Werner Heisenberg

gigatos | 4 marca, 2022

Post Views: 8

Streszczenie

Werner Carl Heisenberg (5 grudnia 1901, Würzburg – 1 lutego 1976, Monachium) – niemiecki fizyk teoretyczny, jeden z twórców mechaniki kwantowej, laureat Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki (1932), członek wielu akademii i towarzystw naukowych.

Heisenberg jest autorem wielu fundamentalnych wyników w teorii kwantów: stworzył podstawy mechaniki macierzowej, sformułował relację nieoznaczoności, zastosował formalizm mechaniki kwantowej do problemów ferromagnetyzmu, anomalnego efektu Zeemana i innych. Później aktywnie uczestniczył w rozwoju elektrodynamiki kwantowej (teoria Heisenberga i Pauliego) i kwantowej teorii pola (teoria macierzy S), a w ostatnich dekadach życia podjął próby stworzenia jednolitej teorii pola. Heisenberg jest autorem jednej z pierwszych kwantowo-mechanicznych teorii sił jądrowych, w czasie II wojny światowej był głównym teoretykiem niemieckiego projektu jądrowego. Zajmował się także fizyką promieniowania kosmicznego, teorią turbulencji i filozoficznymi problemami przyrodoznawstwa. Heisenberg odegrał istotną rolę w organizacji badań naukowych w powojennych Niemczech.

Przeczytaj także: biografie-pl – William Wilberforce

Lata młodzieńcze (1901-1920)

Werner Heisenberg urodził się w Würzburgu w rodzinie Augusta Heisenberga, profesora filologii greckiej średniowiecznej i nowożytnej, i Annie Wecklein, córki dyrektora Gimnazjum Maksymiliana w Monachium. Był drugim dzieckiem w rodzinie, jego starszy brat Erwin (1900-1965) został później chemikiem. W 1910 r. rodzina przeniosła się do Monachium, gdzie Werner uczęszczał do szkoły, osiągając dobre wyniki w matematyce, fizyce i gramatyce. Naukę przerwano mu wiosną 1918 r., kiedy wraz z innymi 16-latkami został wysłany do gospodarstwa rolnego do prac pomocniczych. W tym czasie zaczął poważnie interesować się filozofią, czytając Platona i Kanta. Po zakończeniu I wojny światowej kraj i miasto znalazły się w niepewnej sytuacji, władza przechodziła z rąk do rąk. Wiosną 1919 r. Heisenberg przez krótki czas pełnił funkcję zakrystiana, pomagając oddziałom nowego rządu bawarskiego, które wkroczyły do miasta. Zaangażował się wtedy w ruch młodzieżowy, którego częścią był silny sprzeciw wobec status quo, starych tradycji i uprzedzeń. Oto jak sam Heisenberg wspominał jedno ze spotkań tych młodych ludzi:

Było wiele wystąpień, których patos wydawałby się nam dzisiaj obcy. Co jest ważniejsze, los naszego narodu czy los ludzkości; czy ofiarna śmierć poległych nie ma sensu w klęsce; czy młodzi ludzie mają prawo kształtować własne życie według własnych wyobrażeń o wartościach; co jest ważniejsze, wierność sobie czy starym formom, które od wieków porządkowały życie ludzi – o tym wszystkim mówiono i spierano się z pasją. Byłem zbyt niezdecydowany we wszystkich kwestiach, by brać udział w tych debatach, ale słuchałem ich wielokrotnie…

Jednak w tym czasie jego głównym zainteresowaniem nie była polityka, filozofia czy muzyka (Heisenberg był utalentowanym pianistą i, jak wspomina Feliks Bloch, potrafił godzinami grać na instrumencie), lecz matematyka i fizyka. Uczył się ich w większości samodzielnie, a jego wiedza, która znacznie wykraczała poza kurs szkolny, została szczególnie zauważona podczas egzaminów końcowych w gimnazjum. Podczas długiej choroby przeczytał książkę Hermanna Weilla „Przestrzeń, czas i materia” i pod wrażeniem potęgi metod matematycznych i ich zastosowań postanowił studiować matematykę na Uniwersytecie w Monachium, gdzie zapisał się latem 1920 r. Ferdinand von Lindemann, profesor matematyki, odmówił jednak przyjęcia nowicjusza do swojego seminarium i za radą ojca Heisenberg udał się do znanego fizyka teoretycznego Arnolda Sommerfelda. Natychmiast zgodził się przyjąć Wernera do swojej grupy, w której pracował już młody Wolfgang Pauli, który wkrótce stał się bliskim przyjacielem Heisenberga.

Przeczytaj także: bitwy – Francisco Vásquez de Coronado

Monachium – Getynga – Kopenhaga (1920-1927)

Pod kierunkiem Sommerfelda Heisenberg zaczął pracować w duchu tak zwanej „starej teorii kwantów”. Zimę 1922-1923 Sommerfeld spędził na Uniwersytecie Wisconsin (USA), polecając swojemu uczniowi pracę w Getyndze pod kierunkiem Maxa Borna. W ten sposób rozpoczęła się owocna współpraca obu naukowców. Należy zauważyć, że Heisenberg odwiedził Getyngę już w czerwcu 1922 r. podczas tzw. „Festiwalu Bohra” – serii wykładów Nielsa Bohra na temat nowej fizyki atomowej. Młody fizyk poznał nawet słynnego Duńczyka i rozmawiał z nim podczas jednego ze spacerów. Jak wspominał później sam Heisenberg, rozmowa ta miała ogromny wpływ na ukształtowanie jego poglądów i podejścia do problemów naukowych. Rolę różnych wpływów w jego życiu określił następująco: „Optymizmu nauczyłem się od Sommerfelda, matematyki od Getyngi, a fizyki od Bohra.

Heisenberg wrócił do Monachium na semestr letni 1923 roku. W tym czasie przygotował już pracę magisterską dotyczącą podstawowych problemów hydrodynamiki. Temat został zaproponowany przez Sommerfelda, który uważał, że bardziej klasyczny temat uprości obronę. Jednakże, aby uzyskać tytuł doktora, oprócz pracy magisterskiej należało zdać egzamin ustny z trzech przedmiotów. Szczególnie trudny był test z fizyki doświadczalnej, do którego Heisenberg nie przywiązywał zbytniej wagi. Wilhelma Wiena (o rozdzielczość interferometru Fabry”ego-Perota, mikroskopu, teleskopu i zasadę działania akumulatora ołowiowego), ale dzięki wstawiennictwu Sommerfelda otrzymał najniższą ocenę, wystarczającą do nadania stopnia naukowego.

Jesienią 1923 r. Heisenberg wrócił do Getyngi, aby spotkać się z Bornem, który załatwił mu dodatkowe stanowisko asystenta. Born tak opisał swojego nowego pracownika:

Wyglądał jak prosty chłopiec, z krótkimi blond włosami, jasnymi, żywymi oczami i czarującym wyrazem twarzy. Swoje obowiązki asystenta wykonywał poważniej niż Pauli i był dla mnie wielką pomocą. Jego niepojęta szybkość i bystrość umysłu pozwalały mu zawsze przebrnąć przez kolosalną ilość pracy bez większego wysiłku.

W Getyndze młody uczony kontynuował prace nad teorią efektu Zeemana i innymi problemami kwantowymi, a w następnym roku habilitował się i uzyskał oficjalne uprawnienia do prowadzenia wykładów. Jesienią 1924 r. Heisenberg po raz pierwszy przyjechał do Kopenhagi, gdzie pracował pod kierunkiem Nielsa Bohra. Rozpoczął także bliską współpracę z Hendrikiem Kramersem, z którym napisał wspólną pracę na temat kwantowej teorii dyspersji.

Wiosną 1925 r. Heisenberg powrócił do Getyngi i w ciągu kilku miesięcy poczynił decydujący postęp w konstruowaniu pierwszej logicznie spójnej teorii kwantowej – mechaniki macierzowej. Następnie formalizm teorii został udoskonalony dzięki pomocy Borna i Pascuala Jordana. Inne sformułowanie tej teorii, mechanika falowa, zostało podane przez Erwina Schrödingera i stało się bodźcem zarówno do licznych konkretnych zastosowań, jak i do głębokiego rozwinięcia fizycznych podstaw teorii. Jednym z rezultatów tych działań była zasada nieoznaczoności Heisenberga, sformułowana na początku 1927 roku.

W maju 1926 r. Heisenberg przeniósł się do Danii i objął stanowisko profesora nadzwyczajnego na Uniwersytecie w Kopenhadze oraz asystenta Nielsa Bohra.

Przeczytaj także: biografie-pl – Giotto di Bondone

Od Lipska do Berlina (1927-1945)

Uznanie dla zasług naukowych Heisenberga zaowocowało zaproszeniami na stanowiska profesorskie w Lipsku i Zurychu. Uczony wybrał Lipsk, gdzie Peter Debye był dyrektorem uniwersyteckiego Instytutu Fizyki, i w październiku 1927 r. objął stanowisko profesora fizyki teoretycznej. Jego współpracownikami byli Gregor Wentzel i Friedrich Hund, a pierwszym asystentem był Guido Beck. Heisenberg pełnił szereg obowiązków na wydziale, prowadził wykłady z fizyki teoretycznej i organizował cotygodniowe seminarium z teorii atomu, któremu towarzyszyły nie tylko intensywne dyskusje nad problemami naukowymi, ale także przyjacielskie spotkania przy herbacie i okazjonalne zawody w tenisa stołowego (młody profesor grał bardzo dobrze i z wielkim zapałem). Jednak, jak zauważają biografowie Neville Mott i Rudolf Peierls, wczesna sława Heisenberga miała niewielki wpływ na jego cechy osobiste:

Nikt by go nie osądzał, gdyby zaczął traktować siebie poważnie i stał się nieco pompatyczny po wykonaniu co najmniej dwóch kluczowych kroków, które zmieniły oblicze fizyki, i po zostaniu profesorem w tak młodym wieku, co sprawiło, że wielu starszych i mniej ważnych ludzi też poczuło się ważnymi, ale on pozostał taki, jaki był – nieformalny i pogodny w swoim traktowaniu, niemal chłopięcy i posiadający skromność graniczącą z nieśmiałością.

W Lipsku pojawili się pierwsi uczniowie Heisenberga i wkrótce powstała tu znacząca szkoła naukowa. W różnych okresach członkami grupy teoretycznej byli: Felix Bloch, Hugo Fano, Erich Hückel, Robert Mulliken, Rudolf Peierls, Georg Placzek, John Slater i 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 i wielu innych. Choć profesor zazwyczaj nie zagłębiał się w matematyczne szczegóły prac swoich studentów, często pomagał im wyjaśnić fizyczną naturę badanego problemu. Felix Bloch, pierwszy uczeń Heisenberga (późniejszy laureat Nagrody Nobla), tak opisał pedagogiczne i naukowe cechy swojego mentora

Gdybym miał wybrać tylko jedną z jego wspaniałych cech jako nauczyciela, byłaby to jego niezwykle pozytywna postawa wobec wszelkich postępów i zachęta w tym względzie. …Jedną z najbardziej uderzających cech Heisenberga była niemal niewątpliwa intuicja, z jaką podchodził do problemu fizycznego, oraz fenomenalny sposób, w jaki rozwiązania zdawały się spadać z nieba.

W 1933 r. Heisenberg otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za rok ubiegły w następującym brzmieniu: „za stworzenie mechaniki kwantowej, której zastosowanie doprowadziło m.in. do odkrycia alotropowych form wodoru”. Mimo radości naukowiec wyraził zdumienie faktem, że jego koledzy Paul Dirac i Erwin Schrödinger otrzymali tę samą nagrodę (za rok 1933) po dwóch, a Max Born został całkowicie pominięty przez Komitet Noblowski. W styczniu 1937 r. poznał młodą kobietę, Elisabeth Schumacher (1914-1998), córkę berlińskiego profesora ekonomii, a w kwietniu ożenił się z nią. W następnym roku urodziły im się bliźnięta Wolfgang i Anna-Maria. Martin Heisenberg został genetykiem, Jochen Heisenberg fizykiem, a Anna-Marie i Verena fizjologami.

W tym czasie sytuacja polityczna w Niemczech uległa radykalnej zmianie: do władzy doszedł Hitler. Heisenberg, który zdecydował się pozostać w kraju, został wkrótce zaatakowany przez przeciwników tzw. fizyki żydowskiej, obejmującej mechanikę kwantową i względność. Mimo to przez całe lata 30. i wczesne 40. pracował intensywnie nad problemami teorii jądra atomowego, fizyki promieni kosmicznych i kwantowej teorii pola. Od 1939 r. uczestniczył w niemieckim projekcie jądrowym jako jeden z jego liderów, a w 1942 r. został mianowany profesorem fizyki na Uniwersytecie Berlińskim i szefem Instytutu Fizyki Towarzystwa Cesarza Wilhelma.

Przeczytaj także: biografie-pl – Kees van Dongen

Okres powojenny (1946-1976)

Podczas operacji Epsilon dziesięciu niemieckich naukowców (w tym Heisenberg), którzy w nazistowskich Niemczech pracowali nad bronią jądrową, zostało zatrzymanych przez wojska alianckie. Naukowcy zostali schwytani między 1 maja a 30 czerwca 1945 r. i przewiezieni do Farm Hall, podsłuchiwanego budynku w Godmanchester, niedaleko Cambridge w Anglii. Byli tam przetrzymywani od 3 lipca 1945 r. do 3 stycznia 1946 r. w celu ustalenia, jak blisko Niemcy są skonstruowania bomby atomowej.

Na początku 1946 roku pułkownik B.K. Blount, członek wydziału naukowego brytyjskiego rządu wojskowego strefy okupacyjnej, zaprosił Heisenberga i Otto Hahna do Getyngi, gdzie miało się rozpocząć odrodzenie nauki w zniszczonych Niemczech. Naukowcy poświęcili wiele uwagi pracom organizacyjnym, najpierw w ramach Rady Nauki, a następnie Towarzystwa Maxa Plancka, które zastąpiło Towarzystwo Cesarza Wilhelma. W 1949 r., po utworzeniu RFN, Heisenberg został pierwszym przewodniczącym Niemieckiego Towarzystwa Naukowego, którego zadaniem było promowanie pracy naukowej w kraju. Jako szef Komitetu Fizyki Atomowej był jednym z inicjatorów prac nad reaktorami jądrowymi w Niemczech. Jednocześnie Heisenberg sprzeciwiał się zakupowi broni jądrowej przez rząd Adenauera. W 1955 r. odegrał aktywną rolę w powstaniu tzw. Deklaracji z Mainau, podpisanej przez szesnastu laureatów Nagrody Nobla, a dwa lata później – Manifestu Getyngeńskiego osiemnastu uczonych niemieckich. W 1958 r. podpisał apel zainicjowany przez Linusa Paulinga i skierowany do Sekretarza Generalnego ONZ, wzywający do wprowadzenia zakazu prób jądrowych. Odległym rezultatem tej działalności było przystąpienie RFN do Układu o nierozprzestrzenianiu broni jądrowej.

Heisenberg aktywnie wspierał utworzenie CERN-u, uczestnicząc w wielu jego komitetach. W szczególności był pierwszym przewodniczącym Komitetu Polityki Naukowej i brał udział w określaniu kierunku rozwoju CERN-u. W tym samym czasie Heisenberg był dyrektorem Instytutu Fizyki Maxa Plancka, który w 1958 r. przeniósł się z Getyngi do Monachium i zmienił nazwę na Instytut Fizyki Maxa Plancka (Max-Planck-Institut für Physik). Naukowiec stał na czele tej instytucji aż do przejścia na emeryturę w 1970 r. Wykorzystał swoje wpływy do powołania nowych instytutów w ramach Towarzystwa – Centrum Badawczego w Karlsruhe (obecnie część Uniwersytetu w Karlsruhe), Max-Planck-Institut für Plasmaphysik oraz Institute for Extraterrestrial Physics. W 1953 r. został pierwszym powojennym prezesem Fundacji Alexandra von Humboldta, której celem było wspieranie zagranicznych naukowców chcących pracować w Niemczech. Pełniąc tę funkcję przez dwie dekady, Heisenberg zapewnił Fundacji autonomię i jej strukturę, wolną od biurokratycznych niedociągnięć agencji rządowych.

Mimo licznych obowiązków administracyjnych i społecznych uczony kontynuował pracę naukową, koncentrując się w ostatnich latach na próbach opracowania jednolitej teorii pola. Jego współpracownikami w grupie getyngeńskiej byli w różnych okresach Karl von Weizsäcker, Kazuhiko Nishijima, Harry Lehmann, Gerhart Lueders, Reinhard Oehme, Walter Thierring, Bruno Zumino, Hans-Peter Dürr i inni. Po przejściu na emeryturę Heisenberg wypowiadał się głównie na tematy ogólne lub filozoficzne z zakresu nauk przyrodniczych. W 1975 r. stan jego zdrowia zaczął się pogarszać, a 1 lutego 1976 r. zmarł. Znany fizyk Eugene Wigner napisał z tej okazji:

Nie ma żyjącego fizyka teoretycznego, który wniósłby do naszej nauki większy wkład niż on. Jednocześnie był przyjaźnie nastawiony do wszystkich, pozbawiony arogancji i utrzymywał nas w miłym towarzystwie.

Przeczytaj także: biografie-pl – René Magritte

Stara teoria kwantowa

Początek lat 20. w fizyce atomowej to czas tzw. „starej teorii kwantowej”, która pierwotnie opierała się na ideach Nielsa Bohra, a następnie została rozwinięta w pracach Sommerfelda i innych naukowców. Jedną z głównych metod uzyskiwania nowych wyników była zasada korespondencji Bohra. Mimo wielu sukcesów wiele kwestii nie zostało jeszcze rozwiązanych w zadowalający sposób, np. problem kilku oddziałujących na siebie cząstek czy problem kwantowania przestrzennego. Ponadto sama teoria była niespójna: klasyczne prawa Newtona można było zastosować tylko do stacjonarnych orbit elektronu, natomiast przejścia między nimi nie dało się na tej podstawie opisać.

Sommerfeld, zdając sobie sprawę z tych wszystkich trudności, zaangażował Heisenberga do pracy nad teorią. Jego pierwsza praca, opublikowana na początku 1922 r., dotyczyła fenomenologicznego modelu efektu Zeemana. Praca ta, w której zaproponowano śmiały model ramy atomowej oddziałującej z elektronami walencyjnymi i wprowadzono pół-integralne liczby kwantowe, natychmiast uczyniła z młodego naukowca jednego z liderów spektroskopii teoretycznej. W kolejnych pracach omówiono szerokość i natężenie linii spektralnych oraz ich składowe zeemanowskie na podstawie zasady korespondencji. W pracach napisanych we współpracy z Maxem Bornem rozważano ogólne problemy teorii atomów wieloelektronowych (w ramach klasycznej teorii perturbacji), analizowano teorię cząsteczek i zaproponowano hierarchię ruchów wewnątrzcząsteczkowych różniących się energią (rotacje i drgania cząsteczek, wzbudzenia elektronowe), oceniano wartości polaryzacji atomowych i stwierdzono, że konieczne jest wprowadzenie półintegrowych liczb kwantowych. Kolejna modyfikacja relacji kwantowych polegaj±ca na przypisaniu stanom kwantowym atomu dwóch półintegralnych warto¶ci liczb kwantowych momentu pędu wynikała z rozważań nad anomalnym efektem Zeemana (ta modyfikacja została wyja¶niona póĽniej obecno¶ci± spinu elektronowego). Praca ta, zgodnie z sugestią Borna, posłużyła jako Habilitationsschrift, czyli podstawa do habilitacji, którą Heisenberg uzyskał w wieku 22 lat na Uniwersytecie w Getyndze.

Wspólna praca z Hendrikiem Kramersem, napisana w Kopenhadze, zawierała sformułowanie teorii dyspersji, które uogólniało ostatnie wyniki badań Borna i samego Kramersa. W rezultacie powstały kwantowo-teoretyczne odpowiedniki wzorów dyspersyjnych na polaryzowalność atomu w danym stanie stacjonarnym, uwzględniające możliwość przejść do wyższych i niższych stanów. Ta ważna praca, opublikowana na początku 1925 roku, była bezpośrednim prekursorem pierwszego sformułowania mechaniki kwantowej.

Przeczytaj także: biografie-pl – Henryk II Walezjusz

Tworzenie mechaniki macierzy

Heisenberg nie był zadowolony z dotychczasowego stanu teorii, która wymagała rozwiązania każdego problemu z zakresu fizyki klasycznej, a następnie przełożenia go na język kwantowy za pomocą zasady korespondencji. Takie podejście nie zawsze przynosiło rezultaty i w dużej mierze zależało od intuicji badacza. Wiosną 1925 roku, poszukując rygorystycznego i logicznie spójnego formalizmu, Heisenberg postanowił porzucić stary opis, zastępując go opisem w kategoriach tzw. wielkości obserwowalnych. Na ten pomysł wpłynęły prace Alberta Einsteina, który podał relatywistyczną definicję czasu zamiast nieobserwowalnego newtonowskiego czasu absolutnego. (Jednak już w kwietniu 1926 roku Einstein w prywatnej rozmowie z Heisenbergiem zauważył, że to teoria decyduje o tym, które wielkości są obserwowalne, a które nie). Heisenberg odrzucił klasyczne pojęcia położenia i pędu elektronu w atomie i uznał, że częstość i amplituda oscylacji mogą być wyznaczone na podstawie eksperymentu optycznego. Udało mu się przedstawić te wielkości jako zbiory liczb zespolonych i podać regułę ich mnożenia, która okazała się niekomutatywna, a następnie zastosować opracowaną metodę do problemu oscylatora anharmonicznego. Dla pewnego przypadku oscylatora harmonicznego było to naturalną konsekwencją istnienia tak zwanej „energii punktu zerowego”. W ten sposób zasada korespondencji została włączona do samych podstaw opracowanego systemu matematycznego.

Heisenberg uzyskał rozwiązanie w czerwcu 1925 r. na wyspie Helgoland, gdzie leczył się po ataku kataru siennego. Po powrocie do Getyngi opisał swoje wyniki w pracy „O kwantowo-teoretycznej interpretacji relacji kinematycznych i mechanicznych” i wysłał ją do Wolfganga Pauliego. Po uzyskaniu jego akceptacji Heisenberg przekazał pracę Bornowi do publikacji w czasopiśmie Zeitschrift für Physik, gdzie została przyjęta 29 lipca 1925 roku. Born wkrótce zrozumiał, że zbiory liczb reprezentujących wielkości fizyczne są niczym więcej niż macierzami, a reguła Heisenberga dotycząca ich mnożenia jest regułą mnożenia macierzy.

Ogólnie rzecz biorąc, mechanika macierzowa spotkała się z raczej biernym przyjęciem ze strony środowiska fizyków, którzy w niewielkim stopniu znali matematyczny formalizm macierzy i których zniechęcała skrajna abstrakcyjność teorii. Tylko nieliczni naukowcy zwrócili uwagę na artykuł Heisenberga. Na przykład Niels Bohr natychmiast pochwalił tę pracę i stwierdził, że „rozpoczęła się nowa era wzajemnego stymulowania się mechaniki i matematyki”. Pierwsze ścisłe sformułowanie mechaniki macierzowej zostało podane przez Borna i Pascuala Jordana we wspólnej pracy „O mechanice kwantowej”, ukończonej we wrześniu 1925 roku. Uzyskali fundamentalną relację permutacji (warunek kwantowy) dla macierzy współrzędnych i pędu. Heisenberg wkrótce zaangażował się w te badania, których kulminacją było słynne „dzieło trzech” (Drei-Männer Arbeit), ukończone w listopadzie 1925 roku. Przedstawiono w nim ogólną metodę rozwiązywania problemów w ramach mechaniki macierzowej, w szczególności rozważania układów o dowolnej liczbie stopni swobody, wprowadzenie przekształceń kanonicznych, podanie podstaw kwantowo-mechanicznej teorii perturbacji, rozwiązanie problemu kwantowania pędu, omówienie reguł wyboru i szeregu innych zagadnień.

Dalsze modyfikacje mechaniki macierzowej przebiegały w dwóch głównych kierunkach: uogólnienie macierzy do postaci operatorów, dokonane przez Borna i Norberta Wienera, oraz przedstawienie teorii w postaci algebraicznej (w ramach formalizmu hamiltonowskiego), opracowane przez Paula Diraca. Ten ostatni wspominał wiele lat później, jak stymulujące było pojawienie się mechaniki macierzowej dla dalszego rozwoju fizyki atomowej:

Mam najbardziej przekonujący powód, by być wielbicielem Wernera Heisenberga. Uczyliśmy się w tym samym czasie, byliśmy prawie w tym samym wieku i pracowaliśmy nad tym samym problemem. Heisenbergowi udało się to, co mnie się nie udało. W tym czasie zgromadzono już ogromną ilość materiału spektroskopowego, a Heisenberg znalazł właściwą drogę w swoim labiryncie. W ten sposób zapoczątkował złotą erę fizyki teoretycznej, a wkrótce nawet student drugiej kategorii był w stanie wykonać pracę najwyższej klasy.

Przeczytaj także: cywilizacje – Austro-Węgry

Stosunek niepewności

Na początku 1926 roku ukazała się drukiem praca Erwina Schrödingera o mechanice falowej, która opisywała procesy atomowe w zwykłej postaci ciągłych równań różniczkowych i która, jak się wkrótce okazało, była matematycznie tożsama z formalizmem macierzowym. Heisenberg krytycznie odniósł się do nowej teorii, a zwłaszcza do jej pierwotnej interpretacji jako traktującej o falach rzeczywistych przenoszących ładunek elektryczny. I nawet pojawienie się probabilistycznego ujęcia funkcji falowej Borna nie rozwiązało problemu interpretacji formalizmu, czyli wyjaśnienia znaczenia używanych w nim pojęć. Potrzeba rozwiązania tego problemu stała się szczególnie wyraźna we wrześniu 1926 roku, po wizycie Schrödingera w Kopenhadze, gdzie w długiej dyskusji z Bohrem i Heisenbergiem bronił obrazu ciągłości zjawisk atomowych i krytykował koncepcję dyskretności i skoków kwantowych.

Punktem wyjścia w analizie Heisenberga było uświadomienie sobie potrzeby dostosowania klasycznych pojęć (takich jak „współrzędna” i „moment pędu”) tak, aby można je było stosować w mikrofizyce, podobnie jak teoria względności dostosowała pojęcia przestrzeni i czasu, nadając tym samym znaczenie formalizmowi transformacji Lorentza. Znalazł wyjście z sytuacji, narzucając ograniczenie na stosowanie pojęć klasycznych, wyrażone matematycznie w postaci zależności niepewności: „im dokładniej określa się położenie, tym mniej dokładnie znany jest pęd i odwrotnie”. Swoje wnioski zademonstrował w słynnym eksperymencie mentalnym z użyciem mikroskopu promieniowania gamma. Heisenberg przedstawił swoje wyniki w 14-stronicowym liście do Pauliego, który je pochwalił. Bohr, który wrócił z wakacji w Norwegii, nie był w pełni zadowolony i zgłosił szereg uwag, ale Heisenberg odmówił wprowadzenia zmian do swojego tekstu, wspominając o sugestiach Bohra w postscriptum. Artykuł „On the illustrative content of quantum-theoretic kinematics and mechanics” opisujący szczegółowo zasadę nieoznaczoności wpłynął do redakcji Zeitschrift für Physik 23 marca 1927 roku.

Zasada nieoznaczoności nie tylko odegrała ważną rolę w rozwoju interpretacji mechaniki kwantowej, lecz także spowodowała powstanie wielu problemów filozoficznych. Bohr powiązał ją z bardziej ogólnym pojęciem addytywności, które rozwijał w tym samym czasie: interpretował relacje niepewności jako matematyczne wyrażenie granicy, do której możliwe są wzajemnie wykluczające się (dodatkowe) pojęcia. Co więcej, artykuł Heisenberga zwrócił uwagę fizyków i filozofów na pojęcie pomiaru, a także na nowe, nietypowe rozumienie przyczynowości zaproponowane przez autora: „(…) w mocnym sformułowaniu prawa przyczynowości: ”jeśli ktoś zna dokładnie teraźniejszość, może przewidzieć przyszłość”, błędna jest przesłanka, a nie wniosek. Z zasady nie możemy znać teraźniejszości we wszystkich jej szczegółach”. Później, w 1929 r., wprowadził do teorii kwantowej pojęcie „załamania pakietu falowego”, które stało się jednym z podstawowych pojęć w ramach tzw. interpretacji kopenhaskiej mechaniki kwantowej.

Przeczytaj także: wazne_wydarzenia – Karl Marx

Zastosowania mechaniki kwantowej

Pojawienie się mechaniki kwantowej (najpierw w postaci macierzowej, a potem falowej), natychmiast uznane przez społeczność naukową, pobudziło szybki postęp w rozwoju koncepcji kwantowych, rozwiązując wiele konkretnych problemów. Sam Heisenberg w marcu 1926 roku ukończył wraz z Jordanem pracę wyjaśniającą anomalny efekt Zeemana, wykorzystując hipotezę Gaudsmita i Uhlenbecka dotyczącą spinu elektronu. W późniejszych pracach, napisanych już przy użyciu formalizmu Schrödingera, rozważał układy wielocząsteczkowe i wykazał znaczenie symetrii stanów dla zrozumienia cech widmowych helu (pojęcia para- i ortohelu), jonów litu i cząsteczek dwuchromu, co doprowadziło do wniosku o istnieniu dwóch alotropowych form wodoru – orto- i parawodoru. W rzeczywistości Heisenberg niezależnie doszedł do statystyki Fermiego-Diraca dla układów spełniających zasadę Pauliego.

W 1928 r. Heisenberg stworzył podstawy kwantowej teorii ferromagnetyzmu (model Heisenberga), wykorzystując koncepcję sił wymiany między elektronami do wyjaśnienia tzw. pola molekularnego, wprowadzonego przez Pierre”a Weissa w 1907 r. W tym przypadku kluczową rolę odgrywał względny kierunek spinów elektronowych, który określał symetrię przestrzennej części funkcji falowej, a tym samym wpływał na przestrzenne rozmieszczenie elektronów i oddziaływania elektrostatyczne między nimi. W drugiej połowie lat 40. Heisenberg podjął nieudaną próbę skonstruowania teorii nadprzewodnictwa, która uwzględniałaby tylko elektrostatyczne oddziaływanie między elektronami.

Przeczytaj także: cywilizacje – Republika Wenecka

Elektrodynamika kwantowa

Od końca 1927 roku głównym problemem, który zajmował Heisenberga, było skonstruowanie elektrodynamiki kwantowej, która uwzględniałaby nie tylko obecność skwantowanego pola elektromagnetycznego, ale także jego oddziaływanie z relatywistycznymi cząstkami naładowanymi. Równanie Diraca dla relatywistycznego elektronu, które pojawiło się na początku 1928 roku, z jednej strony wskazywało właściwą drogę, ale z drugiej strony rodziło szereg problemów, wydawałoby się nierozwiązywalnych – problem energii właściwej elektronu, związany z pojawieniem się nieskończenie dużego dodatku do masy cząstki, oraz problem stanów o ujemnej energii. Badania prowadzone przez Heisenberga wspólnie z Paulim znalazły się w martwym punkcie i Heisenberg chwilowo je porzucił, zajmując się teorią ferromagnetyzmu. Dopiero na początku 1929 r. udało im się posunąć dalej w konstruowaniu ogólnego schematu teorii relatywistycznej, który został nakreślony w pracy ukończonej w marcu tego samego roku. Zaproponowany schemat opierał się na procedurze kwantyzacji klasycznej teorii pola zawierającej relatywistycznie niezmienny Lagrangian. Naukowcy zastosowali ten formalizm do układu zawierającego pole elektromagnetyczne i oddziałujące ze sobą fale materii. W kolejnej pracy, opublikowanej w 1930 r., znacznie uprościli teorię, wykorzystując rozważania o symetrii, uzyskane dzięki kontaktom ze słynnym matematykiem Hermannem Weilem. Przede wszystkim dotyczyło to rozważań o niezmienniczości gauge”a, co pozwoliło pozbyć się pewnych sztucznych konstrukcji z oryginalnego sformułowania.

Chociaż próba skonstruowania przez Heisenberga i Pauliego elektrodynamiki kwantowej znacznie rozszerzyła granice teorii atomowej, włączając do niej wiele znanych wyników, to okazała się niezdolna do wyeliminowania rozbieżności związanych z nieskończoną energią własną elektronu punktowego. Wszystkie podejmowane później próby rozwiązania tego problemu, w tym tak radykalne, jak kwantyzacja przestrzeni (model kratowy), nie powiodły się. Rozwiązanie znaleziono znacznie później w ramach teorii renormalizacji.

Od 1932 r. Heisenberg wiele uwagi poświęcał zjawisku promieniowania kosmicznego, które jego zdaniem stwarzało okazję do poważnej weryfikacji koncepcji teoretycznych. To właśnie w promieniach kosmicznych Carl Anderson odkrył pozyton przewidziany wcześniej przez Diraca („dziura” Diraca). W 1934 r. Heisenberg rozwinął teorię dziur, włączając pozytony do formalizmu elektrodynamiki kwantowej. Równocześnie, podobnie jak Dirac, postulował istnienie zjawiska polaryzacji próżni i w 1936 r. wraz z Hansem Eulerem obliczył związane z tym efektem kwantowe poprawki do równań Maxwella (tzw. Lagranżan Heisenberga-Eulera).

Przeczytaj także: biografie-pl – Herman Willem Daendels

Fizyka jądrowa

W 1932 r., wkrótce po odkryciu neutronu przez Jamesa Chadwicka, Heisenberg wysunął ideę protonowo-neutronowej struktury jądra atomowego (nieco wcześniej zaproponował ją niezależnie Dymitr Iwanenko) i w trzech artykułach próbował skonstruować kwantowo-mechaniczną teorię takiego jądra. Chociaż hipoteza ta rozwiązywała wiele trudności poprzedniego modelu (protonowo-elektronowego), to jednak pochodzenie elektronów emitowanych w procesach rozpadu beta, niektóre cechy statystyki cząstek jądrowych oraz natura sił między nukleonami pozostawały niejasne. Heisenberg próbował wyjaśnić te kwestie, zakładając istnienie oddziaływań wymiennych między protonami i neutronami w jądrze, które są podobne do sił między protonem a atomem wodoru tworzącym jon cząsteczkowy wodoru. Oddziaływanie to ma się odbywać za pośrednictwem elektronów wymienianych między neutronem a protonem, ale tym elektronom jądrowym należało przypisać „niewłaściwe” własności (w szczególności powinny one być pozbawione spinu, czyli być bozonami). Oddziaływanie między neutronami zostało opisane podobnie jak oddziaływanie między dwoma neutralnymi atomami w cząsteczce wodoru. W tym miejscu uczony po raz pierwszy wyraził ideę izotopowej niezmienniczości związanej z wymianą ładunków między nukleonami oraz z niezależnością ładunków w siłach jądrowych. Dalsze udoskonalenia tego modelu zostały wprowadzone przez Ettore Majoranę, który odkrył efekt nasycenia sił jądrowych.

Po pojawieniu się w 1934 r. teorii rozpadu beta, opracowanej przez Enrico Fermiego, Heisenberg zaangażował się w jej rozwinięcie i zasugerował, że siły jądrowe nie powstają w wyniku wymiany elektronów, lecz par elektron-neutrino (niezależnie tę ideę rozwijali Iwanenko, Igor Tamm i Arnold Nordsik). Wielkość tej interakcji była jednak znacznie mniejsza niż wykazał to eksperyment. Model ten (z pewnymi uzupełnieniami) dominował jednak do czasu pojawienia się teorii Hideki Yukawy, która postulowała istnienie cięższych cząstek umożliwiających oddziaływanie neutronów i protonów w jądrze. W 1938 r. Heisenberg i Euler opracowali metody analizy danych dotyczących absorpcji promieni kosmicznych i byli w stanie podać pierwsze oszacowanie czasu życia cząstki („mezotronu” lub mezonu, jak go później nazwano) należącej do twardej składowej promieni, którą początkowo kojarzono z hipotetyczną cząstką Yukawy. W następnym roku Heisenberg przeanalizował ograniczenia istniejących kwantowych teorii oddziaływań cząstek elementarnych opartych na teorii perturbacji i przedyskutował możliwość wyjścia poza te te teorie do zakresu wysokich energii osiągalnych w promieniach kosmicznych. W tej dziedzinie możliwe są narodziny cząstek wielokrotnych w promieniach kosmicznych, co rozważał w ramach teorii mezonów wektorowych.

Przeczytaj także: biografie-pl – Greta Garbo

Kwantowa teoria pola

W serii trzech prac napisanych między wrześniem 1942 a majem 1944 roku Heisenberg zaproponował radykalny sposób pozbycia się rozbieżności w kwantowej teorii pola. Idea fundamentalnej długości (kwantu przestrzeni) skłoniła go do porzucenia opisu za pomocą ciągłego równania Schrödingera. Powrócił do koncepcji obserwabli, których relacje muszą stanowić podstawę przyszłej teorii. Dla określenia relacji między tymi wielkościami, do których jednoznacznie odnosił energie stanów stacjonarnych i asymptotyczne zachowanie funkcji falowej w procesach rozpraszania, absorpcji i emisji, wprowadził (niezależnie od Johna Wheelera, który zrobił to w 1937 r.) pojęcie macierzy S (scattering matrix), czyli operatora przekształcającego padającą funkcję falową w funkcję falową rozproszoną. Zgodnie z koncepcją Heisenberga macierz S miała w przyszłej teorii zastąpić hamiltonian. Pomimo trudności w wymianie informacji naukowych w warunkach wojennych, teoria macierzy rozpraszania została wkrótce podjęta przez wielu naukowców (Ernst Stückelberg w Genewie, Hendrik Kramers w Lejdzie, Christian Møller w Kopenhadze, Pauli w Princeton), którzy zajęli się dalszym rozwojem formalizmu i wyjaśnieniem jego fizycznych aspektów. Z czasem okazało się jednak, że teoria ta w czystej postaci nie może stać się alternatywą dla zwykłej kwantowej teorii pola, ale może być jednym z użytecznych narzędzi matematycznych w jej ramach. W szczególności jest on używany (w zmodyfikowanej formie) w formalizmie Feynmana elektrodynamiki kwantowej. Pojęcie macierzy S, uzupełnione o szereg warunków, zajęło centralne miejsce w sformułowaniu tzw. aksjomatycznej kwantowej teorii pola, a później w rozwoju teorii strun.

W okresie powojennym, wraz z rosnącą liczbą nowo odkrytych cząstek elementarnych, pojawił się problem opisania ich za pomocą jak najmniejszej liczby pól i oddziaływań, w najprostszym przypadku – pojedynczego pola (wtedy możemy mówić o „zunifikowanej teorii pola”). Od około 1950 r. problem znalezienia właściwego równania opisującego pojedyncze pole znajdował się w samym centrum pracy naukowej Heisenberga. Jego podejście opierało się na nieliniowym uogólnieniu równania Diraca oraz na obecności pewnej fundamentalnej długości (rzędu promienia klasycznego elektronu) ograniczającej stosowalność zwykłej mechaniki kwantowej. Ogólnie rzecz biorąc, kierunek ten, od razu skonfrontowany z trudnymi do rozwiązania problemami matematycznymi i koniecznością uwzględnienia ogromnej ilości danych doświadczalnych, został sceptycznie przyjęty przez środowisko naukowe i był rozwijany niemal wyłącznie w grupie Heisenberga. Choć sukcesu nie udało się osiągnąć i rozwój teorii kwantów przebiegał głównie innymi drogami, to jednak pewne idee i metody pojawiające się w pracach niemieckiego uczonego odegrały swoją rolę w tym dalszym rozwoju. W szczególności pomysł przedstawienia neutrina jako cząstki Goldstone”a, powstającej w wyniku spontanicznego łamania symetrii, wpłynął na rozwój koncepcji supersymetrii.

Przeczytaj także: biografie-pl – Podbój Meksyku przez Hiszpanów

Hydrodynamika

Heisenberg zaczął zajmować się podstawowymi problemami dynamiki płynów na początku lat 20. W swojej pierwszej pracy próbował, za Theodorem von Karmanem, wyznaczyć parametry ogona wirowego, który powstaje za poruszającą się płytą. W swojej pracy doktorskiej badał stabilność przepływu laminarnego i naturę turbulencji na przykładzie przepływu cieczy między dwiema płasko-równoległymi płytami. Udało mu się wykazać, że przepływ laminarny, stabilny przy niskich liczbach Reynoldsa (poniżej wartości krytycznej), staje się początkowo niestabilny, ale przy bardzo wysokich wartościach jego stabilność wzrasta (niestabilne są tylko perturbacje długofalowe). Heisenberg powrócił do problemu turbulencji w 1945 r., gdy był internowany w Anglii. Opracował podejście oparte na mechanice statystycznej, które było bardzo zbliżone do idei rozwijanych przez Geoffreya Taylora, Andrieja Kołmogorowa i innych naukowców. W szczególności udało mu się pokazać, w jaki sposób energia jest wymieniana pomiędzy wirami o różnych rozmiarach.

Przeczytaj także: bitwy – Oblężenie Orleanu

Stosunki z reżimem nazistowskim

Wkrótce po dojściu Hitlera do władzy w styczniu 1933 roku rozpoczęła się brutalna inwazja polityki w życie uniwersyteckie, której celem było „oczyszczenie” nauki i edukacji z Żydów i innych niepożądanych elementów. Heisenberg, podobnie jak wielu jego kolegów, był wstrząśnięty czystym antyintelektualizmem nowego reżimu, który miał osłabić niemiecką naukę. Początkowo był jednak nadal skłonny podkreślać pozytywne cechy zmian zachodzących w kraju. Wydaje się, że nazistowska retoryka niemieckiego renesansu i niemieckiej kultury przyciągnęła go ze względu na jej bliskość do romantycznych ideałów głoszonych przez ruch młodzieżowy po I wojnie światowej. Co więcej, jak zauważa David Cassidy, biograf uczonego, bierność, z jaką Heisenberg i jego koledzy postrzegali zmiany, była prawdopodobnie związana z tradycją postrzegania nauki jako instytucji pozostającej poza polityką.

Próby Heisenberga, Maxa Plancka i Maxa von Laue, by zmienić politykę wobec żydowskich naukowców lub przynajmniej złagodzić jej skutki poprzez osobiste kontakty i petycje kierowane oficjalnymi kanałami biurokratycznymi, nie powiodły się. Od jesieni 1933 r. zakazano nauczania „niearyjczykom”, kobietom i osobom o przekonaniach lewicowych, a od 1938 r. przyszli wykładowcy musieli udowodnić swoją przydatność polityczną. W tej sytuacji Heisenberg i jego współpracownicy, uznając za priorytet zachowanie niemieckiej fizyki, podjęli próby zastąpienia zwolnionych stanowisk naukowcami niemieckimi, a nawet zagranicznymi, co spotkało się z negatywnym przyjęciem środowiska naukowego i również nie osiągnęło zamierzonego celu. Ostatnią deską ratunku było podanie się do dymisji na znak protestu, ale Planck przekonał Heisenberga, wskazując na znaczenie przetrwania fizyki pomimo katastrofy, jaka czekała Niemcy w przyszłości.

Pragnienie zachowania apolitycznej postawy nie tylko nie pozwoliło Heisenbergowi i innym naukowcom przeciwstawić się rosnącemu antysemityzmowi w kręgach uniwersyteckich, ale wkrótce samo naraziło ich na poważne ataki ze strony „aryjskich fizyków”. W 1935 r. nasiliły się ataki na „żydowską fizykę”, do której zaliczano teorię względności i mechanikę kwantową. Działaniami tymi, wspieranymi przez oficjalną prasę, kierowali aktywni zwolennicy reżimu nazistowskiego, laureaci nagrody Nobla Johannes Stark i Philipp Lenard. Rezygnacja Arnolda Sommerfelda, który wybrał swojego słynnego ucznia na następcę profesora Uniwersytetu w Monachium, wywołała ataki na Heisenberga, nazwanego przez Starka w grudniu 1935 r. „Geist von Einsteins Geist” (niem.) Uczony opublikował odpowiedź w nazistowskiej gazecie partyjnej „Völkischer Beobachter”, wzywając do poświęcenia większej uwagi podstawowym teoriom fizycznym. Wiosną 1936 roku Heisenbergowi, wraz z Hansem Geigerem i Maxem Wienem, udało się zebrać podpisy 75 profesorów pod petycją popierającą to wezwanie. Wydawało się, że te środki zaradcze przechyliły szalę zwycięstwa cesarskiego Ministerstwa Edukacji na stronę naukowców, ale 15 lipca 1937 roku sytuacja znów się zmieniła. Tego dnia w oficjalnej gazecie SS „Das Schwarze Korps” ukazał się duży artykuł Starka zatytułowany „Biali Żydzi w nauce” („Weisse Juden” in der Wissenschaft), głoszący potrzebę wyeliminowania „żydowskiego ducha” z niemieckiej fizyki. Heisenbergowi osobiście groziło wysłanie do obozu koncentracyjnego i nazwanie go „Osieckim fizyki”. Mimo licznych zaproszeń z zagranicy Heisenberg nie chciał opuścić kraju i zdecydował się na negocjacje z rządem. David Cassidy przedstawił następujący obraz tego trudnego wyboru

Gdyby reżim przywrócił mu nadrzędny status, zaakceptowałby wymagane kompromisy, przekonując się ponadto o sprawiedliwości nowego uzasadnienia: poświęcając się osobiście i pozostając na swoim stanowisku, w rzeczywistości chronił poprawną fizykę niemiecką przed wypaczeniem przez narodowy socjalizm.

Zgodnie z obranym przez siebie kierunkiem Heisenberg sporządził dwa oficjalne pisma – do Ministerstwa Oświaty Rzeszy oraz do Reichsführera SS Heinricha Himmlera – w których domagał się oficjalnej reakcji na działania Starka i jego zwolenników. W listach tych stwierdzał, że jeśli ataki zostaną oficjalnie zatwierdzone przez władze, to on zrezygnuje ze stanowiska; jeśli nie, to żąda ochrony rządowej. Dzięki znajomości matki naukowca z matką Himmlera list dotarł do celu. Jednak zanim Heisenberg otrzymał pozytywną odpowiedź od wysokiego urzędnika Rzeszy, minął prawie rok, podczas którego był przesłuchiwany przez Gestapo, podsłuchiwano jego rozmowy domowe i szpiegowano jego działania. Mimo to stanowisko profesora w Monachium otrzymał inny, bardziej lojalny wobec partii kandydat.

Przeczytaj także: historia-pl – Powstanie jakobickie 1745 roku

Rozpoczęcie projektu uranowego. Wycieczka do Kopenhagi

Kompromis osiągnięty między Heisenbergiem a nazistowskimi przywódcami został obrazowo opisany przez Cassidy”ego jako targ faustowski. Z jednej strony, sukces w walce z „aryjskimi fizykami” i publiczna rehabilitacja naukowca oznaczały uznanie jego znaczenia (i jego kolegów) dla utrzymania wysokiego poziomu edukacji i badań w dziedzinie fizyki w kraju. Drugą stroną tego kompromisu była gotowość niemieckich naukowców (w tym Heisenberga) do współpracy z władzami i udziału w rozwoju wojskowym III Rzeszy. Znaczenie tego ostatniego wzrosło szczególnie wraz z wybuchem II wojny światowej, nie tylko dla wojska, ale także dla samych naukowców, ponieważ współpraca z wojskiem stanowiła niezawodną ochronę przed poborem na front. Zgoda Heisenberga na pracę dla rządu nazistowskiego miała jeszcze jedną stronę, którą opisują Mott i Peierls:

…Można przypuszczać, że chciał, aby Niemcy wygrały wojnę. Nie akceptował wielu aspektów reżimu nazistowskiego, ale był patriotą. Chęć pokonania swojego kraju oznaczałaby znacznie bardziej buntownicze poglądy niż te, które wyznawał.

Już we wrześniu 1939 roku dowództwo armii poparło utworzenie tak zwanego „Klubu Uranowego” (Uranverein), którego celem było dogłębne zbadanie możliwości wykorzystania rozszczepienia jądra uranu, odkrytego pod koniec 1938 roku przez Otto Hahna i Fritza Strassmanna. Heisenberg znalazł się wśród osób zaproszonych na jedną z pierwszych dyskusji na ten temat 26 września 1939 r., gdzie przedstawiono zarys projektu i możliwości militarnych zastosowań energii jądrowej. Naukowiec miał teoretycznie zbadać działanie „maszyny uranowej”, jak wówczas nazywano reaktor jądrowy. W grudniu 1939 r. przedstawił swój pierwszy tajny raport zawierający teoretyczną analizę możliwości pozyskiwania energii w wyniku rozszczepienia jądra atomowego. W raporcie tym jako moderatory zaproponowano węgiel i ciężką wodę, ale od lata 1940 r. zdecydowano się na użycie tej ostatniej jako bardziej ekonomicznej i tańszej opcji (była już produkowana w okupowanej Norwegii).

Po rehabilitacji przez władze nazistowskie Heisenberg mógł wykładać nie tylko w Niemczech, ale także w innych krajach europejskich (także okupowanych). Z punktu widzenia partyjnych biurokratów miał być uosobieniem pomyślności niemieckiej nauki. Mark Walker, wybitny znawca historii nauki niemieckiej w tym okresie, napisał na ten temat:

Jest oczywiste, że Heisenberg nieświadomie, a może nawet nieświadomie, pracował dla nazistowskiej propagandy. Jest jednak równie jasne, że zainteresowani urzędnicy narodowosocjalistyczni wykorzystywali go do celów propagandowych, że jego działania były skuteczne w tym zakresie i że jego zagraniczni koledzy mieli powody, by sądzić, że propaguje on nazizm… Takie zagraniczne podróże z wykładami, być może bardziej niż cokolwiek innego, zatruły jego stosunki z wieloma zagranicznymi kolegami i dawnymi przyjaciółmi spoza Niemiec.

Być może najsłynniejszym przykładem takiej podróży było spotkanie z Nielsem Bohrem w Kopenhadze we wrześniu 1941 roku. Szczegóły rozmowy między tymi dwoma naukowcami nie są znane, a interpretacje są bardzo różne. Według słów samego Heisenberga, chciał on poznać opinię swojego nauczyciela na temat moralnego aspektu tworzenia nowej broni, ale ponieważ nie potrafił mówić otwarcie, Bohr źle go zrozumiał. Duńczyk zupełnie inaczej zinterpretował to spotkanie. Odniósł wrażenie, że Niemcy intensywnie pracują nad zagadnieniem uranu i Heisenberg chciał się dowiedzieć, co on wie na ten temat. Co więcej, Bohr uważał, że jego gość sugerował mu współpracę z nazistami. Poglądy duńskiego naukowca znalazły odzwierciedlenie w projektach listów, opublikowanych po raz pierwszy w 2002 roku i szeroko omawianych w prasie.

W 1998 r. w Londynie odbyła się premiera sztuki Copenhagen angielskiego dramaturga Michaela Frayna, która koncentruje się na nie do końca wyjaśnionym epizodzie w związku Bohra i Heisenberga. Sukces filmu w Wielkiej Brytanii, a następnie na Broadwayu, pobudził dyskusję fizyków i historyków nauki na temat roli niemieckiego naukowca w tworzeniu „bomby dla Hitlera” oraz treści rozmowy z Bohrem. Sugeruje się, że Heisenberg chciał za pośrednictwem Bohra przekazać fizykom alianckim, aby nie prowadzili prac nad bronią jądrową, lecz skupili się na reaktorze pokojowym, tak jak to zrobili naukowcy niemieccy. Według Walkera, Heisenberg powiedział w rozmowie „trzy rzeczy: 1) Niemcy pracują nad bombą atomową; 2) on sam ma ambiwalentny stosunek do tych prac; 3) Bohr powinien współpracować z Niemieckim Instytutem Naukowym i władzami okupacyjnymi. Nie dziwi więc, że Duńczyk, który jesienią 1943 r. przeniósł się do Anglii, a następnie do USA, wspierał szybki rozwój bomby atomowej w tych krajach.

Przeczytaj także: biografie-pl – Henryk IV Wielki

Próby budowy reaktora

Na początku 1942 r., mimo niedoboru uranu i ciężkiej wody, różne grupy naukowców w Niemczech zdołały przeprowadzić eksperymenty laboratoryjne, których wyniki były zachęcające do zbudowania „maszyny uranowej”. W szczególności w Lipsku Robertowi Döpelowi udało się uzyskać dodatni przyrost liczby neutronów w zaproponowanej przez Heisenberga sferycznej geometrii ułożenia warstw uranu. W sumie 70-100 naukowców w Niemczech pracowało nad problemem uranu w różnych grupach, połączonych wspólnym kierownictwem. Duże znaczenie dla losów projektu miała konferencja zorganizowana przez Wojskową Radę Naukową w lutym 1942 r. (jednym z wykładowców był Heisenberg). Chociaż na spotkaniu uznano potencjał militarny energii jądrowej, to jednak w obliczu obecnej sytuacji gospodarczej i militarnej Niemiec uznano, że jej wykorzystanie w rozsądnym czasie (około roku) nie będzie możliwe, a zatem ta nowa broń nie będzie mogła wpłynąć na przebieg wojny. Mimo to badania jądrowe uznano za ważne dla przyszłości (zarówno militarnej, jak i pokojowej) i postanowiono nadal je finansować, ale ogólne kierownictwo przekazano z wojska do Imperialnej Rady Badań Naukowych. Decyzja ta została potwierdzona w czerwcu 1942 r. na spotkaniu naukowców z ministrem uzbrojenia Albertem Speerem, a głównym celem było zbudowanie reaktora jądrowego. Jak zauważa Walker, decyzja o niepodejmowaniu prac na skalę przemysłową okazała się kluczowa dla losów całego niemieckiego projektu uranowego:

Choć do tej pory badania amerykańskie i niemieckie przebiegały równolegle, Amerykanie wkrótce wyprzedzili Niemców… Porównując prace prowadzone od zimy 1941 roku

W lipcu 1942 r., w celu zorganizowania prac nad „maszyną uranową”, Instytut Fizyki w Berlinie został zwrócony Towarzystwu Kaisera Wilhelma, a Heisenberg został mianowany szefem Instytutu (został także profesorem Uniwersytetu Berlińskiego). Ponieważ Peter Debye, który nie powrócił z USA, pozostawał formalnie dyrektorem instytutu, Heisenbergowi nadano tytuł „dyrektora instytutu”. Mimo braku materiałów, w następnych latach w Berlinie przeprowadzono szereg eksperymentów mających na celu uzyskanie samopodtrzymującej się reakcji łańcuchowej w kotłach jądrowych o różnej geometrii. Cel ten został niemal osiągnięty w lutym 1945 r., kiedy to przeprowadzono ostatni eksperyment w pomieszczeniu wykutym w skale w miejscowości Heigerloch (sam instytut znajduje się w pobliżu, w Hechingen). To właśnie tutaj w kwietniu 1945 r. naukowcy i instalacja zostali schwytani przez tajną misję Alsos.

Na krótko przed przybyciem wojsk amerykańskich Heisenberg pojechał rowerem do bawarskiej wioski Urfeld, gdzie mieszkała jego rodzina i gdzie wkrótce został odnaleziony przez aliantów. W lipcu 1945 r. był jednym z dziesięciu głównych niemieckich naukowców zaangażowanych w nazistowski projekt jądrowy, którzy zostali internowani w Farm Hall, niedaleko Cambridge. Fizycy byli pod stałą obserwacją przez sześć miesięcy, a ich rozmowy były nagrywane ukrytymi mikrofonami. Nagrania te zostały odtajnione przez rząd brytyjski w lutym 1992 r. i stanowią cenny dokument dotyczący historii niemieckiego projektu jądrowego.

Przeczytaj także: biografie-pl – Jesse Owens

Dyskusje powojenne

Wkrótce po zakończeniu wojny światowej rozpoczęła się gorąca dyskusja na temat przyczyn niepowodzenia niemieckich fizyków w skonstruowaniu bomby atomowej. W listopadzie 1946 r. w czasopiśmie Die Naturwissenschaften ukazał się artykuł Heisenberga na temat nazistowskiego projektu jądrowego. Mark Walker zwrócił uwagę na kilka charakterystycznych nieścisłości w opisie wydarzeń przez niemieckiego naukowca: umniejszanie roli fizyków blisko związanych z kręgami wojskowymi, którzy nie robili z tego tajemnicy (podkreślanie błędu eksperymentalnego, który doprowadził do wyboru ciężkiej wody (a nie grafitu) jako moderatora, choć wybór ten był podyktowany przede wszystkim względami ekonomicznymi); zaciemnianie rozumienia przez niemieckich naukowców roli reaktora jądrowego w produkcji plutonu do celów militarnych; przypisując spotkaniu naukowców z ministrem Speerem kluczową rolę w uświadomieniu sobie niemożności zbudowania broni jądrowej przed zakończeniem wojny, chociaż było to już wcześniej dostrzegane przez dowództwo armii, które postanowiło nie uprzemysławiać badań i nie marnować na nie cennych zasobów. W tym samym artykule Heisenberga po raz pierwszy pojawiła się sugestia, że fizycy niemieccy (przynajmniej ci z otoczenia Heisenberga) kontrolowali przebieg prac i ze względów moralnych starali się odciągnąć je od rozwoju broni jądrowej. Jednak, jak zauważa Walker,

Po pierwsze, Heisenberg i jego otoczenie nie tylko nie kontrolowali niemieckich wysiłków zmierzających do opanowania energii jądrowej, ale nawet nie byli w stanie tego dokonać, gdyby nawet próbowali, a po drugie, dzięki decyzji władz wojskowych w 1942 r. i ogólnej sytuacji wojennej Heisenberg i inni naukowcy pracujący nad problemem jądrowym nigdy nie musieli stawić czoła trudnemu dylematowi moralnemu, który pojawia się na myśl o tworzeniu broni jądrowej dla nazistów. Dlaczego mieliby podejmować ryzyko zmiany kierunku badań, skoro byli pewni, że nie będą w stanie wpłynąć na wynik wojny?

Drugą stronę debaty reprezentował Sam Goudsmit, który pod koniec wojny pełnił funkcję dyrektora naukowego misji Alsos (wcześniej był bliskim przyjacielem Heisenberga). W emocjonalnym sporze, który trwał kilka lat, Goudsmit twierdził, że przeszkodą w osiągnięciu sukcesu w Niemczech były niedostatki nauki w społeczeństwie totalitarnym, ale w rzeczywistości oskarżał niemieckich naukowców o niekompetencję, uważając, że nie rozumieli oni w pełni fizyki bomby. Heisenberg stanowczo sprzeciwił się temu ostatniemu twierdzeniu. Według Walkera „szkody wyrządzone jego reputacji jako fizyka zmartwiły go prawdopodobnie bardziej niż krytyka za służbę nazistom.

Teza Heisenberga o „moralnym oporze” została rozwinięta przez Roberta Junga w jego bestsellerze „Jaśniejsza od tysiąca słońc”, w którym dowodził, że niemieccy naukowcy świadomie sabotowali rozwój nowych broni. Później wersja ta znalazła się także w książce Thomasa Powersa. Z drugiej strony, myśl Goudsmita o niekompetencji fizyków, która ujawniła się w czasach nazizmu, została podchwycona przez generała Leslie Grovesa, szefa Projektu Manhattan, a następnie wyrażona przez Paula Lawrence”a Rose”a w jego książce. Zdaniem Walkera, który za główną przyczynę niepowodzenia uznał trudności gospodarcze lat wojny, obie przeciwstawne tezy dalekie były od historycznej poprawności i stanowiły odzwierciedlenie ówczesnych potrzeb: teza Heisenberga miała przywrócić prawa niemieckiej nauce i zrehabilitować naukowców, którzy współpracowali z nazistami, natomiast twierdzenie Goudsmita służyło uzasadnieniu strachu przed nazistowską bronią jądrową i alianckich wysiłków na rzecz jej skonstruowania. Mott i Pyerls również skutecznie podzielali pogląd, że decydujące znaczenie miały trudności techniczne i że w panujących warunkach Niemcy nie były w stanie podjąć tak wielkiego wysiłku.

Oba przeciwstawne poglądy (o sabotażu i niekompetencji) nie znajdują pełnego potwierdzenia w nagraniach rozmów niemieckich fizyków, dokonanych podczas ich internowania w Farm Hall. Co więcej, to właśnie w Farm Hall po raz pierwszy stanęli przed pytaniem o przyczyny niepowodzenia, ponieważ do czasu zrzucenia bomby na Hiroszimę byli przekonani, że w rozwoju energetyki jądrowej znacznie wyprzedzają Amerykanów i Brytyjczyków. W trakcie tej dyskusji Karl von Weizsäcker po raz pierwszy wysunął tezę, że nie zbudowano bomby, bo „nie chciano”. Jak zauważa historyk Horst Kant, ma to sens, ponieważ Heisenberg i Weizsäcker, w przeciwieństwie do Projektu Manhattan, nie poświęcali całego swojego czasu na rozwój energetyki jądrowej. W szczególności Heisenberg właśnie w latach 1942-1944 aktywnie rozwijał teorię macierzy S, a być może nie czuł szczególnego zainteresowania badaniami o charakterze czysto wojskowym. Hans Bethe, który w czasie wojny był szefem wydziału teoretycznego w laboratorium w Los Alamos, również doszedł do wniosku na podstawie filmów z Farm Hall, że Heisenberg nie pracował nad bombą atomową. Debata na ten temat trwa do dziś i jest daleka od zakończenia, ale Cassidy uważa, że można bezpiecznie uznać, że Heisenberg

…nie jako bohatera czy okrutnego złoczyńcy, ale jako głęboko utalentowanego, wykształconego człowieka, który niestety znalazł się bezradny w straszliwych okolicznościach swoich czasów, na które – jak większość ludzi – był zupełnie nieprzygotowany.

Przez całe życie Heisenberg zwracał szczególną uwagę na filozoficzne podstawy nauki, którym poświęcił wiele swoich publikacji i wystąpień. Pod koniec lat 50. opublikował Physics and Philosophy, tekst wykładów Gifford Lectures na Uniwersytecie St Andrews, a dziesięć lat później autobiograficzną Part and the Whole, którą Carl von Weizsäcker nazwał jedynym platońskim dialogiem naszych czasów. Heisenberg zapoznał się z filozofią Platona jako uczeń gimnazjum klasycznego w Monachium, gdzie otrzymał wysokiej jakości wykształcenie humanistyczne. Ponadto duży wpływ wywarł na niego jego ojciec, ważny uczony filozof. Heisenberg przez całe życie interesował się Platonem i innymi starożytnymi filozofami, a nawet uważał, że „nie można iść naprzód w nowoczesnej fizyce atomowej, nie znając filozofii greckiej”. W rozwoju fizyki teoretycznej w drugiej połowie XX wieku dostrzegł powrót (na innym poziomie) do niektórych atomistycznych idei Platona:

Jeśli chcemy porównać wyniki współczesnej fizyki cząstek elementarnych z ideami któregoś ze starych filozofów, to filozofia Platona wydaje się najbardziej adekwatna: cząstki współczesnej fizyki są przedstawicielami grup symetrii i pod tym względem przypominają symetryczne figury z filozofii Platona.

To właśnie symetrie określające własności cząstek elementarnych – a nie same cząstki – Heisenberg uważał za coś pierwotnego, a jedno z kryteriów prawdziwości teorii, której celem było znalezienie tych symetrii i związanych z nimi praw zachowania, widział w jej pięknie i logicznej spójności. Wpływ filozofii Platona można dostrzec także w jego wcześniejszych pracach nad mechaniką kwantową. Innym źródłem inspiracji dla Heisenberga-myśliciela były prace Immanuela Kanta, a zwłaszcza jego koncepcja wiedzy apriorycznej i analiza myślenia eksperymentalnego, która znalazła odzwierciedlenie w interpretacji teorii kwantów. Wpływ Kanta można dostrzec zarówno w dokonanej przez Heisenberga modyfikacji znaczenia przyczynowości, jak i w jego koncepcji obserwowalności wielkości fizycznych, która doprowadziła do ustanowienia zasady nieoznaczoności i sformułowania problemu pomiaru w mikrofizyce. Na wczesne prace naukowca nad mechaniką kwantową pośrednio wpłynęły pozytywistyczne idee Ernsta Macha (poprzez pisma Einsteina).

Oprócz Einsteina na Heisenberga ogromny wpływ wywarła przyjaźń i współpraca z Nielsem Bohrem, który zwrócił szczególną uwagę na interpretację teorii, wyjaśniając znaczenie używanych w niej pojęć. Heisenberg, którego Wolfgang Pauli początkowo nazwał czystym formalistą, wkrótce przyswoił sobie ideologię Bohra i w swojej słynnej pracy o związkach nieoznaczoności wniósł znaczący wkład w redefinicję klasycznych pojęć w mikrokosmosie. W późniejszym okresie był nie tylko jednym z głównych uczestników ostatecznego ukształtowania się tzw. kopenhaskiej interpretacji mechaniki kwantowej, ale także wielokrotnie zwracał się ku historycznej i konceptualnej analizie współczesnej fizyki. Filozof Anatol Akhutin uznał ideę granicy w szerokim znaczeniu (pojęcie centrum organizacyjnego, wokół którego buduje się jednolity obraz świata i nauki; problem wyjścia poza dotychczasową wiedzę i skonstruowania nowego obrazu rzeczywistości („kroki poza horyzont”) za główny motyw w rozumowaniu Heisenberga.

Przeczytaj także: biografie-pl – Jean-François Millet

Niektóre artykuły w tłumaczeniu na język rosyjski

Źródła