Werner Heisenberg

Delice Bette | Outubro 1, 2022

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Resumo

Werner Carl Heisenberg (5 de Dezembro de 1901, Würzburg – 1 de Fevereiro de 1976, Munique) foi um físico teórico alemão, um dos fundadores da mecânica quântica, Prémio Nobel da Física (1932) e membro de várias academias e sociedades científicas.

Heisenberg é o autor de vários resultados fundamentais na teoria quântica: lançou as bases da mecânica matricial, formulou a relação de incerteza, aplicou o formalismo da mecânica quântica aos problemas do ferromagnetismo, ao efeito anómalo do Zeeman e outros. Mais tarde participou activamente no desenvolvimento da electrodinâmica quântica (teoria de Heisenberg – Pauli) e da teoria quântica de campo (teoria S-matrix), nas últimas décadas da sua vida fez tentativas para criar uma teoria de campo unificada. Heisenberg pertence a uma das primeiras teorias mecânicas quânticas das forças nucleares, durante a Segunda Guerra Mundial foi o principal teórico do projecto nuclear alemão. Também trabalhou em física de raios cósmicos, teoria da turbulência e problemas filosóficos da ciência natural. Heisenberg desempenhou um papel importante na organização da investigação científica na Alemanha do pós-guerra.

Os anos da adolescência (1901-1920)

Werner Heisenberg nasceu em Würzburg, na família de August Heisenberg, professor de filologia grega medieval e moderna, e Annie Wecklein, filha do director do Ginásio Maximiliano em Munique. Era o segundo filho da família, o seu irmão mais velho Erwin (1900-1965) tornou-se mais tarde químico. A família mudou-se para Munique em 1910, onde Werner frequentou a escola, destacando-se em matemática, física e gramática. Os seus estudos foram interrompidos na Primavera de 1918, quando ele e outros jovens de 16 anos foram enviados para uma quinta para fazer trabalhos auxiliares. Nesta altura, interessou-se seriamente pela filosofia, lendo Platão e Kant. Após o fim da Primeira Guerra Mundial, o país e a cidade estavam numa situação incerta, o poder estava a mudar de um grupo político para outro. Na Primavera de 1919, Heisenberg serviu brevemente como oficial da sacristia, ajudando as tropas do novo governo da Baviera que tinham entrado na cidade. Esteve então envolvido num movimento juvenil, parte do qual se opunha fortemente ao status quo, às velhas tradições e preconceitos. Eis como o próprio Heisenberg recordou um destes encontros de jovens:

Houve muitos discursos cujo pathos nos pareceria estranho hoje em dia. O que é mais importante, o destino do nosso povo ou o destino da humanidade; se a morte sacrificial dos caídos não tem sentido na derrota; se os jovens têm o direito de moldar as suas próprias vidas de acordo com as suas próprias ideias de valores; o que é mais importante, a lealdade a si próprios ou às velhas formas que têm ordenado a vida das pessoas durante séculos – todas estas coisas foram discutidas e debatidas com paixão. Estava demasiado hesitante em todas as questões para participar nestes debates, mas escutei-os repetidamente…

Contudo, o seu principal interesse nesta altura não era a política, filosofia ou música (Heisenberg era um pianista dotado e, como recorda Felix Bloch, podia tocar o instrumento durante horas), mas sim a matemática e a física. Estudou-os maioritariamente de forma independente e os seus conhecimentos, que foram muito além do curso escolar, foram especialmente notados nos seus exames finais na escola gramatical. Durante uma longa doença, leu o livro de Hermann Weill “Espaço, Tempo e Matéria” e ficou impressionado com o poder dos métodos matemáticos e suas aplicações, e decidiu estudar matemática na Universidade de Munique, onde se matriculou no Verão de 1920. Contudo, Ferdinand von Lindemann, professor de matemática, recusou-se a fazer do recém-chegado um membro do seu seminário e, a conselho do seu pai, Heisenberg foi ter com o conhecido físico teórico Arnold Sommerfeld. Aceitou imediatamente aceitar Werner no seu grupo, onde o jovem Wolfgang Pauli já estava a trabalhar, que logo se tornou um amigo íntimo de Heisenberg.

Munique – Göttingen – Copenhaga (1920-1927)

Sob a orientação de Sommerfeld, Heisenberg começou a trabalhar na veia da chamada “velha teoria quântica”. Sommerfeld passou o Inverno de 1922-1923 na Universidade de Wisconsin (EUA), recomendando que os seus alunos trabalhassem em Göttingen sob Max Born. Assim começou uma frutuosa colaboração entre os dois cientistas. É de notar que Heisenberg já tinha visitado Göttingen em Junho de 1922 durante o chamado “Festival Bohr”, uma série de palestras sobre nova física atómica dadas por Niels Bohr. O jovem físico chegou mesmo a conhecer o famoso dinamarquês e conversou com ele durante uma das suas caminhadas. Como o próprio Heisenberg recordou mais tarde, esta conversa teve uma grande influência na formação dos seus pontos de vista e na abordagem dos problemas científicos. Definiu o papel de várias influências na sua vida da seguinte forma: ”Aprendi o optimismo com Sommerfeld, matemática com Göttingen e física com Bohr.

Heisenberg regressou a Munique para o período de Verão de 1923. Nessa altura já tinha preparado uma tese que tratava de alguns problemas fundamentais da hidrodinâmica. O tema tinha sido sugerido por Sommerfeld, que pensava que um tema mais clássico simplificaria a defesa. Contudo, para além da tese, foi necessário um exame oral em três matérias para receber um doutoramento. Particularmente difícil foi um teste em física experimental, ao qual Heisenberg não tinha prestado muita atenção. No final, não conseguiu responder a nenhuma das perguntas do Prof. Wilhelm Wien (sobre a resolução do interferómetro Fabry-Perot, o microscópio, o telescópio e o princípio da bateria de chumbo) mas, graças à intercessão de Sommerfeld, foi-lhe ainda dada a nota mais baixa, suficiente para conferir o grau.

No Outono de 1923, Heisenberg voltou a Göttingen para ver Born, que lhe assegurou um cargo adicional de assistente. Born descreveu o seu novo empregado da seguinte forma:

Parecia um simples camponês, de cabelo curto e louro, olhos claros e vivos e uma expressão encantadora. Desempenhou as suas funções de assistente mais seriamente do que Pauli e foi uma grande ajuda para mim. A sua incompreensível rapidez e compreensão perspicaz sempre lhe permitiu passar por uma quantidade colossal de trabalho sem muito esforço.

Em Göttingen, o jovem cientista continuou o seu trabalho sobre a teoria do efeito Zeeman e outros problemas quânticos, e no ano seguinte submeteu-se a habilitação e foi oficialmente autorizado a dar palestras. No Outono de 1924, Heisenberg veio a Copenhaga pela primeira vez para trabalhar sob a direcção de Niels Bohr. Também começou a trabalhar de perto com Hendrik Kramers, escrevendo um trabalho conjunto sobre a teoria da dispersão quântica.

Na Primavera de 1925 Heisenberg regressou a Göttingen e nos meses seguintes fez progressos decisivos na construção da primeira teoria quântica logicamente coerente, a mecânica matricial. Posteriormente, o formalismo da teoria foi aperfeiçoado com a ajuda de Born e Pascual Jordan. Outra formulação da teoria, a mecânica das ondas, foi dada por Erwin Schrödinger e estimulou tanto numerosas aplicações concretas como uma elaboração profunda dos fundamentos físicos da teoria. Um dos resultados desta actividade foi o princípio da incerteza de Heisenberg, formulado no início de 1927.

Em Maio de 1926 Heisenberg mudou-se para a Dinamarca e assumiu as suas funções como professor assistente na Universidade de Copenhaga e como assistente de Niels Bohr.

Leipzig para Berlim (1927-1945)

O reconhecimento dos méritos científicos de Heisenberg resultou em convites para cátedras de Leipzig e Zurique. O cientista escolheu Leipzig, onde Peter Debye era director do Instituto de Física da universidade, e em Outubro de 1927 assumiu o cargo de professor de física teórica. Os seus outros colegas foram Gregor Wentzel e Friedrich Hund, com Guido Beck como seu primeiro assistente. Heisenberg desempenhou uma série de funções no departamento, deu palestras sobre física teórica e organizou um seminário semanal sobre teoria atómica, que foi acompanhado não só por discussões intensivas de problemas científicos, mas também por festas de chá amigáveis e concursos ocasionais de ténis de mesa (o jovem professor jogou muito bem e com grande gosto). Contudo, como os biógrafos Neville Mott e Rudolf Peierls salientam, a fama inicial de Heisenberg teve pouco impacto nas suas qualidades pessoais:

Ninguém o teria julgado se ele tivesse começado a levar a sério e a tornar-se um pouco pomposo após ter tomado pelo menos dois passos cruciais que mudaram a face da física, e após se ter tornado professor numa idade tão jovem, o que fez com que muitas pessoas mais velhas e menos importantes também se sentissem importantes, mas ele permaneceu como estava – informal e alegre no seu tratamento, quase infantil e possuidor de uma modéstia que beirava a timidez.

Os primeiros alunos de Heisenberg apareceram em Leipzig e logo se formou aqui uma grande escola científica. Em várias ocasiões os membros do grupo teórico incluíam Felix Bloch, Hugo Fano, Erich Hückel, Robert Mulliken, Rudolf Peierls, Georg Placzek, John Slater e 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 muitos outros. Embora o professor não se debruçasse normalmente sobre os detalhes matemáticos do trabalho dos seus alunos, muitas vezes ajudou a clarificar a natureza física do problema que estava a estudar. Felix Bloch, o primeiro aluno de Heisenberg (e mais tarde laureado com o Nobel) descreveu as qualidades pedagógicas e científicas do seu mentor da seguinte forma

Se tivesse de escolher a única das suas grandes qualidades como professor, seria a sua atitude extraordinariamente positiva em relação a qualquer progresso e o seu encorajamento a este respeito. …Uma das características mais marcantes de Heisenberg foi a intuição quase inconfundível que demonstrou na sua abordagem a um problema físico, e a forma fenomenal como as soluções pareciam cair do céu.

Em 1933 Heisenberg recebeu o Prémio Nobel da Física do ano anterior com a menção “pela criação da mecânica quântica, cujas aplicações, entre outras coisas, levaram à descoberta das formas alotrópicas de hidrogénio”. Apesar da sua alegria, o cientista manifestou perplexidade pelo facto dos seus colegas Paul Dirac e Erwin Schrödinger terem recebido o mesmo prémio (por 1933) por dois, enquanto Max Born foi completamente ignorado pelo Comité Nobel. Em Janeiro de 1937 conheceu uma jovem mulher, Elisabeth Schumacher (1914-1998), filha de um professor de economia de Berlim, e em Abril casou com ela. No ano seguinte, tiveram gémeos Wolfgang e Anna-Maria. Tiveram sete filhos no total, alguns dos quais também desenvolveram interesse pela ciência: Martin Heisenberg tornou-se geneticista, Jochen Heisenberg físico, e Anna-Marie e Verena fisiologistas.

Nessa altura, a situação política na Alemanha tinha mudado radicalmente: Hitler tinha chegado ao poder. Heisenberg, que decidiu permanecer no país, foi logo atacado pelos opositores da chamada “física judaica”, que incluía a mecânica quântica e a relatividade. No entanto, ao longo da década de 1930 e início da década de 1940, o cientista trabalhou proliferantemente nos problemas da teoria do núcleo atómico, da física dos raios cósmicos e da teoria dos campos quânticos. A partir de 1939 participou no projecto nuclear alemão como um dos seus líderes, e em 1942 foi nomeado professor de física na Universidade de Berlim e chefe do Instituto de Física da Sociedade Kaiser Wilhelm.

Período pós-guerra (1946-1976)

Durante a Operação Epsilon, dez cientistas alemães (incluindo Heisenberg) que estavam a trabalhar em armas nucleares na Alemanha nazi foram detidos pelas forças aliadas. Os cientistas foram capturados entre 1 de Maio e 30 de Junho de 1945 e levados para Farm Hall, um edifício sob escuta em Godmanchester, perto de Cambridge, Inglaterra. Realizaram-se ali de 3 de Julho de 1945 a 3 de Janeiro de 1946, a fim de determinar quão perto os alemães estavam de construir uma bomba atómica.

No início de 1946 o Coronel B. K. Blount, membro do departamento científico do governo militar da zona de ocupação britânica, convidou Heisenberg e Otto Hahn para ir a Göttingen, onde o renascimento da ciência na Alemanha devastada iria começar. Os cientistas dedicaram muita atenção ao trabalho organizacional, primeiro no seio do Conselho para a Ciência e depois na Sociedade Max Planck, que substituiu a Sociedade Kaiser Wilhelm. Em 1949, após a criação da FRG, Heisenberg tornou-se o primeiro presidente da Associação Alemã de Investigação, que se destinava a promover o trabalho científico no país. Como chefe do Comité de Física Atómica, foi um dos iniciadores dos trabalhos sobre reactores nucleares na Alemanha. Ao mesmo tempo, Heisenberg opôs-se à aquisição de armas nucleares pelo governo Adenauer. Em 1955 desempenhou um papel activo na emergência da chamada Declaração de Mainau, assinada por dezasseis laureados com o Prémio Nobel, e dois anos mais tarde – o Manifesto de Göttingen de dezoito cientistas alemães. Em 1958, assinou um apelo iniciado por Linus Pauling e dirigido ao Secretário-Geral das Nações Unidas apelando à proibição dos testes nucleares. Um resultado distante desta actividade foi a adesão da RFG ao Tratado de Não-Proliferação de Armas Nucleares.

Heisenberg apoiou activamente a criação do CERN, participando em vários dos seus comités. Em particular, foi o primeiro presidente do Comité de Política Científica e esteve envolvido na determinação da direcção do desenvolvimento do CERN. Ao mesmo tempo, Heisenberg foi director do Instituto Max Planck de Física, que se mudou de Göttingen para Munique em 1958, e foi renomeado Instituto Max Planck de Física e Astrofísica. O cientista esteve à frente desta instituição até à sua reforma em 1970. Usou a sua influência para estabelecer novos institutos dentro da Sociedade – o Centro de Investigação de Karlsruhe (agora parte da Universidade de Karlsruhe), o Max-Planck-Institut für Plasmaphysik e o Instituto de Física Extraterrestre. Em 1953, tornou-se o primeiro presidente do pós-guerra da Fundação Alexander von Humboldt, que visava promover os cientistas estrangeiros que queriam trabalhar na Alemanha. Mantendo essa posição durante duas décadas, Heisenberg assegurou a autonomia da Fundação e da sua estrutura, livre das deficiências burocráticas das agências governamentais.

Apesar das suas muitas responsabilidades administrativas e sociais, o cientista continuou o seu trabalho científico, concentrando-se nos últimos anos nas tentativas de desenvolver uma teoria de campo unificada. Os seus associados no grupo de Göttingen em diferentes momentos incluíram Karl von Weizsäcker, Kazuhiko Nishijima, Harry Lehmann, Gerhart Lueders, Reinhard Oehme, Walter Thierring, Bruno Zumino, Hans-Peter Dürr e outros. Após a sua reforma, Heisenberg falou principalmente sobre questões gerais ou filosóficas da ciência natural. Em 1975 a sua saúde começou a deteriorar-se, e a 1 de Fevereiro de 1976 morreu. O físico de renome Eugene Wigner escreveu na ocasião:

Não há físico teórico vivo que tenha dado uma contribuição maior para a nossa ciência do que a que ele deu. Ao mesmo tempo, era amigável com todos, desprovido de arrogância e mantinha-nos em agradável companhia.

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A velha teoria quântica

O início da década de 1920 na física atómica foi a época da chamada “velha teoria quântica”, originalmente baseada nas ideias de Niels Bohr, desenvolvidas no trabalho de Sommerfeld e outros cientistas. Um dos principais métodos para a obtenção de novos resultados foi o princípio da correspondência Bohr. Apesar de uma série de sucessos, muitas questões ainda não foram resolvidas de forma satisfatória, tais como o problema de várias partículas em interacção ou o problema da quantificação espacial. Além disso, a própria teoria era inconsistente: as leis clássicas de Newton só podiam ser aplicadas a órbitas estacionárias do electrão, enquanto a transição entre elas não podia ser descrita nesta base.

Sommerfeld, bem consciente de todas estas dificuldades, contratou Heisenberg para trabalhar na teoria. O seu primeiro trabalho, publicado no início de 1922, foi sobre um modelo fenomenológico do efeito Zeeman. Este trabalho, que propôs um modelo arrojado do quadro atómico interagindo com electrões de valência e introduziu números quânticos semi-inteiros, tornou imediatamente o jovem cientista num dos líderes da espectroscopia teórica. Os documentos subsequentes discutiram a largura e intensidade das linhas espectrais e os seus componentes zeemanianos com base no princípio da correspondência. Os artigos escritos em colaboração com Max Born consideraram problemas gerais da teoria dos átomos multi-electrónicos (no âmbito da teoria clássica da perturbação), analisaram a teoria das moléculas e propuseram uma hierarquia de movimentos intramoleculares que diferiam na sua energia (rotações e vibrações moleculares, excitações electrónicas), avaliaram os valores das polarizabilidades atómicas e concluíram que a introdução de números quânticos de meio-inteiro era necessária. Outra modificação das relações quânticas que consiste em atribuir aos estados quânticos do átomo dois valores meio-inteiros de números quânticos de impulso angular seguidos da consideração do efeito anómalo de Zeeman (esta modificação foi explicada mais tarde pela presença de spin de electrões). Este trabalho, por sugestão de Born, serviu como Habilitationsschrift, ou seja, a base para a habilitação obtida por Heisenberg aos 22 anos de idade na Universidade de Göttingen.

O trabalho conjunto com Hendrik Kramers, escrito em Copenhaga, continha uma formulação da teoria da dispersão que generalizou os resultados recentes de Born e do próprio Kramers. Resultou em análogos quânticos teóricos de fórmulas de dispersão para a polarizabilidade do átomo num dado estado estacionário, tendo em conta a possibilidade de transições para estados superiores e inferiores. Este importante trabalho, publicado no início de 1925, foi o precursor imediato da primeira formulação da mecânica quântica.

Criação da mecânica matricial

Heisenberg não estava satisfeito com o estado da teoria, que exigia a resolução de cada problema particular dentro da física clássica e depois a sua tradução em linguagem quântica utilizando o princípio da correspondência. Uma tal abordagem nem sempre produziu resultados e dependia em grande parte da intuição do investigador. Na Primavera de 1925, procurando um formalismo rigoroso e logicamente consistente, Heisenberg decidiu abandonar a antiga descrição, substituindo-a por uma descrição em termos das chamadas quantidades observáveis. Esta ideia foi influenciada pelo trabalho de Albert Einstein, que deu uma definição relativista do tempo em vez do inobservável tempo absoluto newtoniano. (Contudo, já em Abril de 1926, Einstein observou numa conversa privada com Heisenberg que é a teoria que determina que quantidades são observáveis e quais não são). Heisenberg rejeitou conceitos clássicos de posição e dinâmica do electrão no átomo e considerou frequência e amplitude de oscilações, que podem ser determinadas a partir da experiência óptica. Conseguiu representar estas quantidades como conjuntos de números complexos e dar a regra da sua multiplicação, que se revelou não-comutativa, e depois aplicar o método desenvolvido ao problema do oscilador anharmonic. Para um caso particular do oscilador harmónico seguiu naturalmente a existência do chamado “ponto zero de energia”. Assim, o princípio da correspondência foi incluído nos próprios fundamentos do esquema matemático desenvolvido.

Heisenberg obteve a solução em Junho de 1925 na ilha de Helgoland, onde estava a recuperar de um ataque de febre-dos-fenos. Quando voltou a Göttingen, descreveu os seus resultados num artigo “Sobre a interpretação quântica teórica das relações cinemáticas e mecânicas” e enviou-o a Wolfgang Pauli. Tendo obtido a aprovação desta última, Heisenberg deu o jornal a Born para publicação na revista Zeitschrift für Physik, onde foi recebido a 29 de Julho de 1925. Nascido cedo percebeu que os conjuntos de números que representavam quantidades físicas não passavam de matrizes e que a regra de Heisenberg para as multiplicar era a regra da multiplicação matricial.

Em geral, a mecânica matricial aguardava uma recepção bastante passiva da comunidade física, que estava pouco familiarizada com o formalismo matemático das matrizes e que foi desencorajada pela extrema abstracção da teoria. Apenas alguns cientistas prestaram muita atenção ao artigo de Heisenberg. Por exemplo, Niels Bohr elogiou-o imediatamente e declarou que “uma nova era de estimulação mútua da mecânica e da matemática começou”. A primeira formulação rigorosa da mecânica matricial foi dada por Born e Pascual Jordan no seu documento conjunto “On Quantum Mechanics”, concluído em Setembro de 1925. Obtiveram a relação de permutação fundamental (condição quântica) para as matrizes de coordenadas e de impulso. Heisenberg cedo se envolveu nesta investigação, que culminou na famosa “obra de três” (Drei-Männer Arbeit), concluída em Novembro de 1925. Apresentou um método geral para resolver problemas no quadro da mecânica matricial, em particular considerando sistemas com um número arbitrário de graus de liberdade, introduzindo transformações canónicas, dando as bases da teoria quântico-mecânica das perturbações, resolvendo o problema da quantização do impulso angular, discutindo regras de selecção e uma série de outras questões.

Outras modificações da mecânica matricial seguiram duas linhas principais: a generalização das matrizes sob a forma de operadores, realizada por Born e Norbert Wiener, e a representação da teoria na forma algébrica (dentro do formalismo hamiltoniano), desenvolvida por Paul Dirac. Este último recordou muitos anos mais tarde como a emergência da mecânica matricial tinha sido estimulante para o desenvolvimento futuro da física atómica:

Tenho a razão mais convincente para ser um admirador de Werner Heisenberg. Estudámos ao mesmo tempo, tínhamos quase a mesma idade e trabalhámos no mesmo problema. Heisenberg teve sucesso onde eu tinha falhado. Até então, uma enorme quantidade de material espectroscópico tinha-se acumulado e Heisenberg tinha encontrado o caminho certo através do seu labirinto. Ao fazê-lo, iniciou uma idade de ouro da física teórica, e em breve até um estudante de segunda categoria foi capaz de fazer um trabalho de primeira categoria.

Rácio de incertezas

No início de 1926, o trabalho de Erwin Schrödinger sobre mecânica das ondas, que descrevia os processos atómicos na forma habitual de equações diferenciais contínuas e que, como logo se tornou claro, era matematicamente idêntico ao formalismo matricial, começou a aparecer na imprensa. Heisenberg foi crítico da nova teoria e especialmente da sua interpretação original como lidando com ondas reais transportando uma carga eléctrica. E mesmo o aparecimento do tratamento probabilístico da função da onda Born não resolveu o problema da interpretação do formalismo, ou seja, para clarificar o significado dos conceitos utilizados na mesma. A necessidade de uma solução para este problema tornou-se especialmente clara em Setembro de 1926, após a visita de Schrödinger a Copenhaga, onde numa longa discussão com Bohr e Heisenberg defendeu o quadro de continuidade dos fenómenos atómicos e criticou o conceito de discrição e saltos quânticos.

O ponto de partida na análise de Heisenberg foi a realização da necessidade de ajustar conceitos clássicos (tais como ”coordenada” e ”dinâmica”) para que pudessem ser utilizados na microfísica, tal como a teoria da relatividade tinha ajustado os conceitos de espaço e tempo, dando assim significado ao formalismo de transformação de Lorentz. Encontrou uma saída para a situação ao impor um limite à utilização de noções clássicas, expressas matematicamente sob a forma da relação de incerteza: “quanto mais precisa for definida a posição, menos precisa é a dinâmica conhecida, e vice-versa”. Ele demonstrou as suas conclusões com uma famosa experiência mental com um microscópio de raios gama. Heisenberg expôs os seus resultados numa carta de 14 páginas a Pauli, que os elogiou. Bohr, que tinha regressado de férias na Noruega, não ficou inteiramente satisfeito e fez uma série de comentários, mas Heisenberg recusou-se a fazer alterações ao seu texto, mencionando as sugestões de Bohr num postcript. Um artigo “Sobre o conteúdo ilustrativo da cinemática e mecânica quântica teórica” detalhando o princípio da incerteza foi recebido pelos editores do Zeitschrift für Physik a 23 de Março de 1927.

O princípio da incerteza não só desempenhou um papel importante no desenvolvimento da interpretação da mecânica quântica, como também levantou uma série de problemas filosóficos. Bohr ligou-o ao conceito mais geral de adicionalidade que estava a desenvolver ao mesmo tempo: interpretou as relações de incerteza como uma expressão matemática do limite ao qual os conceitos (adicionais) mutuamente exclusivos são possíveis. Além disso, o artigo de Heisenberg chamou a atenção de físicos e filósofos para o conceito de medição, bem como para uma nova e invulgar compreensão da causalidade proposta pelo autor: “… numa forte formulação da lei da causalidade: “se se conhece o presente com precisão, pode-se prever o futuro”, a premissa está errada, não a conclusão. Em princípio, não podemos conhecer o presente em todos os seus pormenores”. Mais tarde, em 1929, introduziu o termo “colapso do pacote de ondas” na teoria quântica, que se tornou um dos conceitos básicos dentro da chamada “interpretação de Copenhaga” da mecânica quântica.

Aplicações da mecânica quântica

A emergência da mecânica quântica (primeiro em matriz e depois em forma de onda), imediatamente reconhecida pela comunidade científica, estimulou o rápido progresso no desenvolvimento de conceitos quânticos, resolvendo uma série de problemas específicos. O próprio Heisenberg em Março de 1926 completou um trabalho conjunto com a Jordânia explicando o efeito anómalo do Zeeman, utilizando a hipótese de Gaudsmit e Uhlenbeck de spin de electrões. Nos seus últimos trabalhos, que já foram escritos utilizando o formalismo de Schrödinger, ele considerou sistemas multipartículas e mostrou a importância da simetria de estados para a compreensão das características espectrais do hélio (os termos para- e ortohelium), iões de lítio e moléculas diatómicas, o que levou à conclusão sobre a existência de duas formas alotrópicas de hidrogénio, o orto- e o para-hidrogénio. De facto, Heisenberg chegou independentemente às estatísticas Fermi-Dirac para sistemas que satisfazem o princípio de Pauli.

Em 1928 Heisenberg fundou a teoria quântica do ferromagnetismo (modelo de Heisenberg), utilizando o conceito de forças de troca entre electrões para explicar o chamado “campo molecular”, introduzido por Pierre Weiss em 1907. Neste caso, o papel-chave foi desempenhado pela direcção relativa das rotações dos electrões, que determinou a simetria da parte espacial da função da onda e, assim, influenciou a distribuição espacial dos electrões e a interacção electrostática entre eles. Na segunda metade dos anos 40, Heisenberg fez uma tentativa infrutífera de construir uma teoria da supercondutividade que tinha em conta apenas a interacção electrostática entre electrões.

Electrodinâmica quântica

Desde finais de 1927, o principal problema que ocupava Heisenberg era a construção de electrodinâmica quântica, que consideraria não só a presença de um campo electromagnético quantificado, mas também a sua interacção com partículas de carga relativista. A equação de Dirac para o electrão relativista, surgida no início de 1928, por um lado, indicou o caminho certo, mas, por outro, deu origem a uma série de problemas, aparentemente insolúveis – o problema da energia própria do electrão, ligado ao aparecimento de um aditivo infinitamente grande à massa de partículas, e o problema dos estados com energia negativa. A investigação realizada por Heisenberg em conjunto com Pauli, chegou a um impasse, e ele abandonou-a temporariamente, retomando a teoria do ferromagnetismo. Foi apenas no início de 1929 que conseguiram ir mais longe na construção de um esquema geral de teoria relativista, que foi delineado num documento concluído em Março desse ano. O esquema proposto baseou-se num procedimento de quantificação da teoria clássica do campo contendo um Lagrangiano relativisticamente invariável. Os cientistas aplicaram este formalismo a um sistema que inclui um campo electromagnético e ondas de matéria interagindo uns com os outros. No artigo seguinte, publicado em 1930, simplificaram consideravelmente a teoria, utilizando considerações de simetria da comunicação com o famoso matemático Hermann Weil. Antes de mais nada, tratava-se de considerações de invariância de medida, o que permitiu livrar-nos de algumas construções artificiais da formulação original.

Embora a tentativa de Heisenberg e Pauli de construir electrodinâmica quântica tenha alargado significativamente os limites da teoria atómica para incluir uma série de resultados conhecidos, revelou-se incapaz de eliminar as divergências associadas à infinita eigenergia do electrão pontual. Todas as tentativas feitas mais tarde para resolver este problema, incluindo as radicais, como a quantificação do espaço (modelo de malha), foram infrutíferas. A solução foi encontrada muito mais tarde, no quadro da teoria da renormalização.

Desde 1932 Heisenberg prestou muita atenção ao fenómeno dos raios cósmicos, o que na sua opinião constituiu uma oportunidade para uma verificação séria dos conceitos teóricos. Foi em raios cósmicos que Carl Anderson descobriu o positron anteriormente previsto por Dirac (o “buraco” de Dirac). Em 1934 Heisenberg desenvolveu a teoria do buraco ao incluir os positrões no formalismo da electrodinâmica quântica. Ao mesmo tempo, tal como Dirac, postulou a existência do fenómeno de polarização do vácuo e em 1936, juntamente com Hans Euler, calculou correcções quânticas às equações de Maxwell associadas a este efeito (o chamado Heisenberg-Euler Lagrangian).

Física nuclear

Em 1932, logo após a descoberta do nêutron por James Chadwick, Heisenberg propôs a ideia de uma estrutura de protões-neutrões do núcleo atómico (um pouco antes tinha sido proposta independentemente por Dmitri Ivanenko) e em três artigos tentou construir uma teoria quântico-mecânica de tal núcleo. Embora esta hipótese tenha resolvido muitas dificuldades do modelo anterior (próton-electrão), a origem dos electrões emitidos nos processos de decaimento beta, algumas características das estatísticas das partículas nucleares e a natureza das forças entre núcleons permaneceram pouco claras. Heisenberg tentou clarificar estas questões, assumindo a existência de interacções de troca entre protões e neutrões no núcleo, que são semelhantes às forças entre o próton e o átomo de hidrogénio formando o íon molecular do hidrogénio. Esta interacção deveria ter lugar através de electrões trocados entre o neutron e o próton, mas a estes electrões nucleares tiveram de ser atribuídas propriedades “erradas” (em particular, deveriam ser spinless, ou seja, bosons). A interacção entre os neutrões foi descrita de forma semelhante à interacção entre dois átomos neutros de uma molécula de hidrogénio. Aqui o cientista primeiro sugeriu a ideia de invariância isotópica relacionada com a troca de cargas entre núcleos e a independência de carga das forças nucleares. Outras melhorias a este modelo foram feitas por Ettore Majorana, que descobriu o efeito de saturação das forças nucleares.

Após o aparecimento em 1934 da teoria da decadência beta, desenvolvida por Enrico Fermi, Heisenberg empenhou-se na sua expansão e sugeriu que as forças nucleares não surgem da troca de electrões, mas sim dos pares electrões-neutrinos (independentemente desta ideia ter sido desenvolvida por Ivanenko, Igor Tamm e Arnold Nordsik). No entanto, a magnitude desta interacção foi muito menor do que a demonstrada pela experiência. No entanto, este modelo (com algumas adições) permaneceu dominante até ao aparecimento da teoria de Hideki Yukawa, que postulava a existência de partículas mais pesadas permitindo a interacção de neutrões e prótons no núcleo. Em 1938 Heisenberg e Euler desenvolveram métodos para analisar os dados de absorção dos raios cósmicos, e foram capazes de dar a primeira estimativa da vida útil de uma partícula (“mesotron”, ou meson, como mais tarde foi chamado) pertencente ao componente duro dos raios, que inicialmente estava associado à hipotética partícula Yukawa. No ano seguinte, Heisenberg analisou as limitações das teorias quânticas existentes sobre as interacções entre partículas elementares baseadas na teoria da perturbação, e discutiu a possibilidade de ir além destas teorias para a gama de alta energia atingível nos raios cósmicos. Neste campo é possível o nascimento de múltiplas partículas em raios cósmicos, o que ele considerou no quadro da teoria dos mésons vectoriais.

Teoria de campo quântico

Numa série de três artigos escritos entre Setembro de 1942 e Maio de 1944, Heisenberg propôs uma forma radical de se livrar da divergência na teoria quântica do campo. A ideia de um comprimento fundamental (o quantum do espaço) levou-o a abandonar a descrição por uma equação contínua de Schrödinger. Voltou ao conceito de observáveis, cujas relações devem constituir a base para uma teoria futura. Para as relações entre estas quantidades, para as quais referiu inequivocamente energias de estados estacionários e comportamento assimptóticos da função de onda nos processos de dispersão, absorção e emissão, introduziu (independentemente de John Wheeler que o fez em 1937) o conceito de matriz S (matriz de dispersão), nomeadamente, o operador que transforma uma função de onda incidente numa função de onda dispersa. De acordo com a ideia de Heisenberg, a matriz S era para substituir o Hamiltoniano na teoria do futuro. Apesar das dificuldades na troca de informação científica em condições de guerra, a teoria da matriz de dispersão foi rapidamente retomada por vários cientistas (Ernst Stückelberg em Genebra, Hendrik Kramers em Leiden, Christian Møller em Copenhaga, Pauli em Princeton), que se empenharam no desenvolvimento do formalismo e na clarificação dos seus aspectos físicos. Contudo, com o tempo, tornou-se claro que esta teoria na sua forma pura não pode tornar-se uma alternativa à teoria quântica de campo comum, mas pode ser uma das ferramentas matemáticas úteis dentro dela. Em particular, é utilizado (numa forma modificada) no formalismo de Feynman da electrodinâmica quântica. O conceito da matriz S, complementado por uma série de condições, tomou um lugar central na formulação da chamada teoria do campo quântico axiomático e, mais tarde, no desenvolvimento da teoria das cordas.

No período pós-guerra, com o aumento do número de partículas elementares recentemente descobertas, surgiu o problema de as descrever com o menor número possível de campos e interacções, no caso mais simples – um único campo (então podemos falar de uma “teoria de campo unificado”). Desde cerca de 1950, o problema de encontrar a equação certa para descrever um único campo tem estado no centro do trabalho científico de Heisenberg. A sua abordagem baseou-se numa generalização não linear da equação de Dirac e na presença de algum comprimento fundamental (na ordem do clássico raio electrónico) limitando a aplicabilidade da mecânica quântica comum. Em geral, esta direcção, imediatamente confrontada com formidáveis problemas matemáticos e necessidade de acomodar uma enorme quantidade de dados experimentais, foi aceite com cepticismo pela comunidade científica e desenvolvida quase exclusivamente no grupo de Heisenberg. Embora o sucesso não tenha sido alcançado e o desenvolvimento da teoria quântica tenha prosseguido principalmente por caminhos diferentes, algumas ideias e métodos que apareceram em trabalhos do cientista alemão desempenharam o seu papel neste desenvolvimento futuro. Em particular, a ideia de representar o neutrino como uma partícula de Goldstone, surgindo como resultado da quebra espontânea da simetria, influenciou o desenvolvimento do conceito de super-simetria.

Hidrodinâmica

Heisenberg começou a lidar com os problemas fundamentais da dinâmica dos fluidos no início da década de 1920, no seu primeiro trabalho tentou, seguindo Theodore von Karman, determinar os parâmetros da cauda do vórtice que ocorre atrás de uma placa em movimento. Na sua tese de doutoramento, examinou a estabilidade do fluxo laminar e a natureza da turbulência sobre o exemplo do fluxo de fluido entre duas placas plano-paralelas. Ele foi capaz de mostrar que o fluxo laminar, estável a baixos números de Reynolds (abaixo de um valor crítico), torna-se instável no início, mas a valores muito altos a sua estabilidade aumenta (apenas as perturbações de ondas longas são instáveis). Heisenberg voltou ao problema da turbulência em 1945, quando foi internado em Inglaterra. Ele desenvolveu uma abordagem baseada na mecânica estatística, que era muito semelhante às ideias desenvolvidas por Geoffrey Taylor, Andrei Kolmogorov e outros cientistas. Em particular, foi capaz de mostrar como a energia é trocada entre vórtices de diferentes tamanhos.

Relação com o regime nazi

Pouco depois de Hitler chegar ao poder em Janeiro de 1933, começou uma invasão grosseira da política na vida universitária estabelecida com o objectivo de ”limpar” a ciência e a educação dos judeus e outros elementos indesejáveis. Heisenberg, como muitos dos seus colegas, ficou chocado com o puro anti-intelectualismo do novo regime, que estava destinado a enfraquecer a ciência alemã. No início, contudo, ainda estava inclinado a enfatizar as características positivas das mudanças que estavam a ocorrer no país. A retórica nazi do renascimento e da cultura alemã parece tê-lo atraído devido à sua proximidade dos ideais românticos defendidos pelo movimento juvenil após a Primeira Guerra Mundial. Além disso, como observa David Cassidy, o biógrafo do cientista, a passividade com que Heisenberg e os seus colegas perceberam as mudanças estava provavelmente ligada à tradição de ver a ciência como uma instituição fora da política.

As tentativas de Heisenberg, Max Planck e Max von Laue de alterar a política em relação aos cientistas judeus, ou pelo menos mitigar os seus efeitos através de contactos pessoais e petições através de canais burocráticos oficiais, não tiveram sucesso. Desde o Outono de 1933, “não arianos”, mulheres e pessoas com crenças de esquerda foram impedidas de ensinar. A partir de 1938, os futuros conferencistas tiveram de provar a sua aptidão política. Nesta situação, Heisenberg e os seus colegas, considerando a preservação da física alemã como uma prioridade, fizeram tentativas para substituir as posições vagas por cientistas alemães ou mesmo estrangeiros, o que foi recebido negativamente pela comunidade científica e também não atingiu o seu objectivo. Um último recurso foi a demissão em protesto, mas Planck dissuadiu Heisenberg ao apontar a importância da sobrevivência da física apesar do desastre que esperava a Alemanha no futuro.

O desejo de manter a sua postura apolítica não só impediu Heisenberg e outros cientistas de resistir ao crescente anti-semitismo nos círculos universitários, mas logo os colocou sob grave ataque dos “físicos arianos”. Em 1935, os ataques contra a “física judaica”, que incluíam a teoria da relatividade e da mecânica quântica, intensificaram-se. Estas acções, apoiadas pela imprensa oficial, foram dirigidas por apoiantes activos do regime nazi, pelos galardoados com o Prémio Nobel Johannes Stark e Philipp Lenard. A demissão de Arnold Sommerfeld, que escolheu o seu famoso aluno para o suceder como professor na Universidade de Munique, provocou ataques a Heisenberg, marcado por Stark em Dezembro de 1935 “Geist von Einsteins Geist” (alemão: Geist von Einsteins Geist). O cientista publicou uma resposta no jornal do partido nazi Völkischer Beobachter, apelando a que fosse dada mais atenção às teorias físicas fundamentais. Na Primavera de 1936 Heisenberg, juntamente com Hans Geiger e Max Wien, conseguiu recolher as assinaturas de 75 professores numa petição em apoio a este apelo. Estas contramedidas pareciam curvar o Ministério Imperial da Educação para o lado dos cientistas, mas a 15 de Julho de 1937 a situação mudou mais uma vez. Nesse dia, o jornal oficial das SS Das Schwarze Korps publicou um grande artigo de Stark intitulado ”White Jews in Science” (”Weisse Juden” in der Wissenschaft) proclamando a necessidade de eliminar o ”espírito judeu” da física alemã. Heisenberg foi pessoalmente ameaçado de ser enviado para um campo de concentração e nomeado “Osiecki da Física”. Apesar de lhe terem sido feitos vários convites do estrangeiro nesta altura, Heisenberg não estava disposto a deixar o país e decidiu negociar com o governo. David Cassidy deu o seguinte quadro desta difícil escolha

Se o regime tivesse restaurado o seu estatuto superior, ele teria aceite os compromissos necessários, convencendo-se ainda mais da justiça da nova justificação: com o sacrifício pessoal de permanecer na sua posição, ele estava de facto a proteger a física alemã correcta da distorção do nacional-socialismo.

Seguindo o curso escolhido, Heisenberg redigiu duas cartas oficiais – ao Ministério da Educação do Reich e ao SS Reichsführer Heinrich Himmler – nas quais exigia uma resposta oficial às acções de Stark e dos seus apoiantes. Nas cartas, declarou que se os ataques fossem oficialmente aprovados pelas autoridades, renunciaria ao seu posto; caso contrário, exigiria protecção governamental. Graças a um conhecido da mãe do cientista com a mãe de Himmler, a carta chegou ao seu destino. No entanto, levou quase um ano, durante o qual Heisenberg foi interrogado pela Gestapo, teve as suas conversas domiciliárias sob escuta e as suas acções espiadas, antes de receber uma resposta positiva de um alto funcionário do Reich. No entanto, o cargo de professor em Munique foi ainda atribuído a outro candidato mais fiel ao partido.

O início do projecto do urânio. Viagem a Copenhaga

O compromisso alcançado entre Heisenberg e a liderança nazi foi descrito figurativamente por Cassidy como o acordo Faustiano. Por um lado, o sucesso contra os “físicos arianos” e a reabilitação pública do cientista significou o reconhecimento da sua importância (e a dos seus colegas) na manutenção de um elevado nível de educação física e investigação no país. O outro lado deste compromisso foi a vontade dos cientistas alemães (incluindo Heisenberg) de cooperar com as autoridades e participar nos desenvolvimentos militares do Terceiro Reich. A relevância destes últimos aumentou particularmente com o início da Segunda Guerra Mundial, não só para o exército, mas também para os próprios cientistas, porque a cooperação com os militares serviu como uma protecção fiável contra o recrutamento para a frente. Havia outro lado do acordo de Heisenberg para trabalhar para o governo nazi, expresso da seguinte forma por Mott e Peierls:

…É razoável supor que ele queria que a Alemanha vencesse a guerra. Ele não aceitou muitos aspectos do regime nazi, mas era um patriota. Desejar que o seu país fosse derrotado teria implicado opiniões muito mais rebeldes do que as que ele defendia.

Já em Setembro de 1939, a liderança do exército apoiava a criação do chamado “Clube do Urânio” (Uranverein) para explorar em maior profundidade as perspectivas de utilização da fissão nuclear do urânio, descoberta por Otto Hahn e Fritz Strassmann em finais de 1938. Heisenberg foi um dos convidados para uma das primeiras discussões do problema em 26 de Setembro de 1939, onde o esboço do projecto e a possibilidade de aplicações militares da energia nuclear foram delineados. O cientista deveria teoricamente investigar o funcionamento da “máquina de urânio”, como o reactor nuclear foi então chamado. Em Dezembro de 1939, apresentou o seu primeiro relatório classificado com uma análise teórica da possibilidade de gerar energia por fissão nuclear. Nesse relatório, o carbono e a água pesada foram propostos como moderadores, mas a partir do Verão de 1940 foi decidido utilizar este último como uma opção mais económica e acessível (já tinha sido produzido na Noruega ocupada).

Após a sua reabilitação pela liderança nazi, Heisenberg foi autorizado a dar palestras não só na Alemanha, mas também noutros países europeus (incluindo os ocupados). Do ponto de vista dos burocratas partidários, ele deveria servir como a encarnação da prosperidade da ciência alemã. Mark Walker, um renomado especialista em história da ciência alemã neste período, escreveu sobre o assunto:

É evidente que Heisenberg estava a trabalhar para a propaganda nazi involuntariamente, talvez mesmo inconscientemente. No entanto, é igualmente claro que os funcionários nacional-socialistas envolvidos o estavam a utilizar para fins de propaganda, que as suas actividades eram eficazes a este respeito e que os seus colegas estrangeiros tinham razões para acreditar que ele estava a promover o nazismo… Tais viagens de conferências estrangeiras, talvez mais do que qualquer outra coisa, envenenaram as suas relações com muitos colegas estrangeiros e antigos amigos fora da Alemanha.

Talvez o exemplo mais famoso de tal viagem tenha sido um encontro com Niels Bohr em Copenhaga, em Setembro de 1941. Os pormenores da conversa entre os dois cientistas não são conhecidos e as interpretações variam muito. Segundo o próprio Heisenberg, ele queria saber a opinião do seu professor sobre o aspecto moral da criação de novas armas, mas como ele não podia falar abertamente, Bohr entendeu-o mal. O dinamarquês deu uma interpretação muito diferente do encontro. Ficou com a impressão de que os alemães estavam a trabalhar intensamente no tema do urânio e Heisenberg queria descobrir o que sabia sobre o assunto. Além disso, Bohr acreditava que o seu convidado tinha sugerido que ele cooperasse com os nazis. A opinião do cientista dinamarquês foi reflectida em projectos de cartas, publicados pela primeira vez em 2002 e amplamente discutidos na imprensa.

Em 1998, a peça Copenhagen do dramaturgo inglês Michael Frayn foi estreada em Londres, centrando-se num episódio da relação de Bohr e Heisenberg que não foi totalmente esclarecido. O seu sucesso no Reino Unido e depois na Broadway estimulou o debate entre físicos e historiadores da ciência sobre o papel do cientista alemão na criação da “bomba para Hitler” e o conteúdo da conversa com Bohr. Foi sugerido que Heisenberg queria comunicar através de Bohr aos físicos Aliados para não prosseguir com armas nucleares ou concentrar-se num reactor pacífico, como fizeram os cientistas alemães. Segundo Walker, Heisenberg disse à conversa “três coisas: 1) os alemães estão a trabalhar na bomba atómica; 2) ele próprio é ambivalente sobre este trabalho; 3) Bohr deveria cooperar com o Instituto Alemão de Ciência e com as autoridades de ocupação. Não é, portanto, surpreendente que o dinamarquês, tendo-se mudado para Inglaterra e depois para os EUA no Outono de 1943, tenha apoiado o rápido desenvolvimento da bomba nuclear nestes países.

Tentativas de construção de um reactor

No início de 1942, apesar da escassez de urânio e água pesada, vários grupos de cientistas na Alemanha tinham conseguido realizar experiências de laboratório com resultados encorajadores em termos de construção de uma “máquina de urânio”. Em particular, em Leipzig, Robert Döpel conseguiu obter um aumento positivo do número de neutrões na geometria esférica da disposição das camadas de urânio, proposta por Heisenberg. Um total de 70-100 cientistas na Alemanha trabalharam no problema do urânio em diferentes grupos, unidos por uma liderança comum. De grande importância para o destino do projecto foi uma conferência organizada pelo Conselho Científico Militar em Fevereiro de 1942 (uma das palestras foi Heisenberg). Embora esta reunião tenha reconhecido o potencial militar da energia nuclear, mas tendo em conta a actual situação económica e militar na Alemanha, foi decidido que a sua utilização dentro de um prazo razoável (cerca de um ano) não será alcançada, pelo que esta nova arma não seria capaz de influenciar a guerra. No entanto, a investigação nuclear foi considerada importante para o futuro (tanto militar como pacificamente) e foi decidido continuar a financiá-la, mas a liderança global foi transferida dos militares para o Conselho Imperial de Investigação. Esta decisão foi confirmada em Junho de 1942 numa reunião de cientistas com o Ministro do Armamento Albert Speer, e o principal objectivo era a construção de um reactor nuclear. Como salienta Walker, a decisão de não levar o trabalho a um nível industrial provou ser fundamental para o destino de todo o projecto de urânio alemão:

Embora até então a investigação americana e alemã tivesse decorrido em paralelo, os americanos estavam em breve à frente dos alemães… Comparando o trabalho realizado desde o Inverno de 1941

Em Julho de 1942, a fim de organizar o trabalho sobre a “máquina de urânio”, o Instituto de Física de Berlim foi devolvido à Sociedade Kaiser Wilhelm e Heisenberg foi nomeado chefe do Instituto (foi também nomeado professor na Universidade de Berlim). Desde que Peter Debye, que não tinha regressado dos EUA, permaneceu formalmente director do instituto, o título do cargo de Heisenberg era “director do instituto”. Apesar da escassez de materiais, nos anos seguintes em Berlim, foram realizadas várias experiências com o objectivo de obter uma reacção em cadeia auto-sustentável em caldeiras nucleares de várias geometrias. Este objectivo foi quase alcançado em Fevereiro de 1945, a última experiência, já em evacuação, numa sala esculpida numa rocha na aldeia de Heigerloch (o próprio instituto está localizado nas proximidades, em Hechingen). Foi aqui que os cientistas e a instalação foram capturados pela missão secreta da Alsos em Abril de 1945.

Pouco antes da chegada das tropas americanas, Heisenberg deslocou-se de bicicleta para a aldeia bávara de Urfeld, onde a sua família estava baseada e onde foi rapidamente encontrado pelos Aliados. Em Julho de 1945, foi um dos dez maiores cientistas alemães envolvidos no projecto nuclear nazi, que foram internados no Farm Hall, perto de Cambridge. Os físicos foram mantidos sob vigilância constante durante seis meses, e as suas conversas foram gravadas com microfones escondidos. As gravações foram desclassificadas pelo governo britânico em Fevereiro de 1992 e são um documento valioso sobre a história do projecto nuclear alemão.

Discussões pós-guerra

Pouco depois do fim da guerra mundial, começou um debate acalorado sobre as razões do fracasso dos físicos alemães em construir a bomba atómica. Em Novembro de 1946, Die Naturwissenschaften publicou um artigo de Heisenberg sobre o projecto nuclear nazi. Mark Walker destacou várias imprecisões características no tratamento dos eventos por parte do cientista alemão: menosprezando o papel dos físicos que estavam intimamente ligados aos círculos militares e não fizeram segredo disso (ênfase num erro experimental que levou à escolha de água pesada (em vez de grafite) como moderador, embora esta escolha tenha sido motivada principalmente por considerações económicas; obscurecendo a compreensão dos cientistas alemães sobre o papel do reactor nuclear para a produção de plutónio de qualidade militar; atribuindo o encontro de cientistas com o Ministro Speer ao papel crucial na concretização da impossibilidade de construir armas nucleares antes do fim da guerra, embora isto tivesse sido reconhecido ainda antes pelos líderes do exército que tinham decidido não industrializar a investigação e não desperdiçar recursos valiosos com ela. No mesmo artigo Heisenberg apareceu pela primeira vez uma dica de que os físicos alemães (pelo menos os que estavam à volta de Heisenberg) controlavam o curso do trabalho e por razões morais tentaram afastá-la do desenvolvimento de armas nucleares. No entanto, como o Walker observa,

Em primeiro lugar, não só Heisenberg e a sua comitiva não controlaram o esforço alemão para dominar a energia nuclear, como não o poderiam ter feito se tivessem sequer tentado, e em segundo lugar, graças à decisão das autoridades do exército em 1942 e à situação geral da guerra, Heisenberg e outros cientistas que trabalham no problema nuclear nunca tiveram de enfrentar o difícil dilema moral que surge com a ideia de fabricar armas nucleares para os nazis. Porque correriam eles o risco de tentar mudar a direcção da investigação se tivessem a certeza de que não poderiam influenciar o resultado da guerra?

O outro lado do debate foi representado por Sam Goudsmit, que tinha servido no final da guerra como director científico da missão de Alsos (em tempos anteriores ele e Heisenberg tinham sido bastante amigos próximos). Numa disputa emocional que durou vários anos, Goudsmit argumentou que o obstáculo ao sucesso na Alemanha eram as deficiências da ciência numa sociedade totalitária, mas na realidade acusou os cientistas alemães de incompetência, acreditando que eles não compreendiam completamente a física da bomba. Heisenberg opôs-se veementemente a esta última alegação. Segundo Walker, “os danos causados à sua reputação como físico provavelmente incomodaram-no mais do que as críticas por servir os nazis.

A tese de Heisenberg sobre “resistência moral” foi desenvolvida por Robert Jung no seu bestseller “Brighter than a Thousand Suns”, onde se argumentou que os cientistas alemães sabotaram conscientemente o desenvolvimento de novas armas. Mais tarde, esta versão foi também reflectida num livro de Thomas Powers. Por outro lado, a ideia de Goudsmit da incompetência dos físicos trazida à tona sob os nazis foi retomada pelo General Leslie Groves, chefe do Projecto Manhattan, e posteriormente expressa por Paul Lawrence Rose no seu livro. Segundo Walker, que considerou a principal razão do fracasso das dificuldades económicas dos anos de guerra, ambas as teses opostas estavam longe de ser históricas e eram um reflexo das necessidades da época: a tese de Heisenberg era restaurar os direitos da ciência alemã e reabilitar os cientistas que colaboraram com os nazis, enquanto a declaração de Goudsmit serviu para justificar o medo das armas nucleares nazis e os esforços dos Aliados para as construir. Mott e Pyerls também partilharam efectivamente a opinião de que as dificuldades técnicas eram cruciais e que era impossível para a Alemanha fazer um esforço tão grande nas circunstâncias prevalecentes.

Ambas as visões opostas (de sabotagem e incompetência) não são totalmente confirmadas pelas gravações das conversas dos físicos alemães feitas durante o seu internamento no Farm Hall. Além disso, foi em Farm Hall que foram confrontados pela primeira vez com a questão das razões do fracasso, porque até ao bombardeamento de Hiroshima estavam convencidos de que estavam bem à frente dos americanos e britânicos no desenvolvimento nuclear. No decurso desta discussão, Karl von Weizsäcker sugeriu primeiro a própria ideia de que eles não construíram a bomba porque “não queriam fazê-lo”. Como salienta o historiador Horst Kant, isto faz sentido, porque Heisenberg e Weizsäcker, ao contrário do Projecto Manhattan, não dedicaram todo o seu tempo ao desenvolvimento nuclear. Em particular, Heisenberg apenas em 1942-1944, desenvolveu activamente a teoria da matriz S, e talvez apenas não tenha sentido um interesse especial numa investigação puramente militar. Hans Bethe, que foi chefe do departamento teórico do Laboratório Los Alamos durante a guerra, também concluiu dos filmes do Farm Hall que Heisenberg não estava a trabalhar na bomba atómica. O debate continua até hoje e está longe de ter terminado, mas Cassidy acredita que é seguro considerar Heisenberg

…não como um herói ou um vilão cruel, mas como um homem profundamente talentoso e educado que infelizmente se viu desamparado nas terríveis circunstâncias do seu tempo, para o qual, como a maioria das pessoas, estava completamente despreparado.

Ao longo da sua vida Heisenberg prestou particular atenção aos fundamentos filosóficos da ciência, aos quais dedicou várias das suas publicações e discursos. No final dos anos 50 publicou Física e Filosofia, um texto das Palestras Gifford na Universidade de St Andrews, e dez anos mais tarde a sua parte autobiográfica e o Todo, que Carl von Weizsäcker chamou o único diálogo platónico do nosso tempo. Heisenberg foi apresentado à filosofia de Platão como aluno do ginásio clássico de Munique, onde recebeu uma educação de alta qualidade no campo das humanidades. Além disso, foi muito influenciado pelo seu pai, um importante cientista filosófico. Heisenberg ao longo da sua vida manteve um interesse em Platão e outros filósofos antigos, e até acreditava que “dificilmente se pode avançar na física atómica moderna, sem conhecer a filosofia grega”. No desenvolvimento da física teórica na segunda metade do século XX, viu um regresso (a um nível diferente) a algumas das ideias atomísticas de Platão:

Se quisermos comparar os resultados da física moderna das partículas com as ideias de qualquer dos antigos filósofos, a filosofia de Platão parece ser a mais adequada: as partículas da física moderna são representantes de grupos de simetria, e a este respeito assemelham-se a figuras simétricas da filosofia de Platão.

Foram as simetrias que determinaram as propriedades das partículas elementares – não as próprias partículas – que Heisenberg considerou como algo primário e um dos critérios para a verdade de uma teoria que procurava estas simetrias e as leis de conservação associadas, ele viu na sua beleza e consistência lógica. A influência da filosofia de Platão também pode ser vista no seu trabalho anterior sobre mecânica quântica. Outra fonte de inspiração para Heisenberg, o pensador, foi o trabalho de Immanuel Kant, especialmente o seu conceito de conhecimento a priori e a sua análise do pensamento experimental, reflectido na interpretação da teoria quântica. A influência de Kant pode ser vista tanto na modificação por Heisenberg do significado de causalidade como na sua concepção da observabilidade das quantidades físicas, o que levou ao estabelecimento do princípio da incerteza e à formulação do problema de medição em microfísica. O trabalho inicial de Heisenberg sobre mecânica quântica foi indirectamente influenciado pelas ideias positivistas de Ernst Mach (através dos escritos de Einstein).

Para além de Einstein, Heisenberg foi profundamente influenciado pela sua amizade e colaboração com Niels Bohr, que prestou particular atenção à interpretação da teoria, clarificando o significado dos conceitos nela utilizados. Heisenberg, a quem Wolfgang Pauli chamou inicialmente formalista puro, logo assimilou a ideologia de Bohr e no seu famoso trabalho sobre as relações de incerteza deu uma contribuição significativa para a redefinição dos conceitos clássicos no microcosmo. Mais tarde, foi não só um dos principais actores na formação final da chamada interpretação da mecânica quântica de Copenhaga, mas também se voltou repetidamente para a análise histórica e conceptual da física moderna. O filósofo Anatoly Akhutin identificou a ideia da fronteira no sentido lato (o conceito de um centro organizador em torno do qual se constrói uma imagem unificada do mundo e da ciência; o problema de ir para além do conhecimento existente e construir uma nova imagem da realidade (“passos para além do horizonte”) como um motivo importante no raciocínio de Heisenberg.

Alguns artigos em tradução russa

Fontes

Гейзенберг, Вернер
Werner Heisenberg
1 2 Архив по истории математики Мактьютор
1 2 Werner Heisenberg // Encyclopædia Britannica (англ.)
1 2 Werner Heisenberg // Nationalencyklopedin (швед.) — 1999.
^ 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.
^ Cattaneo, pp. 5-7.
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^ Cattaneo, pp. 20-27.
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^ L”incredibile cena dei fisici quantistici, Gabriella Greison, p. 210.