all”interno della fisica classica per poi tradurlo in linguaggio quantistico utilizzando il principio di corrispondenza. Questo approccio non sempre ha dato risultati e dipendeva in gran parte dall”intuizione del ricercatore. Nella primavera del 1925, alla ricerca di un formalismo rigoroso e logicamente coerente, Heisenberg decise di abbandonare la vecchia descrizione, sostituendola con una descrizione in termini delle cosiddette grandezze osservabili. Questa idea è stata influenzata dal lavoro di Albert Einstein, che ha dato una definizione relativistica del tempo al posto dell”inosservabile tempo assoluto newtoniano. (Tuttavia, già nell”aprile del 1926, Einstein osservò in una conversazione privata con Heisenberg che è la teoria a determinare quali grandezze sono osservabili e quali no). Heisenberg rifiutò i concetti classici di posizione e quantità di moto dell”elettrone nell”atomo e considerò la frequenza e l”ampiezza delle oscillazioni, che possono essere determinate dall”esperimento ottico. Riuscì a rappresentare queste grandezze come insiemi di numeri complessi e a dare la regola della loro moltiplicazione, che si rivelò non commutativa, per poi applicare il metodo sviluppato al problema dell”oscillatore anarmonico. Per un caso particolare dell”oscillatore armonico, ne è seguita naturalmente l”esistenza della cosiddetta “energia di punto zero”. In questo modo, il principio di corrispondenza è stato inserito nelle fondamenta stesse dello schema matematico sviluppato.

Heisenberg ottenne la soluzione nel giugno 1925 sull”isola di Helgoland, dove si stava riprendendo da un attacco di febbre da fieno. Tornato a Gottinga, descrisse i suoi risultati in un articolo “Sull”interpretazione quantistico-teorica delle relazioni cinematiche e meccaniche” e lo inviò a Wolfgang Pauli. Ottenuta l”approvazione di quest”ultimo, Heisenberg consegnò l”articolo a Born per la pubblicazione sulla rivista Zeitschrift für Physik, dove fu ricevuto il 29 luglio 1925. Born si rese presto conto che gli insiemi di numeri che rappresentavano le grandezze fisiche non erano altro che matrici e che la regola di Heisenberg per moltiplicarli era la regola della moltiplicazione matriciale.

In generale, la meccanica delle matrici ha ricevuto un”accoglienza piuttosto passiva da parte della comunità fisica, che aveva poca dimestichezza con il formalismo matematico delle matrici e che era scoraggiata dall”estrema astrattezza della teoria. Solo pochi scienziati prestarono attenzione all”articolo di Heisenberg. Ad esempio, Niels Bohr ne ha subito tessuto le lodi, affermando che “è iniziata una nuova era di stimolo reciproco tra meccanica e matematica”. La prima formulazione rigorosa della meccanica delle matrici fu data da Born e Pascual Jordan nel loro scritto congiunto “On Quantum Mechanics”, completato nel settembre 1925. Hanno ottenuto la relazione di permutazione fondamentale (condizione quantistica) per le matrici di coordinate e di momento. Heisenberg fu presto coinvolto in questa ricerca, che culminò nel famoso “lavoro dei tre” (Drei-Männer Arbeit), completato nel novembre 1925. Presenta un metodo generale per la risoluzione di problemi nel quadro della meccanica delle matrici, in particolare considerando sistemi con un numero arbitrario di gradi di libertà, introducendo le trasformazioni canoniche, fornendo le basi della teoria quantomeccanica delle perturbazioni, risolvendo il problema della quantizzazione del momento angolare, discutendo le regole di selezione e una serie di altre questioni.

Ulteriori modifiche della meccanica delle matrici procedettero lungo due linee principali: la generalizzazione delle matrici sotto forma di operatori, portata avanti da Born e Norbert Wiener, e la rappresentazione della teoria in forma algebrica (all”interno del formalismo hamiltoniano), sviluppata da Paul Dirac. Quest”ultimo ricordò, molti anni dopo, quanto fosse stata stimolante la nascita della meccanica delle matrici per l”ulteriore sviluppo della fisica atomica:

Ho il motivo più convincente per essere un ammiratore di Werner Heisenberg. Abbiamo studiato nello stesso periodo, avevamo quasi la stessa età e abbiamo lavorato allo stesso problema. Heisenberg è riuscito dove io avevo fallito. A quel punto si era accumulata un”enorme quantità di materiale spettroscopico e Heisenberg aveva trovato la strada giusta attraverso il suo labirinto. Così facendo, inaugurò un”epoca d”oro della fisica teorica e ben presto anche uno studente di seconda categoria fu in grado di svolgere un lavoro di prim”ordine.

Rapporto tra le incertezze

All”inizio del 1926 cominciò a essere pubblicato il lavoro di Erwin Schrödinger sulla meccanica ondulatoria, che descriveva i processi atomici nella forma abituale di equazioni differenziali continue e che, come divenne presto chiaro, era matematicamente identica al formalismo matriciale. Heisenberg era critico nei confronti della nuova teoria e in particolare della sua interpretazione originale che trattava di onde reali che trasportavano una carica elettrica. E anche la comparsa della trattazione probabilistica di Born della funzione d”onda non ha risolto il problema dell”interpretazione del formalismo, cioè di chiarire il significato dei concetti in esso utilizzati. La necessità di una soluzione a questo problema divenne particolarmente evidente nel settembre 1926, dopo la visita di Schrödinger a Copenaghen, dove in una lunga discussione con Bohr e Heisenberg difese l”immagine di continuità dei fenomeni atomici e criticò il concetto di discretizzazione e di salti quantistici.

Il punto di partenza dell”analisi di Heisenberg fu la consapevolezza della necessità di adattare i concetti classici (come “coordinata” e “quantità di moto”) in modo che potessero essere utilizzati in microfisica, così come la teoria della relatività aveva adattato i concetti di spazio e tempo, dando così significato al formalismo della trasformazione di Lorentz. Trovò una via d”uscita imponendo un limite all”uso delle nozioni classiche, espresso matematicamente nella forma della relazione di incertezza: “quanto più precisamente si definisce la posizione, tanto meno precisamente si conosce la quantità di moto, e viceversa”. Dimostrò le sue conclusioni con un famoso esperimento mentale con un microscopio a raggi gamma. Heisenberg espose i suoi risultati in una lettera di 14 pagine a Pauli, che li elogiò. Bohr, che era tornato dalle vacanze in Norvegia, non era del tutto soddisfatto e fece una serie di commenti, ma Heisenberg rifiutò di apportare modifiche al suo testo, menzionando i suggerimenti di Bohr in un post scriptum. Il 23 marzo 1927 i redattori della Zeitschrift für Physik ricevettero l”articolo “On the illustrative content of quantum-theoretic kinematics and mechanics”, che illustrava il principio di indeterminazione.

Il principio di indeterminazione non solo ha svolto un ruolo importante nello sviluppo dell”interpretazione della meccanica quantistica, ma ha anche sollevato una serie di problemi filosofici. Bohr lo collegò al concetto più generale di addizionalità che stava sviluppando nello stesso periodo: interpretò le relazioni di incertezza come un”espressione matematica del limite entro il quale sono possibili concetti (addizionali) mutuamente esclusivi. Inoltre, l”articolo di Heisenberg attirò l”attenzione di fisici e filosofi sul concetto di misurazione, nonché su una nuova, insolita comprensione della causalità proposta dall”autore: “… in una formulazione forte della legge di causalità: ”se si conosce con precisione il presente, si può prevedere il futuro”, è sbagliata la premessa, non la conclusione. In linea di principio non possiamo conoscere il presente in tutti i suoi dettagli”. Più tardi, nel 1929, introdusse nella teoria quantistica il termine “collasso del pacchetto d”onda”, che divenne uno dei concetti fondamentali della cosiddetta “interpretazione di Copenhagen” della meccanica quantistica.

Applicazioni della meccanica quantistica

La comparsa della meccanica quantistica (prima in forma matriciale e poi ondulatoria), immediatamente riconosciuta dalla comunità scientifica, ha stimolato un rapido progresso nello sviluppo dei concetti quantistici, risolvendo una serie di problemi specifici. Lo stesso Heisenberg, nel marzo 1926, completò un lavoro congiunto con Jordan per spiegare l”effetto Zeeman anomalo utilizzando l”ipotesi di Gaudsmit e Uhlenbeck sullo spin degli elettroni. Nei suoi articoli successivi, già scritti utilizzando il formalismo di Schrödinger, considerò i sistemi multiparticella e mostrò l”importanza della simmetria degli stati per la comprensione delle caratteristiche spettrali dell”elio (i termini para- e ortoelio), degli ioni di litio e delle molecole di bicromato di potassio, che portarono alla conclusione dell”esistenza di due forme allotropiche dell”idrogeno – l”orto- e il para-idrogeno. In effetti, Heisenberg arrivò indipendentemente alla statistica di Fermi-Dirac per i sistemi che soddisfano il principio di Pauli.

Nel 1928 Heisenberg fondò la teoria quantistica del ferromagnetismo (modello di Heisenberg), utilizzando il concetto di forze di scambio tra elettroni per spiegare il cosiddetto “campo molecolare”, introdotto da Pierre Weiss nel 1907. In questo caso il ruolo chiave è stato giocato dalla direzione relativa degli spin degli elettroni, che ha determinato la simmetria della parte spaziale della funzione d”onda, influenzando così la distribuzione spaziale degli elettroni e l”interazione elettrostatica tra di essi. Nella seconda metà degli anni ”40, Heisenberg tentò senza successo di costruire una teoria della superconduttività che tenesse conto solo dell”interazione elettrostatica tra gli elettroni.

Elettrodinamica quantistica

Dalla fine del 1927 il problema principale che occupava Heisenberg era la costruzione dell”elettrodinamica quantistica, che avrebbe considerato non solo la presenza di un campo elettromagnetico quantizzato, ma anche la sua interazione con particelle cariche relativistiche. L”equazione di Dirac per l”elettrone relativistico, apparsa all”inizio del 1928, da un lato indicava la strada giusta, ma dall”altro dava origine a una serie di problemi, apparentemente insolubili: il problema dell”energia propria dell”elettrone, legato alla comparsa di un additivo infinitamente grande alla massa della particella, e il problema degli stati con energia negativa. Le ricerche condotte da Heisenberg insieme a Pauli giunsero a un punto morto ed egli le abbandonò temporaneamente, dedicandosi alla teoria del ferromagnetismo. Solo all”inizio del 1929 riuscirono a spingersi oltre nella costruzione di uno schema generale della teoria relativistica, che fu delineato in un documento completato nel marzo dello stesso anno. Lo schema proposto si basa su una procedura di quantizzazione della teoria di campo classica contenente una lagrangiana relativisticamente invariante. Gli scienziati hanno applicato questo formalismo a un sistema comprendente un campo elettromagnetico e onde di materia che interagiscono tra loro. Nell”articolo successivo, pubblicato nel 1930, semplificarono notevolmente la teoria, utilizzando considerazioni di simmetria derivanti dalla comunicazione con il famoso matematico Hermann Weil. In primo luogo si tratta di considerazioni sull”invarianza di gauge, che hanno permesso di eliminare alcune costruzioni artificiali della formulazione originale.

Sebbene il tentativo di Heisenberg e Pauli di costruire l”elettrodinamica quantistica abbia esteso in modo significativo i confini della teoria atomica, includendo una serie di risultati noti, non è stato in grado di eliminare le divergenze associate all”infinita autoenergia dell”elettrone puntiforme. Tutti i tentativi fatti in seguito per risolvere questo problema, compresi quelli più radicali come la quantizzazione dello spazio (modello reticolare), non hanno avuto successo. La soluzione è stata trovata molto più tardi nel quadro della teoria della rinormalizzazione.

Dal 1932 Heisenberg prestò molta attenzione al fenomeno dei raggi cosmici, che a suo avviso offriva l”opportunità di una seria verifica dei concetti teorici. Fu nei raggi cosmici che Carl Anderson scoprì il positrone precedentemente previsto da Dirac (il “buco” di Dirac). Nel 1934 Heisenberg sviluppò la teoria delle buche includendo i positroni nel formalismo dell”elettrodinamica quantistica. Allo stesso tempo, come Dirac, postulò l”esistenza del fenomeno della polarizzazione del vuoto e nel 1936, insieme a Hans Euler, calcolò le correzioni quantistiche alle equazioni di Maxwell associate a questo effetto (la cosiddetta Lagrangiana di Heisenberg-Euler).

Fisica nucleare

Nel 1932, subito dopo la scoperta del neutrone da parte di James Chadwick, Heisenberg propose l”idea di una struttura protone-neutrone del nucleo atomico (poco prima era stata proposta indipendentemente da Dmitri Ivanenko) e in tre articoli cercò di costruire una teoria quantomeccanica di tale nucleo. Sebbene questa ipotesi abbia risolto molte difficoltà del modello precedente (protone-elettrone), l”origine degli elettroni emessi nei processi di decadimento beta, alcune caratteristiche della statistica delle particelle nucleari e la natura delle forze tra i nucleoni sono rimaste poco chiare. Heisenberg cercò di chiarire questi problemi ipotizzando l”esistenza di interazioni di scambio tra protoni e neutroni nel nucleo, che sono simili alle forze tra il protone e l”atomo di idrogeno che formano lo ione molecolare idrogeno. Si suppone che questa interazione avvenga attraverso gli elettroni scambiati tra il neutrone e il protone, ma a questi elettroni nucleari sono state attribuite proprietà “sbagliate” (in particolare, dovrebbero essere privi di spin, cioè bosoni). L”interazione tra i neutroni è stata descritta in modo simile all”interazione tra due atomi neutri in una molecola di idrogeno. Qui lo scienziato espresse per la prima volta l”idea dell”invarianza isotopica legata allo scambio di carica tra nucleoni e all”indipendenza di carica delle forze nucleari. Ulteriori miglioramenti a questo modello furono apportati da Ettore Majorana, che scoprì l”effetto di saturazione delle forze nucleari.

Dopo la comparsa nel 1934 della teoria del decadimento beta, sviluppata da Enrico Fermi, Heisenberg si impegnò nella sua espansione e suggerì che le forze nucleari non derivano dallo scambio di elettroni, ma da coppie elettrone-neutrino (questa idea fu sviluppata indipendentemente da Ivanenko, Igor Tamm e Arnold Nordsik). Tuttavia, l”entità di questa interazione era molto minore di quella dimostrata dall”esperimento. Tuttavia, questo modello (con alcune aggiunte) rimase dominante fino alla comparsa della teoria di Hideki Yukawa, che postulava l”esistenza di particelle più pesanti che permettevano l”interazione di neutroni e protoni nel nucleo. Nel 1938 Heisenberg ed Eulero svilupparono metodi per analizzare i dati di assorbimento dei raggi cosmici e furono in grado di fornire la prima stima del tempo di vita di una particella (“mesotrone”, o mesone, come fu poi chiamato) appartenente alla componente dura dei raggi, che fu inizialmente associata all”ipotetica particella di Yukawa. L”anno successivo Heisenberg analizzò i limiti delle teorie quantistiche esistenti sulle interazioni tra particelle elementari basate sulla teoria delle perturbazioni e discusse la possibilità di andare oltre queste teorie fino alle alte energie raggiungibili dai raggi cosmici. In questo campo è possibile la nascita di particelle multiple nei raggi cosmici, che egli considera nel quadro della teoria dei mesoni vettoriali.

Teoria quantistica dei campi

In una serie di tre articoli scritti tra il settembre 1942 e il maggio 1944, Heisenberg propose un modo radicale per eliminare la divergenza nella teoria quantistica dei campi. L”idea di una lunghezza fondamentale (il quanto di spazio) lo spinse ad abbandonare la descrizione mediante un”equazione di Schrödinger continua. Egli tornò al concetto di osservabili, le cui relazioni devono costituire la base di una futura teoria. Per le relazioni tra queste grandezze, a cui si riferivano inequivocabilmente le energie degli stati stazionari e il comportamento asintotico della funzione d”onda nei processi di diffusione, assorbimento ed emissione, introdusse (indipendentemente da John Wheeler che lo fece nel 1937) il concetto di matrice S (matrice di diffusione), ossia l”operatore che trasforma una funzione d”onda incidente in una funzione d”onda diffusa. Secondo l”idea di Heisenberg, la matrice S avrebbe dovuto sostituire l”hamiltoniana nella futura teoria. Nonostante le difficoltà nello scambio di informazioni scientifiche in condizioni di guerra, la teoria delle matrici di diffusione fu presto ripresa da alcuni scienziati (Ernst Stückelberg a Ginevra, Hendrik Kramers a Leida, Christian Møller a Copenaghen, Pauli a Princeton), che si impegnarono a sviluppare ulteriormente il formalismo e a chiarirne gli aspetti fisici. Tuttavia, con il tempo è diventato chiaro che questa teoria nella sua forma pura non può diventare un”alternativa alla normale teoria quantistica dei campi, ma può essere uno degli strumenti matematici utili al suo interno. In particolare, viene utilizzato (in forma modificata) nel formalismo di Feynman dell”elettrodinamica quantistica. Il concetto di matrice S, integrato da una serie di condizioni, ha assunto un ruolo centrale nella formulazione della cosiddetta teoria quantistica assiomatica dei campi e, successivamente, nello sviluppo della teoria delle stringhe.

Nel dopoguerra, con l”aumento del numero di particelle elementari appena scoperte, è sorto il problema di descriverle con l”aiuto del minor numero possibile di campi e interazioni, nel caso più semplice – un singolo campo (allora si può parlare di “teoria del campo unificato”). Dal 1950 circa, il problema di trovare l”equazione giusta per descrivere un singolo campo è stato al centro del lavoro scientifico di Heisenberg. Il suo approccio si basava su una generalizzazione non lineare dell”equazione di Dirac e sulla presenza di una lunghezza fondamentale (dell”ordine del raggio dell”elettrone classico) che limitava l”applicabilità della meccanica quantistica ordinaria. In generale, questa direzione, che si è subito scontrata con formidabili problemi matematici e con la necessità di accogliere un”enorme quantità di dati sperimentali, è stata accettata con scetticismo dalla comunità scientifica e sviluppata quasi esclusivamente nel gruppo di Heisenberg. Sebbene il successo non sia stato raggiunto e lo sviluppo della teoria quantistica sia proceduto principalmente lungo percorsi diversi, alcune idee e metodi apparsi nelle opere dello scienziato tedesco hanno avuto un ruolo in questo ulteriore sviluppo. In particolare, l”idea di rappresentare il neutrino come una particella di Goldstone, nata dalla rottura spontanea della simmetria, ha influenzato lo sviluppo del concetto di supersimmetria.

Idrodinamica

Heisenberg iniziò a occuparsi dei problemi fondamentali dell”idrodinamica all”inizio degli anni Venti; nel suo primo lavoro cercò, seguendo Theodore von Karman, di determinare i parametri della coda di vortici che si verifica dietro una lastra in movimento. Nella sua tesi di dottorato ha esaminato la stabilità del flusso laminare e la natura della turbolenza sull”esempio del flusso di fluidi tra due lastre piane parallele. Egli riuscì a dimostrare che il flusso laminare, stabile a bassi numeri di Reynolds (al di sotto di un valore critico), diventa inizialmente instabile, ma a valori molto elevati la sua stabilità aumenta (solo le perturbazioni a onda lunga sono instabili). Heisenberg tornò sul problema della turbolenza nel 1945, quando fu internato in Inghilterra. Ha sviluppato un approccio basato sulla meccanica statistica, molto simile alle idee sviluppate da Geoffrey Taylor, Andrei Kolmogorov e altri scienziati. In particolare, è riuscito a dimostrare come l”energia venga scambiata tra vortici di dimensioni diverse.

Il rapporto con il regime nazista

Subito dopo l”ascesa al potere di Hitler, nel gennaio 1933, iniziò una rozza invasione della politica nella vita universitaria, con l”obiettivo di “ripulire” la scienza e l”istruzione dagli ebrei e da altri elementi indesiderati. Heisenberg, come molti dei suoi colleghi, fu scioccato dal puro anti-intellettualismo del nuovo regime, che era destinato a indebolire la scienza tedesca. All”inizio, tuttavia, era ancora propenso a sottolineare le caratteristiche positive dei cambiamenti in atto nel Paese. La retorica nazista del rinascimento tedesco e della cultura tedesca sembra averlo attratto per la sua vicinanza agli ideali romantici sposati dal movimento giovanile dopo la prima guerra mondiale. Inoltre, come nota David Cassidy, biografo dello scienziato, la passività con cui Heisenberg e i suoi colleghi percepirono i cambiamenti era probabilmente legata alla tradizione di considerare la scienza come un”istituzione al di fuori della politica.

I tentativi di Heisenberg, Max Planck e Max von Laue di cambiare la politica nei confronti degli scienziati ebrei, o almeno di mitigarne gli effetti attraverso connessioni personali e petizioni attraverso i canali burocratici ufficiali, non ebbero successo. Dall”autunno del 1933, ai “non ariani”, alle donne e alle persone con convinzioni di sinistra fu impedito di insegnare. Dal 1938, i futuri docenti dovettero dimostrare la loro idoneità politica. In questa situazione, Heisenberg e i suoi colleghi, considerando prioritaria la conservazione della fisica tedesca, tentarono di sostituire i posti vacanti con scienziati tedeschi o addirittura stranieri, il che fu accolto negativamente dalla comunità scientifica e non raggiunse l”obiettivo. L”ultima risorsa era quella di dimettersi per protesta, ma Planck dissuase Heisenberg sottolineando l”importanza della sopravvivenza della fisica nonostante il disastro che attendeva la Germania in futuro.

Il desiderio di mantenere una posizione apolitica non solo impedì a Heisenberg e ad altri scienziati di resistere al crescente antisemitismo negli ambienti universitari, ma li mise presto essi stessi sotto grave attacco da parte dei “fisici ariani”. Nel 1935 si intensificarono gli attacchi contro la “fisica ebraica”, che comprendeva la teoria della relatività e la meccanica quantistica. Queste azioni, sostenute dalla stampa ufficiale, erano dirette da attivi sostenitori del regime nazista, i premi Nobel Johannes Stark e Philipp Lenard. Le dimissioni di Arnold Sommerfeld, che aveva scelto il suo celebre allievo per succedergli come professore all”Università di Monaco, provocarono attacchi a Heisenberg, bollato da Stark nel dicembre 1935 come “Geist von Einsteins Geist”. Lo scienziato pubblicò una risposta sul giornale del partito nazista Völkischer Beobachter, chiedendo di prestare maggiore attenzione alle teorie fisiche fondamentali. Nella primavera del 1936 Heisenberg, insieme a Hans Geiger e Max Wien, riuscì a raccogliere le firme di 75 professori su una petizione a sostegno di questo appello. Queste contromisure sembrarono piegare il Ministero dell”Istruzione imperiale dalla parte degli scienziati, ma il 15 luglio 1937 la situazione cambiò ancora una volta. Quel giorno, il giornale ufficiale delle SS Das Schwarze Korps pubblicò un importante articolo di Stark intitolato “Ebrei bianchi nella scienza” (“Weisse Juden” in der Wissenschaft) in cui si proclamava la necessità di eliminare lo “spirito ebraico” dalla fisica tedesca. Heisenberg fu minacciato personalmente di essere mandato in un campo di concentramento e nominato “Osiecki della fisica”. Nonostante i numerosi inviti che gli furono rivolti dall”estero, Heisenberg non volle lasciare il Paese e decise di negoziare con il governo. David Cassidy ha fornito il seguente quadro di questa difficile scelta

Se il regime avesse ripristinato il suo status di superiore, avrebbe accettato i compromessi richiesti, convincendosi inoltre della giustizia della nuova giustificazione: con il sacrificio personale di rimanere nella sua posizione, stava in effetti proteggendo la corretta fisica tedesca dalle distorsioni del nazionalsocialismo.

Seguendo la sua scelta, Heisenberg redasse due lettere ufficiali – al Ministero dell”Istruzione del Reich e al Reichsführer delle SS Heinrich Himmler – chiedendo una risposta ufficiale alle azioni di Stark e dei suoi sostenitori. Nelle lettere affermava che se gli attacchi fossero stati ufficialmente approvati dalle autorità, si sarebbe dimesso dal suo incarico; in caso contrario, avrebbe richiesto la protezione del governo. Grazie a una conoscenza della madre dello scienziato con la madre di Himmler, la lettera giunse a destinazione. Tuttavia, ci volle quasi un anno, durante il quale Heisenberg fu interrogato dalla Gestapo, le sue conversazioni domestiche furono messe sotto controllo e le sue azioni spiate, prima di ricevere una risposta positiva da un alto funzionario del Reich. Tuttavia, il posto di professore a Monaco fu comunque assegnato a un altro candidato, più fedele al partito.

L”inizio del progetto sull”uranio. Viaggio a Copenaghen

Il compromesso raggiunto tra Heisenberg e la leadership nazista è stato descritto figurativamente da Cassidy come un patto faustiano. Da un lato, il successo contro i “fisici ariani” e la riabilitazione pubblica dello scienziato significarono il riconoscimento della sua importanza (e di quella dei suoi colleghi) nel mantenere un alto livello di istruzione e ricerca in fisica nel Paese. L”altro lato di questo compromesso fu la disponibilità degli scienziati tedeschi (tra cui Heisenberg) a collaborare con le autorità e a partecipare agli sviluppi militari del Terzo Reich. La rilevanza di quest”ultimo aspetto aumentò particolarmente con lo scoppio della Seconda Guerra Mondiale, non solo per l”esercito, ma anche per gli stessi scienziati, perché la collaborazione con l”esercito serviva come protezione affidabile dal reclutamento al fronte. L”accordo di Heisenberg di lavorare per il governo nazista aveva un altro risvolto, espresso da Mott e Peierls come segue:

…È ragionevole supporre che volesse che la Germania vincesse la guerra. Non accettava molti aspetti del regime nazista, ma era un patriota. Desiderare che il suo Paese fosse sconfitto avrebbe implicato idee molto più ribelli di quelle che aveva.

Già nel settembre 1939, i vertici dell”esercito sostennero la creazione del cosiddetto “Club dell”uranio” (Uranverein) per approfondire le prospettive di utilizzo della fissione nucleare dell”uranio, scoperta da Otto Hahn e Fritz Strassmann alla fine del 1938. Heisenberg fu tra gli invitati a una delle prime discussioni sul problema, il 26 settembre 1939, in cui furono illustrati i contorni del progetto e la possibilità di applicazioni militari dell”energia nucleare. Lo scienziato doveva studiare teoricamente il funzionamento della “macchina dell”uranio”, come veniva chiamato allora il reattore nucleare. Nel dicembre 1939, presentò il suo primo rapporto classificato con un”analisi teorica della possibilità di generare energia attraverso la fissione nucleare. In quel rapporto furono proposti come moderatori il carbonio e l”acqua pesante, ma a partire dall”estate del 1940 si decise di utilizzare quest”ultima come opzione più economica e accessibile (era già stata prodotta nella Norvegia occupata).

Dopo la sua riabilitazione da parte della leadership nazista, Heisenberg fu autorizzato a tenere conferenze non solo in Germania, ma anche in altri Paesi europei (compresi quelli occupati). Dal punto di vista dei burocrati del partito, egli doveva essere l”incarnazione della prosperità della scienza tedesca. Mark Walker, noto esperto di storia della scienza tedesca in questo periodo, ha scritto sull”argomento:

È chiaro che Heisenberg lavorava per la propaganda nazista inconsapevolmente, forse anche senza saperlo. Tuttavia, è altrettanto chiaro che i funzionari nazionalsocialisti interessati lo stavano usando a fini propagandistici, che le sue attività erano efficaci in questo senso e che i suoi colleghi stranieri avevano ragione di credere che stesse promuovendo il nazismo… Questi viaggi di conferenze all”estero, forse più di ogni altra cosa, avvelenarono i suoi rapporti con molti colleghi stranieri ed ex amici al di fuori della Germania.

Forse l”esempio più famoso di questo viaggio fu l”incontro con Niels Bohr a Copenaghen nel settembre 1941. I dettagli della conversazione tra i due scienziati non sono noti e le interpretazioni variano molto. Secondo lo stesso Heisenberg, egli voleva conoscere l”opinione del suo maestro sull”aspetto morale della creazione di nuove armi, ma poiché non poteva parlare apertamente, Bohr lo fraintese. Il danese ha dato un”interpretazione molto diversa dell”incontro. Ebbe l”impressione che i tedeschi stessero lavorando intensamente sul tema dell”uranio e che Heisenberg volesse scoprire ciò che sapeva al riguardo. Inoltre, Bohr riteneva che il suo ospite gli avesse suggerito di collaborare con i nazisti. Le opinioni dello scienziato danese sono state riflesse in una bozza di lettera, pubblicata per la prima volta nel 2002 e ampiamente discussa dalla stampa.

Nel 1998 è stata rappresentata a Londra la commedia Copenaghen del drammaturgo inglese Michael Frayn, incentrata su un episodio non del tutto chiarito della relazione tra Bohr e Heisenberg. Il successo nel Regno Unito e poi a Broadway ha stimolato il dibattito tra i fisici e gli storici della scienza sul ruolo dello scienziato tedesco nella creazione della “bomba per Hitler” e sul contenuto della conversazione con Bohr. È stato suggerito che Heisenberg volesse comunicare attraverso Bohr ai fisici alleati di non procedere con le armi nucleari o di concentrarsi su un reattore pacifico, come fecero gli scienziati tedeschi. Secondo Walker, Heisenberg disse alla conversazione “tre cose: 1) i tedeschi stanno lavorando alla bomba atomica; 2) lui stesso è ambivalente riguardo a questo lavoro; 3) Bohr dovrebbe collaborare con l”Istituto scientifico tedesco e con le autorità di occupazione”. Non sorprende quindi che il danese, trasferitosi in Inghilterra e poi negli Stati Uniti nell”autunno del 1943, abbia sostenuto il rapido sviluppo della bomba nucleare in questi Paesi.

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Tentativi di costruire un reattore

All”inizio del 1942, nonostante la carenza di uranio e di acqua pesante, vari gruppi di scienziati in Germania erano riusciti a condurre esperimenti di laboratorio con risultati incoraggianti in termini di costruzione di una “macchina a uranio”. In particolare, a Lipsia, Robert Döpel riuscì a ottenere un aumento positivo del numero di neutroni nella geometria sferica della disposizione degli strati di uranio, proposta da Heisenberg. Un totale di 70-100 scienziati in Germania lavorarono al problema dell”uranio in diversi gruppi, uniti da una leadership comune. Di grande importanza per le sorti del progetto fu una conferenza organizzata dal Consiglio scientifico militare nel febbraio 1942 (uno dei relatori era Heisenberg). Pur riconoscendo il potenziale militare dell”energia nucleare, alla luce dell”attuale situazione economica e militare della Germania, si decise che il suo utilizzo in tempi ragionevoli (circa un anno) non sarebbe stato possibile e che quindi questa nuova arma non sarebbe stata in grado di influenzare la guerra. Ciononostante, la ricerca nucleare fu ritenuta importante per il futuro (sia dal punto di vista militare che pacifico) e si decise di continuare a finanziarla, ma la leadership generale fu trasferita dall”esercito all”Imperial Research Council. La decisione fu confermata nel giugno 1942 in occasione di una riunione di scienziati con il Ministro degli Armamenti Albert Speer, e l”obiettivo principale era la costruzione di un reattore nucleare. Come sottolinea Walker, la decisione di non portare il lavoro a livello industriale si rivelò fondamentale per il destino dell”intero progetto tedesco sull”uranio:

Sebbene fino a quel momento le ricerche americane e tedesche avessero proceduto parallelamente, gli americani furono presto in vantaggio sui tedeschi… Confrontando i lavori svolti dall”inverno del 1941

Nel luglio 1942, per organizzare il lavoro sulla “macchina dell”uranio”, l”Istituto di Fisica di Berlino fu restituito alla Kaiser Wilhelm Society e Heisenberg fu nominato capo dell”Istituto (fu anche nominato professore all”Università di Berlino). Poiché Peter Debye, che non era tornato dagli Stati Uniti, rimaneva formalmente direttore dell”istituto, il titolo della carica di Heisenberg era “direttore dell”istituto”. Nonostante la scarsità di materiali, negli anni successivi a Berlino furono condotti diversi esperimenti con l”obiettivo di ottenere una reazione a catena autosostenuta in caldaie nucleari di varie geometrie. Questo obiettivo fu quasi raggiunto nel febbraio 1945, l”ultimo esperimento, che era già in fase di evacuazione, in una stanza scavata in una roccia nel villaggio di Heigerloh (l”istituto stesso si trova nelle vicinanze, a Hehingen). È qui che gli scienziati e l”impianto furono catturati dalla missione segreta Alsos nell”aprile 1945.

Poco prima dell”arrivo delle truppe americane, Heisenberg raggiunse in bicicletta il villaggio bavarese di Urfeld, dove si trovava la sua famiglia e dove fu presto trovato dagli Alleati. Nel luglio 1945, fu uno dei dieci principali scienziati tedeschi coinvolti nel progetto nucleare nazista che furono internati a Farm Hall, vicino a Cambridge. I fisici sono stati tenuti sotto costante sorveglianza per sei mesi e le loro conversazioni sono state registrate con microfoni nascosti. Le registrazioni sono state declassificate dal governo britannico nel febbraio 1992 e costituiscono un prezioso documento sulla storia del progetto nucleare tedesco.

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Discussioni sul dopoguerra

Poco dopo la fine della guerra mondiale, iniziò un acceso dibattito sulle ragioni del fallimento dei fisici tedeschi nella costruzione della bomba atomica. Nel novembre 1946, Die Naturwissenschaften pubblicò un articolo di Heisenberg sul progetto nucleare nazista. Mark Walker ha evidenziato diverse imprecisioni caratteristiche nella trattazione degli eventi da parte dello scienziato tedesco: sminuire il ruolo dei fisici con stretti legami con gli ambienti militari, che non ne fecero mistero (enfatizzazione di un errore sperimentale che portò alla scelta dell”acqua pesante (anziché della grafite) come moderatore, anche se questa scelta fu dettata principalmente da considerazioni economiche; oscurare la comprensione da parte degli scienziati tedeschi del ruolo del reattore nucleare per la produzione di plutonio per le armi; attribuendo all”incontro degli scienziati con il ministro Speer il ruolo cruciale nella presa di coscienza dell”impossibilità di costruire armi nucleari prima della fine della guerra, sebbene ciò fosse stato riconosciuto anche prima dai vertici dell”esercito che avevano deciso di non industrializzare la ricerca e di non sprecare risorse preziose per essa. Nello stesso articolo di Heisenberg compare per la prima volta un”allusione al fatto che i fisici tedeschi (almeno quelli intorno a Heisenberg) controllassero il corso del lavoro e cercassero, per motivi morali, di allontanarlo dallo sviluppo di armi nucleari. Tuttavia, come osserva Walker,

In primo luogo, Heisenberg e il suo entourage non solo non controllarono lo sforzo tedesco di padroneggiare l”energia nucleare, ma non avrebbero potuto farlo nemmeno se ci avessero provato; in secondo luogo, grazie alla decisione delle autorità militari nel 1942 e alla situazione generale della guerra, Heisenberg e gli altri scienziati che lavoravano al problema nucleare non dovettero mai affrontare il difficile dilemma morale che sorge al pensiero di realizzare armi nucleari per i nazisti. Perché correre il rischio di cercare di cambiare la direzione della ricerca se erano sicuri di non poter influenzare l”esito della guerra?

L”altro lato del dibattito era rappresentato da Sam Goudsmit, che alla fine della guerra aveva ricoperto il ruolo di direttore scientifico della missione Alsos (in precedenza lui e Heisenberg erano stati piuttosto amici). In una disputa emotiva durata diversi anni, Goudsmit sostenne che l”ostacolo al successo in Germania era rappresentato dalle carenze della scienza in una società totalitaria, ma in realtà accusò gli scienziati tedeschi di incompetenza, ritenendo che non avessero compreso appieno la fisica della bomba. Heisenberg si oppose fermamente a quest”ultima affermazione. Secondo Walker, “il danno arrecato alla sua reputazione di fisico lo preoccupò probabilmente più delle critiche per aver servito i nazisti”.

La tesi di Heisenberg della “resistenza morale” è stata ulteriormente sviluppata da Robert Jung nel suo bestseller “Brighter than a Thousand Suns”, in cui si sosteneva che gli scienziati tedeschi sabotavano consapevolmente lo sviluppo di nuove armi. In seguito, questa versione è stata ripresa anche in un libro di Thomas Powers. D”altra parte, l”idea di Goudsmit dell”incompetenza dei fisici portata alla ribalta dai nazisti fu ripresa dal generale Leslie Groves, capo del Progetto Manhattan, e successivamente espressa da Paul Lawrence Rose nel suo libro. Secondo Walker, che considerava la ragione principale del fallimento le difficoltà economiche degli anni della guerra, entrambe le tesi contrapposte erano lontane dall”accuratezza storica e riflettevano le esigenze dell”epoca: la tesi di Heisenberg mirava a ripristinare i diritti della scienza tedesca e a riabilitare gli scienziati che avevano collaborato con i nazisti, mentre l”affermazione di Goudsmit serviva a giustificare la paura delle armi nucleari naziste e gli sforzi degli Alleati per costruirle. Anche Mott e Pyerls condividevano efficacemente l”opinione che le difficoltà tecniche fossero cruciali e che fosse impossibile per la Germania compiere uno sforzo così grande nelle circostanze prevalenti.

Entrambi i punti di vista opposti (sabotaggio e incompetenza) non sono pienamente confermati dalle registrazioni delle conversazioni dei fisici tedeschi effettuate durante il loro internamento a Farm Hall. Inoltre, è stato nella Farm Hall che hanno affrontato per la prima volta la questione delle ragioni del fallimento, perché fino al bombardamento di Hiroshima erano convinti di essere molto più avanti degli americani e degli inglesi nello sviluppo nucleare. Nel corso di questa discussione, Karl von Weizsäcker suggerì per la prima volta l”idea che non avessero costruito la bomba perché “non volevano farlo”. Come sottolinea lo storico Horst Kant, ciò ha senso perché Heisenberg e Weizsäcker, a differenza del Progetto Manhattan, non dedicarono tutto il loro tempo allo sviluppo nucleare. In particolare, Heisenberg, proprio nel 1942-1944, sviluppò attivamente la teoria della matrice S, e forse non sentiva un particolare interesse per una ricerca puramente militare. Anche Hans Bethe, che era a capo del dipartimento teorico del Los Alamos Laboratory durante la guerra, ha concluso dai filmati di Farm Hall che Heisenberg non stava lavorando alla bomba atomica. Il dibattito continua ancora oggi ed è tutt”altro che concluso, ma Cassidy ritiene che si possa tranquillamente considerare Heisenberg

… non come un eroe o un cattivo crudele, ma come un uomo istruito e di grande talento che sfortunatamente si trovò indifeso nelle terribili circostanze del suo tempo, per le quali egli, come la maggior parte delle persone, era completamente impreparato.

Per tutta la vita Heisenberg prestò particolare attenzione ai fondamenti filosofici della scienza, ai quali dedicò numerose pubblicazioni e discorsi. Alla fine degli anni Cinquanta pubblicò Physics and Philosophy, un testo delle Gifford Lectures tenute all”Università di St Andrews, e dieci anni dopo l”autobiografico Part and the Whole, che Carl von Weizsäcker definì l”unico dialogo platonico del nostro tempo. Heisenberg fu introdotto alla filosofia di Platone come allievo del ginnasio classico di Monaco, dove ricevette un”educazione umanistica di alta qualità. Inoltre, fu molto influenzato dal padre, un importante scienziato filosofo. Heisenberg mantenne per tutta la vita un interesse per Platone e altri filosofi antichi, e riteneva addirittura che “è difficile progredire nella fisica atomica moderna, senza conoscere la filosofia greca”. Nello sviluppo della fisica teorica nella seconda metà del XX secolo vide un ritorno (su un piano diverso) ad alcune delle idee atomistiche di Platone:

Se vogliamo confrontare i risultati della moderna fisica delle particelle con le idee di uno qualsiasi degli antichi filosofi, la filosofia di Platone sembra la più adeguata: le particelle della fisica moderna sono rappresentanti di gruppi di simmetria, e in questo senso assomigliano alle figure simmetriche della filosofia di Platone.

Le simmetrie che determinano le proprietà delle particelle elementari – e non le particelle stesse – erano considerate da Heisenberg come qualcosa di primario e uno dei criteri di verità di una teoria che mirava a trovare queste simmetrie e le leggi di conservazione associate, egli lo vedeva nella sua bellezza e coerenza logica. L”influenza della filosofia di Platone è visibile anche nel suo precedente lavoro sulla meccanica quantistica. Un”altra fonte di ispirazione per il pensatore Heisenberg fu l”opera di Immanuel Kant, in particolare il suo concetto di conoscenza a priori e la sua analisi del pensiero sperimentale, che si riflette nell”interpretazione della teoria quantistica. L”influenza di Kant è visibile sia nella modifica del significato di causalità da parte di Heisenberg, sia nella sua concezione dell”osservabilità delle grandezze fisiche, che ha portato alla definizione del principio di indeterminazione e alla formulazione del problema della misurazione in microfisica. I primi lavori dello scienziato sulla meccanica quantistica furono indirettamente influenzati dalle idee positivistiche di Ernst Mach (attraverso gli scritti di Einstein).

Oltre che da Einstein, Heisenberg fu profondamente influenzato dall”amicizia e dalla collaborazione con Niels Bohr, che prestò particolare attenzione all”interpretazione della teoria, chiarendo il significato dei concetti in essa utilizzati. Heisenberg, che Wolfgang Pauli aveva inizialmente definito un puro formalista, assimilò presto l”ideologia di Bohr e nel suo famoso lavoro sulle relazioni di incertezza diede un contributo significativo alla ridefinizione dei concetti classici nel microcosmo. In seguito non solo è stato uno dei principali attori nella formazione finale della cosiddetta interpretazione di Copenaghen della meccanica quantistica, ma si è anche dedicato ripetutamente all”analisi storica e concettuale della fisica moderna. Il filosofo Anatoly Akhutin ha individuato nell”idea di confine in senso lato (il concetto di centro organizzatore attorno al quale si costruisce un”immagine unitaria del mondo e della scienza; il problema di andare oltre la conoscenza esistente e di costruire una nuova immagine della realtà (“passi oltre l”orizzonte”) un motivo importante del ragionamento di Heisenberg.

Alcuni articoli in traduzione russa

Fonti

Гейзенберг, Вернер
Werner Karl Heisenberg
1 2 Архив по истории математики Мактьютор
1 2 Werner Heisenberg // Encyclopædia Britannica (англ.)
1 2 Werner Heisenberg // Nationalencyklopedin (швед.) — 1999.
Гейзенберг Вернер // Большая советская энциклопедия: [в 30 т.] / под ред. А. М. Прохоров — 3-е изд. — М.: Советская энциклопедия, 1969.
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.
^ a b Heisenberg”s work on quantum physics was preceded by a quarter century of research.
Werner Heisenberg: Der Teil und das Ganze. R. Piper & Co. Verlag, München 1969, S. 30.
Die Grade waren summa cum laude, magna cum laude, cum laude und als schlechteste Note ein einfaches bestanden.
Cassidy: Heisenberg, physics and the bomb. Bellevue Literary Press, 2009, S. 119.
Heisenberg: The Physical Principles of Quantum Mechanics. University of Chicago Press, 1930, S. 21.
^ La famiglia e i primi anni di vita, su xoomer.virgilio.it. URL consultato il 2 ottobre 2022.
^ (EN) Family matters, su history.aip.org. URL consultato il 2 ottobre 2022.
^ Il ginnasio e l’impegno nella Prima Guerra mondiale, su xoomer.virgilio.it. URL consultato il 2 ottobre 2022.
^ Cattaneo, pp. 5-7.