Гейзенберг, Вернер

gigatos | 17 февраля, 2022

Post Views: 75

Суммури

Вернер Карл Гейзенберг (5 декабря 1901 — 1 февраля 1976) был немецким физиком-теоретиком и одним из ключевых пионеров квантовой механики. Он опубликовал свою работу в 1925 году в прорывной статье. В последующей серии работ, написанных в том же году совместно с Максом Борном и Паскуалем Джорданом, его матричная формулировка квантовой механики была существенно доработана. Он известен благодаря принципу неопределенности, который он опубликовал в 1927 году. Гейзенберг был удостоен Нобелевской премии по физике 1932 года «за создание квантовой механики».

Гейзенберг также внес важный вклад в теории гидродинамики турбулентных потоков, атомного ядра, ферромагнетизма, космических лучей и субатомных частиц. Он был главным ученым в немецкой программе создания ядерного оружия во время Второй мировой войны. Он также участвовал в планировании первого западногерманского ядерного реактора в Карлсруэ, а также исследовательского реактора в Мюнхене в 1957 году.

После Второй мировой войны он был назначен директором Института физики имени кайзера Вильгельма, который вскоре после этого был переименован в Институт физики имени Макса Планка. Он был директором этого института до его переезда в Мюнхен в 1958 году. Затем он стал директором Института физики и астрофизики имени Макса Планка с 1960 по 1970 год.

Гейзенберг также был президентом Немецкого исследовательского совета, председателем Комиссии по атомной физике, председателем Рабочей группы по ядерной физике и президентом Фонда Александра фон Гумбольдта.

Читайте также, биографии — Плифон

Ранние годы

Вернер Карл Гейзенберг родился в Вюрцбурге, Германия, в семье Каспара Эрнста Августа Гейзенберга и его жены Анни Векляйн. Его отец был учителем классических языков в средней школе и стал единственным в Германии ординарным профессором (ordentlicher Professor) средневекового и современного греческого языка в университетской системе.

Гейзенберг был воспитан и жил как христианин-лютеранин. В подростковом возрасте Гейзенберг читал «Тимей» Платона во время похода в Баварские Альпы. Он вспоминал философские беседы со своими сокурсниками и преподавателями о понимании атома во время получения научной подготовки в Мюнхене, Геттингене и Копенгагене. Позднее Гейзенберг заявил: «Мой ум сформировался благодаря изучению философии, Платона и тому подобных вещей», и что «Современная физика определенно приняла решение в пользу Платона. На самом деле мельчайшие единицы материи не являются физическими объектами в обычном смысле слова; это формы, идеи, которые могут быть однозначно выражены только на математическом языке».

В 1919 году Гейзенберг прибыл в Мюнхен в составе фрайкорпуса для борьбы с Баварской советской республикой, созданной годом ранее. Пять десятилетий спустя он вспоминал те дни как юношескую забаву, как «игру в полицейских и грабителей и так далее; ничего серьезного»; его обязанности ограничивались «изъятием велосипедов или пишущих машинок из «красных» административных зданий» и охраной подозреваемых «красных» заключенных.

Университетское образование

С 1920 по 1923 год он изучал физику и математику в Мюнхенском университете имени Людвига Максимилиана у Арнольда Зоммерфельда и Вильгельма Вина и в Геттингенском университете имени Георга-Августа у Макса Борна и Джеймса Франка, а математику — у Давида Гильберта. Он получил докторскую степень в 1923 году в Мюнхене под руководством Зоммерфельда.

В Геттингене, под руководством Борна, он завершил свою хабилитацию в 1924 году, написав Habilitationsschrift (хабилитационную диссертацию) об аномальном эффекте Зеемана.

В июне 1922 года Зоммерфельд взял Гейзенберга в Геттинген на фестиваль Бора, поскольку Зоммерфельд искренне интересовался своими студентами и знал об интересе Гейзенберга к теориям Нильса Бора по атомной физике. На этом мероприятии Бор был приглашенным лектором и прочитал серию исчерпывающих лекций по квантовой атомной физике, и Гейзенберг впервые встретился с Бором, что оказало на него неизгладимое влияние.

Докторская диссертация Гейзенберга, тема которой была предложена Зоммерфельдом, была посвящена турбулентности; в диссертации обсуждалась как устойчивость ламинарного потока, так и природа турбулентного потока. Проблема устойчивости была исследована с помощью уравнения Орра-Зоммерфельда, линейного дифференциального уравнения четвертого порядка для малых возмущений ламинарного потока. Он ненадолго вернулся к этой теме после Второй мировой войны.

В молодости он был членом и скаут-лидером Neupfadfinder, немецкой скаутской ассоциации и части немецкого молодежного движения. В августе 1923 года Роберт Хонселл и Гейзенберг организовали поездку в Финляндию со скаутской группой этого объединения из Мюнхена.

Личная жизнь

Гейзенберг любил классическую музыку и был искусным пианистом. Его интерес к музыке привел к встрече с будущей женой. В январе 1937 года Гейзенберг познакомился с Елизаветой Шумахер (1914-1998) на частном музыкальном концерте. Элизабет была дочерью известного берлинского профессора экономики, а ее братом был экономист Э. Ф. Шумахер, автор книги «Малое прекрасно». Гейзенберг женился на ней 29 апреля. Близнецы Мария и Вольфганг родились в январе 1938 года, после чего Вольфганг Паули поздравил Гейзенберга с «созданием пары» — игра слов, означающая процесс из физики элементарных частиц, производство пар. В течение следующих 12 лет у них родилось еще пятеро детей: Барбара, Кристина, Йохен, Мартин и Верена. В 1936 году он купил летний дом для своей семьи в Урфельд-ам-Вальхензее, на юге Германии.

Читайте также, мифология — Ахилл

Геттинген, Копенгаген и Лейпциг

С 1924 по 1927 год Гейзенберг был приватдоцентом в Геттингене, что означало, что он имел право преподавать и проводить экзамены самостоятельно, не имея кафедры. С 17 сентября 1924 года по 1 мая 1925 года, в рамках стипендии Международного совета по образованию Фонда Рокфеллера, Гейзенберг занимался исследованиями с Нильсом Бором, директором Института теоретической физики Копенгагенского университета. Его основополагающая работа «Über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen» («Квантово-теоретическая переинтерпретация кинематических и механических отношений») была опубликована в сентябре 1925 года. Он вернулся в Геттинген и вместе с Максом Борном и Паскуалем Йорданом в течение примерно шести месяцев разрабатывал формулировку матричной механики квантовой механики. 1 мая 1926 года Гейзенберг начал свою работу в качестве университетского преподавателя и ассистента Бора в Копенгагене. Именно в Копенгагене в 1927 году Гейзенберг разработал свой принцип неопределенности, работая над математическими основами квантовой механики. 23 февраля Гейзенберг написал письмо коллеге-физику Вольфгангу Паули, в котором впервые описал свой новый принцип. Для его описания Гейзенберг использовал слово «Ungenauigkeit» (неточность), а не неопределенность.

В 1927 году Гейзенберг был назначен ординарным профессором (professor ordinarius) теоретической физики и заведующим кафедрой физики Лейпцигского университета; 1 февраля 1928 года он прочитал там свою инаугурационную лекцию. В своей первой работе, опубликованной в Лейпциге, Гейзенберг использовал принцип исключения Паули для решения загадки ферромагнетизма.

О высоком качестве докторантов, аспирантов и научных сотрудников, которые учились и работали с Гейзенбергом в Лейпциге, свидетельствует признание, которое многие из них получили впоследствии. В разное время среди них были Эрих Багге, Феликс Блох, Уго Фано, Зигфрид Флюгге, Уильям Вермиллион Хьюстон, Фридрих Хунд, Роберт С. Малликен, Рудольф Пейерлс, Джордж Плачек, Исидор Исаак Раби, Фриц Саутер, Джон К. Слейтер, Эдвард Теллер, Джон Хасбрук ван Влек, Виктор Фредерик Вайсскопф, Карл Фридрих фон Вайцзеккер, Грегор Вентцель и Кларенс Зенер.

В начале 1929 года Гейзенберг и Паули представили первую из двух работ, заложивших основу релятивистской квантовой теории поля. Также в 1929 году Гейзенберг отправился в лекционное турне по Китаю, Японии, Индии и США. Весной 1929 года он был приглашенным лектором в Чикагский университет, где читал лекции по квантовой механике.

В 1928 году британский математический физик Поль Дирак вывел свое релятивистское волновое уравнение квантовой механики, которое предполагало существование положительных электронов, позже названных позитронами. В 1932 году американский физик Карл Дэвид Андерсон по фотографии космических лучей, сделанной в облачной камере, определил, что трек был сделан позитроном. В середине 1933 года Гейзенберг представил свою теорию позитрона. Его размышления о теории Дирака и дальнейшее развитие теории были изложены в двух работах. Первая, «Bemerkungen zur Diracschen Theorie des Positrons» («Замечания по теории позитрона Дирака»), была опубликована в 1934 году, а вторая, «Folgerungen aus der Diracschen Theorie des Positrons» («Следствия теории позитрона Дирака»), была опубликована в 1936 году. В этих работах Гейзенберг первым переосмыслил уравнение Дирака как «классическое» уравнение поля для любой точечной частицы со спином ħ

Матричная механика и Нобелевская премия

Работа Гейзенберга, в которой была основана квантовая механика, озадачила физиков и историков. Его методы предполагают, что читатель знаком с вычислениями вероятности перехода Крамерса-Гейзенберга. Главная новая идея — некоммутативные матрицы — оправдывается только отказом от ненаблюдаемых величин. Она вводит некоммутативное умножение матриц с помощью физических рассуждений, основанных на принципе соответствия, несмотря на то, что Гейзенберг тогда не был знаком с математической теорией матриц. Путь, ведущий к этим результатам, был реконструирован в MacKinnon, 1977, а подробные расчеты разработаны в Aitchison et al.

В Копенгагене Гейзенберг и Ганс Крамерс работали над статьей о дисперсии, или рассеянии атомами излучения, длина волны которого больше длины волны атомов. Они показали, что успешная формула, которую Крамерс разработал ранее, не может быть основана на орбитах Бора, поскольку частоты перехода основаны на расстояниях между уровнями, которые не являются постоянными. Частоты, которые возникают при преобразовании Фурье резких классических орбит, напротив, равномерно распределены. Но эти результаты можно объяснить с помощью полуклассической модели виртуального состояния: входящее излучение возбуждает валентный, или внешний, электрон до виртуального состояния, из которого он распадается. В последующей работе Гейзенберг показал, что эта модель виртуального осциллятора может также объяснить поляризацию флуоресцентного излучения.

Эти два успеха, а также продолжающаяся неспособность модели Бора-Зоммерфельда объяснить нерешенную проблему аномального эффекта Зеемана, привели Гейзенберга к использованию модели виртуального осциллятора для вычисления спектральных частот. Метод оказался слишком сложным для немедленного применения к реалистичным проблемам, поэтому Гейзенберг обратился к более простому примеру — ангармоническому осциллятору.

Дипольный осциллятор состоит из простого гармонического осциллятора, который мыслится как заряженная частица на пружине, возмущаемая внешней силой, например, внешним зарядом. Движение колеблющегося заряда можно выразить в виде ряда Фурье по частоте осциллятора. Гейзенберг решил проблему квантового поведения двумя различными методами. Во-первых, он рассматривал систему с помощью метода виртуального осциллятора, рассчитывая переходы между уровнями, которые были бы произведены внешним источником.

Затем он решил ту же проблему, рассматривая ангармонический член потенциала как возмущение гармонического осциллятора и используя методы возмущения, разработанные им и Борном. Оба метода привели к одинаковым результатам для первого и очень сложного поправочного члена второго порядка. Это позволило предположить, что за очень сложными расчетами скрывается последовательная схема.

Поэтому Гейзенберг решил сформулировать эти результаты без явной зависимости от модели виртуального осциллятора. Для этого он заменил разложения Фурье для пространственных координат матрицами — матрицами, которые соответствовали коэффициентам перехода в методе виртуального осциллятора. Он обосновал эту замену, апеллируя к принципу соответствия Бора и доктрине Паули, согласно которой квантовая механика должна быть ограничена наблюдаемыми величинами.

9 июля Гейзенберг передал Борну эту работу для рассмотрения и представления к публикации. Когда Борн прочитал статью, он понял, что формулировка может быть расширена и переведена на систематический язык матриц, который он изучал под руководством Якоба Розанеса в университете Бреслау. Борн, с помощью своего ассистента и бывшего студента Паскуаля Джордана, немедленно приступил к расшифровке и расширению, и они представили свои результаты для публикации; статья была получена для публикации всего через 60 дней после статьи Гейзенберга. До конца года всеми тремя авторами была представлена к публикации последующая статья.

До этого времени матрицы редко использовались физиками; считалось, что они относятся к области чистой математики. Густав Ми использовал их в работе по электродинамике в 1912 году, а Борн — в своей работе по теории кристаллических решеток в 1921 году. Хотя матрицы использовались в этих случаях, алгебра матриц с их умножением не вошла в картину, как это произошло в матричной формулировке квантовой механики.

В 1928 году Альберт Эйнштейн выдвинул Гейзенберга, Борна и Джордана на Нобелевскую премию по физике. Объявление Нобелевской премии по физике за 1932 год было отложено до ноября 1933 года. Именно тогда было объявлено, что Гейзенберг получил премию за 1932 год «за создание квантовой механики, применение которой, в частности, привело к открытию аллотропных форм водорода».

Интерпретация квантовой теории

Развитие квантовой механики и очевидные противоречивые последствия в отношении того, что является «реальным», имели глубокие философские последствия, включая то, что действительно означают научные наблюдения. В отличие от Альберта Эйнштейна и Луи де Бройля, которые были реалистами и считали, что частицы имеют объективно истинные импульс и положение в любое время (даже если оба эти параметра невозможно измерить), Гейзенберг был антиреалистом, утверждая, что прямое знание того, что такое «реальность», находится за пределами науки. В своей книге «Концепция природы физика» Гейзенберг утверждал, что в конечном итоге мы можем говорить только о знаниях (числах в таблицах), которые описывают что-то о частицах, но мы никогда не сможем получить «истинный» доступ к самим частицам:

Мы больше не можем говорить о поведении частицы независимо от процесса наблюдения. Как последнее следствие, законы природы, сформулированные математически в квантовой теории, больше не имеют дело с самими элементарными частицами, а с нашим знанием о них. Также больше невозможно объективно спросить, существуют ли эти частицы в пространстве и времени… Когда мы говорим о картине природы в точных науках нашего времени, мы имеем в виду не столько картину природы, сколько картину наших отношений с природой. …Наука больше не противостоит природе как объективный наблюдатель, а видит себя актером в этом взаимодействии между человеком и природой. Научный метод анализа, объяснения и классификации осознал свою ограниченность, которая проистекает из того факта, что своим вмешательством наука изменяет и переделывает объект исследования. Другими словами, метод и объект больше не могут быть разделены.

Расследование СС

Вскоре после открытия нейтрона Джеймсом Чедвиком в 1932 году Гейзенберг представил первую из трех работ о своей нейтронно-протонной модели ядра. После прихода к власти Адольфа Гитлера в 1933 году Гейзенберг подвергся нападкам в прессе как «белый еврей» (т.е. ариец, который ведет себя как еврей). Сторонники Deutsche Physik, или немецкой физики (также известной как арийская физика), начали злобные нападки на ведущих физиков-теоретиков, включая Арнольда Зоммерфельда и Гейзенберга. С начала 1930-х годов антисемитское и антитеоретическое движение Deutsche Physik занималось квантовой механикой и теорией относительности. В университетской среде политические факторы имели приоритет над научными способностями, хотя двумя самыми видными сторонниками движения были Нобелевские лауреаты по физике Филипп Ленард

Было много неудачных попыток назначить Гейзенберга профессором в ряде немецких университетов. Попытка назначить его преемником Арнольда Зоммерфельда провалилась из-за противодействия движения «Немецкая физика». 1 апреля 1935 года выдающийся физик-теоретик Зоммерфельд, советник Гейзенберга по докторской диссертации в Университете Людвига-Максимилиана в Мюнхене, получил статус почетного профессора. Однако Зоммерфельд оставался на своем посту во время процесса выбора его преемника, который длился до 1 декабря 1939 года. Процесс был длительным из-за академических и политических разногласий между выбором мюнхенского факультета и выбором Министерства образования Рейха и сторонников Немецкой физики.

В 1935 году Мюнхенский факультет составил список кандидатов на замещение Зоммерфельда в качестве ординарного профессора теоретической физики и главы Института теоретической физики Мюнхенского университета. Все три кандидата были бывшими студентами Зоммерфельда: Гейзенберг, получивший Нобелевскую премию по физике; Питер Дебай, получивший Нобелевскую премию по химии в 1936 году; и Ричард Беккер. Мюнхенский факультет твердо стоял за этих кандидатов, причем Гейзенберг был их первым выбором. Однако у сторонников Deutsche Physik и элементов в REM был свой список кандидатов, и борьба затянулась на четыре года. В течение этого времени Гейзенберг подвергался злобным нападкам со стороны сторонников Deutsche Physik. Одна из атак была опубликована в «Черном корпусе», газете СС, возглавляемой Генрихом Гиммлером. В ней Гейзенберг был назван «белым евреем», которого следует заставить «исчезнуть». Эти нападки были восприняты всерьез, евреи подвергались жестоким нападениям и заключались в тюрьмы. Гейзенберг дал отпор, написав редакционную статью и письмо Гиммлеру, пытаясь решить вопрос и восстановить свою честь.

В какой-то момент мать Гейзенберга навестила мать Гиммлера. Эти две женщины знали друг друга, поскольку дед Гейзенберга по материнской линии и отец Гиммлера были ректорами и членами баварского туристического клуба. В конце концов, Гиммлер уладил роман с Гейзенбергом, отправив два письма, одно группенфюреру СС Рейнхарду Гейдриху, а другое Гейзенбергу, оба от 21 июля 1938 года. В письме Гейдриху Гиммлер сказал, что Германия не может позволить себе потерять или заставить замолчать Гейзенберга, так как он мог бы быть полезен для обучения целого поколения ученых. В письме Гейзенбергу Гиммлер сообщил, что письмо пришло по рекомендации его семьи, и предупредил Гейзенберга, чтобы тот проводил различие между результатами профессиональных исследований в области физики и личными и политическими взглядами участвующих в них ученых.

Вильгельм Мюллер заменил Зоммерфельда в Мюнхенском университете имени Людвига Максимилиана. Мюллер не был физиком-теоретиком, не публиковался в физических журналах и не был членом Немецкого физического общества. Его назначение считалось пародией и вредом для образования физиков-теоретиков.

Три следователя, возглавлявшие расследование СС в отношении Гейзенберга, имели подготовку в области физики. Действительно, Гейзенберг участвовал в докторском экзамене одного из них в Лейпцигском университете. Самым влиятельным из них был Йоханнес Юльфс. В ходе расследования они стали сторонниками Гейзенберга, а также его позиции против идеологической политики движения «Немецкая физика» в теоретической физике и академических кругах.

Читайте также, битвы — Битва при Павии

Довоенные работы по физике

В середине 1936 года Гейзенберг представил свою теорию космических лучей в двух статьях, которые появились в течение следующих двух лет.

В декабре 1938 года немецкие химики Отто Хан и Фриц Штрассман отправили в журнал «Естественные науки» рукопись, в которой сообщалось, что они обнаружили элемент барий после бомбардировки урана нейтронами, и Отто Хан сделал вывод о разрыве ядра урана; одновременно Хан сообщил об этих результатах своей подруге Лизе Мейтнер, которая в июле того же года бежала в Нидерланды, а затем отправилась в Швецию. Мейтнер и ее племянник Отто Роберт Фриш правильно интерпретировали результаты Хана и Штрассмана как ядерное деление. Фриш подтвердил это экспериментально 13 января 1939 года.

В июне 1939 года Гейзенберг совершил поездку в США, в июне и июле посетив Самуэля Абрахама Гаудсмита в Мичиганском университете в Энн-Арборе. Однако Гейзенберг отказался от приглашения эмигрировать в США. Он снова увидел Гаудсмита только шесть лет спустя, когда Гаудсмит был главным научным консультантом американской операции «Алсос» в конце Второй мировой войны.

Членство в Uranverein

Немецкая программа создания ядерного оружия, известная как Uranverein, была сформирована 1 сентября 1939 года, в день начала Второй мировой войны. Heereswaffenamt (HWA, Army Ordnance Office) выдавил Reichsforschungsrat (RFR, Reich Research Council) из Reichserziehungsministerium (REM, Reich Ministry of Education) и начал официальный немецкий проект по ядерной энергии под военной эгидой. Первое заседание проекта состоялось 16 сентября 1939 года. Встреча была организована Куртом Дибнером, советником HWA, и прошла в Берлине. Среди приглашенных были Вальтер Боте, Зигфрид Флюгге, Ганс Гейгер, Отто Хан, Пауль Хартек, Герхард Хоффманн, Йозеф Маттаух и Георг Штеттер. Вскоре после этого была проведена вторая встреча, на которой присутствовали Гейзенберг, Клаус Клузиус, Роберт Дёпель и Карл Фридрих фон Вайцзеккер. Институт физики имени кайзера Вильгельма (KWIP, Kaiser-Wilhelm Institut für Physik) в Берлине-Дахлеме был передан под управление HWA, административным директором которого стал Дибнер, и начался военный контроль над ядерными исследованиями. В период, когда Дибнер управлял KWIP по программе HWA, между Дибнером и ближайшим окружением Гейзенберга, в которое входили Карл Виртц и Карл Фридрих фон Вайцзеккер, возникла значительная личная и профессиональная вражда.

На научной конференции 26-28 февраля 1942 года в Физическом институте имени кайзера Вильгельма, созванной Управлением армейского вооружения, Гейзенберг представил чиновникам Рейха лекцию о получении энергии при делении ядер. Лекция под названием «Die theoretischen Grundlagen für die Energiegewinning aus der Uranspaltung» («Теоретические основы получения энергии при делении урана») была, как признался Гейзенберг после Второй мировой войны в письме Самуэлю Гаудсмиту, «адаптирована к интеллектуальному уровню рейхсминистра». Гейзенберг читал лекции об огромном энергетическом потенциале деления ядер, утверждая, что при делении атомного ядра может быть высвобождено 250 миллионов электрон-вольт. Гейзенберг подчеркнул, что для осуществления цепной реакции необходимо получить чистый U-235. Он исследовал различные способы получения изотопа 23592U в чистом виде, включая обогащение урана и альтернативный многоуровневый метод с использованием обычного урана и замедлителя в машине. Эта машина, отметил он, может быть использована на практике для заправки топливом автомобилей, кораблей и подводных лодок. Гейзенберг подчеркнул важность финансовой и материальной поддержки этого научного начинания со стороны Управления армейского вооружения. Затем состоялась вторая научная конференция. Были заслушаны лекции по проблемам современной физики, имеющим решающее значение для национальной обороны и экономики. На конференции присутствовал Бернхард Руст, рейхсминистр науки, образования и национальной культуры. На конференции рейхсминистр Руст принял решение забрать ядерный проект у Общества кайзера Вильгельма. Исследовательский совет Рейха должен был заняться этим проектом. В апреле 1942 года армия вернула Физический институт Обществу кайзера Вильгельма, назначив Гейзенберга директором института. С этим назначением в KWIP Гейзенберг получил свою первую профессорскую должность. Питер Дебай все еще оставался директором института, но уехал в отпуск в США после того, как отказался стать гражданином Германии, когда HWA взяло KWIP под административный контроль. У Гейзенберга также оставалась кафедра физики в Лейпцигском университете, где Роберт Дёпель и его жена Клара Дёпель работали для Uranverein.

4 июня 1942 года Гейзенберг был вызван для доклада Альберту Шпееру, министру вооружений Германии, о перспективах конверсии исследований Uranverein в разработку ядерного оружия. Во время встречи Гейзенберг сказал Шпееру, что бомба не может быть создана до 1945 года, поскольку для этого потребуются значительные денежные ресурсы и большое количество персонала.

После того, как проект Uranverein перешел под руководство Исследовательского совета Рейха, он сосредоточился на производстве ядерной энергии и, таким образом, сохранил свое kriegswichtig (финансирование, таким образом, продолжалось со стороны военных). Проект по производству ядерной энергии был разбит на следующие основные области: производство урана и тяжелой воды, разделение изотопов урана и Uranmaschine (урановая машина, т.е. ядерный реактор). Затем проект был, по сути, разделен между несколькими институтами, директора которых доминировали в исследованиях и устанавливали свои собственные программы исследований. В 1942 году, когда армия отказалась от контроля над немецкой программой создания ядерного оружия, проект достиг зенита по количеству персонала. В программе работало около 70 ученых, причем около 40 посвящали более половины своего времени исследованиям деления ядер. После 1942 года число ученых, работающих над прикладным делением ядер, резко сократилось. Многие ученые, не работавшие в основных институтах, прекратили работу над делением ядер и посвятили свои усилия более важным работам, связанным с войной.

В сентябре 1942 года Гейзенберг представил свою первую работу из серии, состоящей из трех частей, о матрице рассеяния, или S-матрице, в физике элементарных частиц. Первые две работы были опубликованы в 1943 году. S-матрица описывала только состояния падающих частиц в процессе столкновения, состояния частиц, выходящих из столкновения, и стабильные связанные состояния; не было никаких ссылок на промежуточные состояния. Это был тот же прецедент, которому он следовал в 1925 году в том, что оказалось основой матричной формулировки квантовой механики с использованием только наблюдаемых.

В феврале 1943 года Гейзенберг был назначен на кафедру теоретической физики в Университете Фридриха Вильгельма (сегодня — Берлинский университет имени Гумбольдта). В апреле было утверждено его избрание в Прусскую академию наук (Preußische Akademie der Wissenschaften). В том же месяце он перевез свою семью в уединенное место в Урфельде, поскольку бомбардировки союзников в Берлине усилились. Летом по тем же причинам он направил первых сотрудников Института физики кайзера Вильгельма в Хехинген и соседний город Хайгерлох на окраине Шварцвальда. С 18 по 26 октября он совершил поездку в оккупированные Германией Нидерланды. В декабре 1943 года Гейзенберг посетил оккупированную Германией Польшу.

С 24 января по 4 февраля 1944 года Гейзенберг ездил в оккупированный Копенгаген, после того как немецкая армия конфисковала Институт теоретической физики Бора. В апреле он совершил короткую обратную поездку. В декабре Гейзенберг читал лекции в нейтральной Швейцарии. Управление стратегических служб США направило на лекцию агента Мо Берга с пистолетом и приказом застрелить Гейзенберга, если из его лекции станет ясно, что Германия близка к созданию атомной бомбы.

В январе 1945 года Гейзенберг с большинством сотрудников переехал из Физического института имени кайзера Вильгельма в Шварцвальд.

1945: Миссия Алсос

Миссия «Алсос» была попыткой союзников определить, есть ли у немцев программа создания атомной бомбы, и использовать немецкие объекты, связанные с атомной энергией, исследования, материальные ресурсы и научный персонал в интересах США. Персонал этой операции обычно проникал в районы, которые только что перешли под контроль союзных вооруженных сил, но иногда они действовали в районах, все еще контролируемых немецкими войсками. В Берлине находилось множество немецких научно-исследовательских учреждений. Чтобы сократить количество жертв и потерь оборудования, многие из этих объектов в последние годы войны были переведены в другие места. Институт физики имени кайзера Вильгельма (KWIP, Kaiser-Wilhelm-Institut für Physik) подвергся бомбардировке, поэтому в 1943 и 1944 годах он был в основном переведен в Хехинген и соседний город Хайгерлох, расположенный на окраине Шварцвальда, который в конечном итоге был включен в оккупационную зону Франции. Это позволило американской оперативной группе миссии «Алсос» взять под стражу большое количество немецких ученых, связанных с ядерными исследованиями.

30 марта миссия «Алсос» достигла Гейдельберга, где были захвачены важные ученые, включая Вальтера Боте, Рихарда Куна, Филиппа Ленарда и Вольфганга Гертнера. Их допрос показал, что Отто Хан находился в своей лаборатории в Тайльфингене, а Гейзенберг и Макс фон Лауэ — в лаборатории Гейзенберга в Хехингене, и что экспериментальный реактор на природном уране, который команда Гейзенберга построила в Берлине, был перевезен в Хайгерлох. После этого основное внимание миссии «Алсос» было сосредоточено на этих ядерных объектах в районе Вюртемберга. Гейзенберг был тайно вывезен из Урфельда 3 мая 1945 года в ходе высокогорной операции на территории, все еще контролируемой элитными немецкими войсками. Его доставили в Гейдельберг, где 5 мая он встретился с Гаудсмитом впервые после визита в Энн-Арбор в 1939 году. Германия капитулировала всего два дня спустя. Гейзенберг не увидит свою семью в течение восьми месяцев, поскольку его перевезли через Францию и Бельгию и переправили в Англию 3 июля 1945 года.

1945: Реакция на Хиросиму

Девять выдающихся немецких ученых, опубликовавших доклады в «Отчетах об исследованиях в области ядерной физики» в качестве членов Uranverein, были схвачены в ходе операции Alsos и заключены в тюрьму в Англии в рамках операции Epsilon. Десять немецких ученых, включая Гейзенберга, содержались в Фарм-холле в Англии. Этот объект был конспиративной квартирой британской внешней разведки MI6. Во время содержания под стражей их разговоры записывались. Разговоры, которые считались ценными для разведки, были расшифрованы и переведены на английский язык. Стенограммы были опубликованы в 1992 году. 6 августа 1945 года ученые из Фарм-холла узнали из сообщений СМИ, что США сбросили атомную бомбу на Хиросиму, Япония. Сначала было выражено неверие в то, что бомба была создана и сброшена. В последующие недели немецкие ученые обсуждали, как США могли создать бомбу.

В стенограммах из Фарм-холла говорится, что Гейзенберг, как и другие физики, интернированные в Фарм-холле, включая Отто Хана и Карла Фридриха фон Вайцзеккера, были рады победе союзников во Второй мировой войне. Гейзенберг сказал другим ученым, что он никогда не думал о бомбе, а только об атомной куче для производства энергии. Мораль создания бомбы для нацистов также обсуждалась. Лишь немногие из ученых выразили неподдельный ужас перед перспективой создания ядерного оружия, а сам Гейзенберг был осторожен в обсуждении этого вопроса. По поводу провала немецкой программы по созданию атомного оружия Гейзенберг заметил: «У нас не хватило бы морального мужества рекомендовать правительству весной 1942 года нанять 120 000 человек только для создания этой штуки».

Руководящие должности в немецких научно-исследовательских институтах

3 января 1946 года десять заключенных операции «Эпсилон» были перевезены в Альсведе в Германии. Гейзенберг поселился в Геттингене, который находился в британской зоне оккупированной союзниками Германии. Гейзенберг сразу же начал продвигать научные исследования в Германии. После уничтожения Общества кайзера Вильгельма Контрольным советом союзников и создания Общества Макса Планка в британской зоне, Гейзенберг стал директором Института физики Макса Планка. Макс фон Лауэ был назначен заместителем директора, а Карл Виртц, Карл Фридрих фон Вайцзеккер и Людвиг Бирманн присоединились к нему, чтобы помочь Гейзенбергу создать институт. Хайнц Биллинг присоединился в 1950 году, чтобы содействовать развитию электронных вычислений. Основным направлением исследований института было космическое излучение. Каждую субботу утром в институте проводился коллоквиум.

Гейзенберг вместе с Германом Рейном участвовал в создании Форшунгсрата (исследовательского совета). По замыслу Гейзенберга, этот совет должен был способствовать диалогу между новообразованной Федеративной Республикой Германия и научным сообществом, расположенным в Германии. Гейзенберг был назначен президентом Forschungsrat. В 1951 году организация была объединена с Немецким научным обществом (Notgemeinschaft der Deutschen Wissenschaft) и в том же году переименована в Немецкий научно-исследовательский фонд (Deutsche Forschungsgemeinschaft). После слияния Гейзенберг был назначен членом президиума.

В 1958 году Институт физики Макса Планка был переведен в Мюнхен, расширен и переименован в Институт физики и астрофизики Макса Планка (MPIFA). В это время Гейзенберг и астрофизик Людвиг Бирманн были содиректорами MPIFA. Гейзенберг также стал ординарным профессором (ordinarius professor) в Университете Людвига-Максимилиана в Мюнхене. Гейзенберг был единственным директором MPIFA с 1960 по 1970 год. Хайзенберг сложил с себя полномочия директора MPIFA 31 декабря 1970 года.

Содействие международному научному сотрудничеству

В 1951 году Гейзенберг согласился стать научным представителем Федеративной Республики Германия на конференции ЮНЕСКО с целью создания европейской лаборатории по ядерной физике. Цель Гейзенберга заключалась в создании большого ускорителя частиц, используя ресурсы и технические навыки ученых всего Западного блока. 1 июля 1953 года Гейзенберг подписал конвенцию о создании ЦЕРН от имени Федеративной Республики Германия. Хотя ему предложили стать научным директором ЦЕРН, он отказался. Вместо этого он был назначен председателем комитета по научной политике ЦЕРН и в дальнейшем определял научную программу ЦЕРН.

В декабре 1953 года Гейзенберг стал президентом Фонда Александра фон Гумбольдта. За время его пребывания на посту президента 550 гумбольдтовских ученых из 78 стран получили гранты на научные исследования. Гейзенберг ушел с поста президента незадолго до своей смерти.

Научные интересы

В 1946 году немецкий ученый Хайнц Позе, руководитель Лаборатории V в Обнинске, написал Гейзенбергу письмо, в котором приглашал его на работу в СССР. В письме превозносились условия работы в СССР и имеющиеся ресурсы, а также благоприятное отношение Советов к немецким ученым. Курьер доставил Гейзенбергу письмо о приеме на работу, датированное 18 июля 1946 года; Гейзенберг вежливо отказался. В 1947 году Гейзенберг читал лекции в Кембридже, Эдинбурге и Бристоле. Гейзенберг внес вклад в понимание явления сверхпроводимости, опубликовав в 1947 году одну из работ совместно с Максом фон Лауэ.

В период вскоре после Второй мировой войны Гейзенберг ненадолго вернулся к теме своей докторской диссертации — турбулентности. Три работы были опубликованы в 1948 году В послевоенный период Гейзенберг продолжил свои интересы в области ливней космических лучей с соображениями о множественном производстве мезонов. В 1952 году он опубликовал три работы, и одну

В конце 1955 — начале 1956 года Гейзенберг прочитал лекции Гиффорда в университете Сент-Эндрюс в Шотландии, посвященные интеллектуальной истории физики. Лекции были позже опубликованы под названием «Физика и философия: Революция в современной науке. В 1956 и 1957 годах Гейзенберг был председателем Arbeitskreis Kernphysik (рабочей группы по ядерной физике) в составе Fachkommission II «Forschung und Nachwuchs» (комиссии II «Исследования и рост») Немецкой комиссии по атомной энергии (DAtK, German Atomic Energy Commission). Другими членами Рабочей группы по ядерной физике в 1956 и 1957 годах были: Вальтер Боте, Ганс Копферманн (заместитель председателя), Фриц Бопп, Вольфганг Гентнер, Отто Гаксель, Виллибальд Йентшке, Хайнц Майер-Лейбниц, Йозеф Маттаух, Вольфганг Рицлер, Вильгельм Вальхер и Карл Фридрих фон Вайцзеккер. Вольфганг Пауль также был членом группы в течение 1957 года.

В 1957 году Гейзенберг подписал Геттингерский манифест, публично выступив против вооружения Федеративной Республики Германия ядерным оружием. Гейзенберг, как и Паскуаль Джордан, думал, что политики проигнорируют это заявление ученых-ядерщиков. Но Гейзенберг считал, что Манифест Геттингера «повлияет на общественное мнение», которое политики должны будут принять во внимание. Он писал Вальтеру Герлаху: «Нам, вероятно, придется еще долго возвращаться к этому вопросу на публике из-за опасности, что общественное мнение ослабнет». В 1961 году Гейзенберг подписал Тюбингенский меморандум вместе с группой ученых, которых собрали Карл Фридрих фон Вайцзеккер и Людвиг Райзер. Последовала публичная дискуссия между учеными и политиками. Поскольку к дебатам о ядерном оружии присоединились видные политики, писатели и светские персоны, подписавшие меморандум выступили против «интеллектуальных нонконформистов, работающих на полную ставку».

С 1957 года Гейзенберг интересовался физикой плазмы и процессом ядерного синтеза. Он также сотрудничал с Международным институтом атомной физики в Женеве. Он был членом комитета по научной политике института, а в течение нескольких лет был его председателем. Он был одним из восьми подписантов Тюбингенского меморандума, который призывал признать линию Одер-Нейссе официальной границей между Германией и Польшей и выступал против возможного ядерного вооружения Западной Германии.

В 1973 году Гейзенберг прочитал лекцию в Гарвардском университете об историческом развитии концепций квантовой теории. 24 марта 1973 года Гейзенберг выступил с речью перед Католической академией Баварии, принимая премию Романо Гвардини. Английский перевод его речи был опубликован под названием «Научная и религиозная истина», цитата из которой приводится в одном из последующих разделов этой статьи.

Гейзенберг восхищался восточной философией и видел параллели между ней и квантовой механикой, описывая себя в «полном согласии» с книгой «Дао физики». Гейзенберг даже заявлял, что после бесед с Рабиндранатом Тагором об индийской философии «некоторые идеи, которые казались такими безумными, вдруг обрели гораздо больший смысл».

Что касается философии Людвига Витгенштейна, Гейзенбергу не понравился «Трактат логико-философский», но ему «очень понравились поздние идеи Витгенштейна и его философия языка».

Гейзенберг, набожный христианин, написал: «Мы можем утешить себя тем, что Господь Бог знает положение частиц, поэтому Он позволит принципу причинности продолжать действовать», в своем последнем письме Альберту Эйнштейну. Эйнштейн продолжал утверждать, что квантовая физика должна быть неполной, поскольку она подразумевает, что Вселенная неопределенна на фундаментальном уровне.

В лекциях, прочитанных в 1950-х годах и позднее опубликованных под названием «Физика и философия», Гейзенберг утверждал, что научные достижения ведут к культурным конфликтам. Он заявил, что современная физика является «частью общего исторического процесса, который стремится к объединению и расширению нашего современного мира».

Когда Гейзенберг принимал премию Романо Гвардини в 1974 году, он произнес речь, которую позже опубликовал под названием «Научная и религиозная истина». Он размышлял:

В истории науки, начиная со знаменитого суда над Галилеем, неоднократно утверждалось, что научную истину невозможно примирить с религиозной интерпретацией мира. Хотя сейчас я убежден, что научная истина неприступна в своей области, я никогда не считал возможным отбросить содержание религиозного мышления как просто часть устаревшей фазы в сознании человечества, часть, от которой нам придется отказаться. Таким образом, в течение своей жизни я неоднократно был вынужден размышлять о соотношении этих двух областей мысли, поскольку я никогда не мог усомниться в реальности того, на что они указывают.

Сын Гейзенберга, Мартин Гейзенберг, стал нейробиологом в университете Вюрцбурга, а его сын Йохен Гейзенберг стал профессором физики в университете Нью-Гэмпшира.

В конце шестидесятых годов Гейзенберг написал свою автобиографию для массового читателя. В 1969 году книга вышла в Германии, в начале 1971 года она была опубликована на английском языке, а в последующие годы — на ряде других языков. Гейзенберг начал работу над проектом в 1966 году, когда его публичные лекции все чаще переходили на темы философии и религии. Гейзенберг отправил рукопись учебника по единой теории поля в издательства Hirzel Verlag и John Wiley & Sons для публикации. Эта рукопись, писал он одному из своих издателей, была подготовительной работой для его автобиографии. Он построил свою автобиографию по темам, охватывающим: 1) цель точной науки, 2) проблематика языка в атомной физике, 3) абстракция в математике и науке, 4) делимость материи или антиномия Канта, 5) основная симметрия и ее обоснование и 6) наука и религия.

Гейзенберг написал свои мемуары в виде цепочки бесед, охватывающих весь период его жизни. Книга имела большой успех, но была воспринята историками науки как проблемная. В предисловии Гейзенберг написал, что сократил исторические события, чтобы сделать их более краткими. Во время публикации книга была отрецензирована Полом Форманом в журнале Science с комментарием: «Перед нами мемуары в форме рационально реконструированного диалога. А диалог, как хорошо знал Галилей, сам по себе является самым коварным литературным приемом: живым, увлекательным и особенно подходящим для того, чтобы внушить свое мнение и при этом уйти от ответственности за него». Научных мемуаров было опубликовано немного, но Конрад Лоренц и Адольф Портманн написали популярные книги, которые донесли научные знания до широкой аудитории. Гейзенберг работал над своей автобиографией и опубликовал ее в издательстве Piper Verlag в Мюнхене. Первоначально Гейзенберг предложил название Gespräche im Umkreis der Atomphysik (Беседы по атомной физике). В итоге автобиография была опубликована под названием Der Teil und das Ganze (Часть и целое). Английский перевод 1971 года был опубликован под названием «Физика и за ее пределами: Встречи и беседы.

Гейзенберг умер от рака почек у себя дома 1 февраля 1976 года. На следующий вечер его коллеги и друзья прошли в знак памяти от Института физики до его дома, зажгли свечу и поставили ее перед его дверью. Гейзенберг похоронен в мюнхенском Вальдфридхофе.

В 1980 году его вдова, Элизабет Гейзенберг, опубликовала книгу «Политическая жизнь аполитичного человека» (de, Das politische Leben eines Unpolitischen). В ней она охарактеризовала Гейзенберга как «прежде всего, спонтанного человека, затем блестящего ученого, далее высокоталантливого художника, и только на четвертом месте, из чувства долга, homo politicus».

Гейзенберг был удостоен ряда наград:

Следующие отчеты были опубликованы в Kernphysikalische Forschungsberichte (Отчеты об исследованиях в области ядерной физики), внутреннем издании немецкого Uranverein. Отчеты имели гриф «Совершенно секретно», их распространение было очень ограниченным, и авторам не разрешалось хранить копии. Отчеты были конфискованы в ходе союзнической операции «Алсос» и отправлены в Комиссию по атомной энергии США для оценки. В 1971 году отчеты были рассекречены и возвращены в Германию. С отчетами можно ознакомиться в Центре ядерных исследований Карлсруэ и Американском институте физики.

Фамилия Хайзенберг используется в качестве основного псевдонима Уолтера Уайта, главного героя криминального драматического сериала канала AMC «Во все тяжкие» (Breaking Bad), на протяжении всего периода превращения Уайта из школьного учителя химии в метамфетаминщика и наркобарона. В приквеле «Лучше звоните Солу» персонаж по имени Вернер руководит строительством лаборатории по производству метамфетамина, принадлежащей антагонисту Гасу Фрингу, в которой Уолт готовит пищу на протяжении большей части сериала «Во все тяжкие».

Хайзенберг был целью покушения шпиона Мо Берга в фильме «Ловец был шпионом», основанном на реальных событиях.

Гейзенбергу приписывают создание атомной бомбы, использованной странами Оси в телесериале Amazon Prime по роману Филипа К. Дика «Человек в высоком замке». Атомные бомбы в этой вселенной называются устройствами Гейзенберга.

Дэниел Крейг сыграл роль Хайзенберга в фильме 2002 года «Копенгаген», экранизации одноименной пьесы Майкла Фрейна.

Хайзенберг — однофамилец второстепенного антагониста Resident Evil Village Карла Хайзенберга. Исследования Гейзенберга в области ферромагнетизма послужили вдохновением для создания магнитных способностей персонажа.

Сноски

Цитаты

Источники