Werner Karl Heisenberg

Dimitris Stamatios | 11 októbra, 2022

Werner Carl Heisenberg (5. decembra 1901, Würzburg – 1. februára 1976, Mníchov) bol nemecký teoretický fyzik, jeden zo zakladateľov kvantovej mechaniky, nositeľ Nobelovej ceny za fyziku (1932) a člen viacerých akadémií a vedeckých spoločností.

Heisenberg je autorom mnohých zásadných výsledkov kvantovej teórie: položil základy maticovej mechaniky, sformuloval vzťah neurčitosti, aplikoval formalizmus kvantovej mechaniky na problémy feromagnetizmu, anomálneho Zeemanovho javu a iné. Neskôr sa aktívne podieľal na rozvoji kvantovej elektrodynamiky (Heisenbergova – Pauliho teória) a kvantovej teórie poľa (teória S-matíc), v posledných desaťročiach svojho života sa pokúšal o vytvorenie jednotnej teórie poľa. Heisenberg je autorom jednej z prvých kvantovo-mechanických teórií jadrových síl, počas druhej svetovej vojny bol vedúcim teoretikom nemeckého jadrového projektu. Venoval sa aj fyzike kozmického žiarenia, teórii turbulencie a filozofickým problémom prírodných vied. Heisenberg zohral významnú úlohu pri organizácii vedeckého výskumu v povojnovom Nemecku.

Obdobie dospievania (1901-1920)

Werner Heisenberg sa narodil vo Würzburgu v rodine Augusta Heisenberga, profesora stredovekej a modernej gréckej filológie, a Annie Weckleinovej, dcéry riaditeľa Maximiliánovho gymnázia v Mníchove. Bol druhým dieťaťom v rodine, jeho starší brat Erwin (1900-1965) sa neskôr stal chemikom. Rodina sa v roku 1910 presťahovala do Mníchova, kde Werner navštevoval školu a vynikal v matematike, fyzike a gramatike. Štúdium prerušil na jar 1918, keď ho spolu s ďalšími 16-ročnými mladíkmi poslali na farmu na pomocné práce. V tom čase sa začal vážne zaujímať o filozofiu, čítal Platóna a Kanta. Po skončení prvej svetovej vojny sa krajina a mesto ocitli v neistej situácii, moc sa menila z jednej politickej skupiny na druhú. Na jar 1919 Heisenberg krátko pôsobil ako farár a pomáhal vojskám novej bavorskej vlády, ktoré vstúpili do mesta. Vtedy sa zapojil do mládežníckeho hnutia, ktorého časť sa výrazne stavala proti status quo, starým tradíciám a predsudkom. Takto si na jedno z týchto stretnutí mladých ľudí spomína sám Heisenberg:

Zaznelo mnoho prejavov, ktorých pátos by sa nám dnes zdal cudzí. Čo je dôležitejšie, osud nášho národa alebo osud ľudstva; či obetavá smrť padlých nemá pri porážke zmysel; či majú mladí ľudia právo utvárať si svoj život podľa vlastných predstáv o hodnotách; čo je dôležitejšie, vernosť sebe samým alebo starým formám, ktoré po stáročia riadili život ľudí – o tom všetkom sa hovorilo a polemizovalo s vášňou. Vo všetkých otázkach som bol príliš nerozhodný, aby som sa zúčastnil týchto debát, ale počúval som ich znova a znova…

Jeho hlavným záujmom však v tom čase nebola politika, filozofia ani hudba (Heisenberg bol nadaný klavirista a, ako spomína Felix Bloch, dokázal hrať na nástroji celé hodiny), ale skôr matematika a fyzika. Študoval ich väčšinou samostatne a jeho vedomosti, ktoré ďaleko presahovali rámec školského kurzu, sa prejavili najmä pri záverečných skúškach na gymnáziu. Počas dlhej choroby si prečítal knihu Hermanna Weilla „Priestor, čas a hmota“, zaujala ho sila matematických metód a ich aplikácií a rozhodol sa študovať matematiku na Mníchovskej univerzite, kam sa zapísal v lete 1920. Profesor matematiky Ferdinand von Lindemann však odmietol, aby sa nováčik stal členom jeho seminára, a na radu svojho otca sa Heisenberg obrátil na známeho teoretického fyzika Arnolda Sommerfelda. Okamžite súhlasil s prijatím Wernera do svojej skupiny, v ktorej už pracoval mladý Wolfgang Pauli, ktorý sa čoskoro stal Heisenbergovým blízkym priateľom.

Mníchov – Göttingen – Kodaň (1920-1927)

Pod Sommerfeldovým vedením začal Heisenberg pracovať v duchu tzv. „starej kvantovej teórie“. Sommerfeld strávil zimu 1922-1923 na univerzite vo Wisconsine (USA) a odporučil svojmu žiakovi, aby pracoval v Göttingene u Maxa Borna. Tak sa začala plodná spolupráca medzi oboma vedcami. Treba poznamenať, že Heisenberg navštívil Göttingen už v júni 1922 počas takzvaného „Bohrovho festivalu“, série prednášok Nielsa Bohra o novej atómovej fyzike. Mladý fyzik sa so slávnym Dánom dokonca zoznámil a rozprával sa s ním počas jednej z jeho prechádzok. Ako neskôr spomínal sám Heisenberg, tento rozhovor mal veľký vplyv na formovanie jeho názorov a prístupu k vedeckým problémom. Úlohu rôznych vplyvov vo svojom živote definoval takto: „Optimizmu som sa naučil od Sommerfelda, matematike od Göttingena a fyzike od Bohra.

Heisenberg sa vrátil do Mníchova na letný semester v roku 1923. V tom čase už mal pripravenú dizertačnú prácu, v ktorej sa zaoberal niektorými základnými problémami hydrodynamiky. Tému navrhol Sommerfeld, ktorý sa domnieval, že klasickejšia téma by obhajobu zjednodušila. Na získanie titulu PhD. však bolo okrem diplomovej práce potrebné vykonať aj ústnu skúšku z troch predmetov. Obzvlášť náročná bola skúška v experimentálnej fyzike, ktorej Heisenberg nevenoval veľkú pozornosť. Nakoniec nedokázal odpovedať na žiadnu z otázok profesora Wilhelma Viena (o rozlíšení Fabryho-Perotovho interferometra, mikroskopu, ďalekohľadu a princípe olovenej batérie), ale vďaka Sommerfeldovej orodovaniu aj tak dostal najnižšiu známku, ktorá stačila na udelenie titulu.

Na jeseň 1923 sa Heisenberg vrátil do Göttingenu za Bornom, ktorý mu zabezpečil ďalšie miesto asistenta. Born opísal svojho nového zamestnanca takto:

Vyzeral ako jednoduchý sedliacky chlapec s krátkymi svetlými vlasmi, jasnými živými očami a očarujúcim výrazom. Svoje asistentské povinnosti vykonával serióznejšie ako Pauli a bol mi veľkou pomocou. Jeho nepochopiteľná rýchlosť a bystrý prehľad mu vždy umožňovali zvládnuť obrovské množstvo práce bez väčšej námahy.

V Göttingene mladý vedec pokračoval v práci na teórii Zeemanovho javu a ďalších kvantových problémoch a v nasledujúcom roku sa habilitoval a získal oficiálne povolenie prednášať. Na jeseň 1924 prišiel Heisenberg prvýkrát do Kodane, aby pracoval pod vedením Nielsa Bohra. Začal tiež úzko spolupracovať s Hendrikom Kramersom a napísal spoločnú prácu o teórii kvantovej disperzie.

Na jar 1925 sa Heisenberg vrátil do Göttingenu a v priebehu niekoľkých nasledujúcich mesiacov dosiahol rozhodujúci pokrok pri budovaní prvej logicky koherentnej kvantovej teórie, maticovej mechaniky. Následne sa formalizmus teórie zdokonalil s pomocou Borna a Pascuala Jordana. Ďalšiu formuláciu teórie, vlnovú mechaniku, podal Erwin Schrödinger a podnietil tak početné konkrétne aplikácie, ako aj hlboké rozpracovanie fyzikálnych základov teórie. Jedným z výsledkov tejto činnosti bol Heisenbergov princíp neurčitosti, sformulovaný začiatkom roku 1927.

V máji 1926 sa Heisenberg presťahoval do Dánska a začal pôsobiť ako docent na univerzite v Kodani a asistent Nielsa Bohra.

Z Lipska do Berlína (1927-1945)

Uznanie Heisenbergových vedeckých zásluh vyústilo do pozvania na profesúru v Lipsku a Zürichu. Vedec si vybral Lipsko, kde bol Peter Debye riaditeľom univerzitného fyzikálneho ústavu, a v októbri 1927 nastúpil na miesto profesora teoretickej fyziky. Jeho ďalšími kolegami boli Gregor Wentzel a Friedrich Hund, jeho prvým asistentom bol Guido Beck. Heisenberg plnil na katedre množstvo povinností, prednášal teoretickú fyziku a organizoval týždenný seminár o atómovej teórii, ktorý sprevádzali nielen intenzívne diskusie o vedeckých problémoch, ale aj priateľské čajové večierky a príležitostné súťaže v stolnom tenise (mladý profesor hral veľmi dobre a s veľkou chuťou). Ako však zdôrazňujú životopisci Neville Mott a Rudolf Peierls, Heisenbergova skorá sláva mala len malý vplyv na jeho osobné vlastnosti:

Nikto by ho neodsudzoval, keby sa začal brať vážne a stal sa trochu nafúkaným po tom, čo urobil aspoň dva zásadné kroky, ktoré zmenili tvár fyziky, a po tom, čo sa stal profesorom v takom mladom veku, vďaka čomu sa aj mnohí starší a menej významní ľudia cítili dôležití, ale on zostal taký, aký bol – neformálny a veselý vo svojom správaní, takmer chlapčenský a so skromnosťou hraničiacou s plachosťou.

V Lipsku sa objavili prví Heisenbergovi žiaci a čoskoro tu vznikla významná vedecká škola. V rôznych obdobiach boli členmi teoretickej skupiny Felix Bloch, Hugo Fano, Erich Hückel, Robert Mulliken, Rudolf Peierls, Georg Placzek, John Slater a 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 a mnohí ďalší. Hoci profesor zvyčajne nezachádzal do matematických detailov práce svojich študentov, často pomáhal objasniť fyzikálnu podstatu skúmaného problému. Felix Bloch, Heisenbergov prvý študent (a neskorší laureát Nobelovej ceny), opísal pedagogické a vedecké kvality svojho učiteľa takto

Ak by som mal vybrať jedinú jeho skvelú učiteľskú vlastnosť, bol by to jeho mimoriadne pozitívny prístup ku všetkým pokrokom a jeho povzbudzovanie v tomto smere. …Jednou z najpozoruhodnejších Heisenbergových čŕt bola takmer nezameniteľná intuícia, s ktorou pristupoval k fyzikálnym problémom, a fenomenálny spôsob, akým riešenia akoby padali z neba.

V roku 1933 Heisenbergovi udelili Nobelovu cenu za fyziku za predchádzajúci rok so slovami „za vytvorenie kvantovej mechaniky, ktorej aplikácie okrem iného viedli k objavu alotropických foriem vodíka“. Napriek svojej radosti vyjadril vedec zmätok nad tým, že jeho kolegovia Paul Dirac a Erwin Schrödinger dostali rovnaké ocenenie (za rok 1933) dvaja, zatiaľ čo Maxa Borna Nobelov výbor úplne ignoroval. V januári 1937 sa zoznámil s mladou ženou Elisabeth Schumacherovou (1914-1998), dcérou berlínskeho profesora ekonómie, a v apríli sa s ňou oženil. Nasledujúci rok sa im narodili dvojčatá Wolfgang a Anna-Maria. Mali spolu sedem detí, z ktorých niektoré sa tiež zaujímali o vedu: Martin Heisenberg sa stal genetikom, Jochen Heisenberg fyzikom a Anna-Marie a Verena fyziologičkami.

V tom čase sa politická situácia v Nemecku radikálne zmenila: k moci sa dostal Hitler. Heisenberg, ktorý sa rozhodol zostať v krajine, bol čoskoro napadnutý odporcami takzvanej „židovskej fyziky“, ktorá zahŕňala kvantovú mechaniku a relativitu. Napriek tomu v 30. a začiatkom 40. rokov 20. storočia vedec plodne pracoval na problémoch teórie atómového jadra, fyziky kozmického žiarenia a kvantovej teórie poľa. Od roku 1939 sa podieľal na nemeckom jadrovom projekte ako jeden z jeho vedúcich predstaviteľov a v roku 1942 bol vymenovaný za profesora fyziky na Berlínskej univerzite a vedúceho Fyzikálneho ústavu Spoločnosti cisára Wilhelma.

Povojnové obdobie (1946-1976)

Počas operácie Epsilon spojenecké sily zadržali desať nemeckých vedcov (vrátane Heisenberga), ktorí v nacistickom Nemecku pracovali na jadrových zbraniach. Vedcov zajali medzi 1. májom a 30. júnom 1945 a previezli ich do Farm Hall, odpočúvanej budovy v Godmanchestri neďaleko Cambridge v Anglicku. Konali sa tam od 3. júla 1945 do 3. januára 1946 s cieľom zistiť, ako blízko sú Nemci k zostrojeniu atómovej bomby.

Začiatkom roku 1946 pozval plukovník B. K. Blount, člen vedeckého oddelenia britskej vojenskej vlády okupačnej zóny, Heisenberga a Otta Hahna do Göttingenu, kde sa mala začať obnova vedy v zničenom Nemecku. Vedci venovali veľkú pozornosť organizačnej práci, najprv v rámci Rady pre vedu a potom Spoločnosti Maxa Plancka, ktorá nahradila Spoločnosť cisára Wilhelma. V roku 1949, po vzniku SRN, sa Heisenberg stal prvým predsedom Nemeckého výskumného združenia, ktoré malo podporovať vedeckú prácu v krajine. Ako vedúci Výboru pre atómovú fyziku bol jedným z iniciátorov prác na jadrových reaktoroch v Nemecku. Heisenberg sa zároveň postavil proti tomu, aby Adenauerova vláda získala jadrové zbrane. V roku 1955 sa aktívne podieľal na vzniku takzvanej Mainauskej deklarácie, ktorú podpísalo šestnásť nositeľov Nobelovej ceny, a o dva roky neskôr Göttingenského manifestu osemnástich nemeckých vedcov. V roku 1958 podpísal výzvu iniciovanú Linusom Paulingom a adresovanú generálnemu tajomníkovi OSN, v ktorej žiadal zákaz jadrových skúšok. Vzdialeným výsledkom tejto činnosti bolo pristúpenie SRN k Zmluve o nešírení jadrových zbraní.

Heisenberg aktívne podporoval založenie CERN-u a zúčastňoval sa na práci viacerých jeho výborov. Bol najmä prvým predsedom Výboru pre vedeckú politiku a podieľal sa na určovaní smerovania vývoja CERN-u. Heisenberg bol zároveň riaditeľom Fyzikálneho ústavu Maxa Plancka, ktorý sa v roku 1958 presťahoval z Göttingenu do Mníchova a bol premenovaný na Max-Planck-Institut für Physik. Vedec stál na čele tejto inštitúcie až do svojho odchodu do dôchodku v roku 1970. Využil svoj vplyv na založenie nových inštitútov v rámci spoločnosti – Výskumného centra v Karlsruhe (dnes súčasť Univerzity v Karlsruhe), Inštitútu Maxa Plancka pre plazmofyziku a Inštitútu pre mimozemskú fyziku. V roku 1953 sa stal prvým povojnovým prezidentom Nadácie Alexandra von Humboldta, ktorej cieľom bolo podporovať zahraničných vedcov, ktorí chceli pracovať v Nemecku. Heisenberg, ktorý zastával túto pozíciu dve desaťročia, zabezpečil autonómiu nadácie a jej štruktúry bez byrokratických nedostatkov vládnych agentúr.

Napriek mnohým administratívnym a spoločenským povinnostiam vedec pokračoval vo vedeckej práci a v posledných rokoch sa zameral na pokusy o vytvorenie jednotnej teórie poľa. Medzi jeho spolupracovníkov v göttingenskej skupine patrili v rôznych obdobiach Karl von Weizsäcker, Kazuhiko Nishijima, Harry Lehmann, Gerhart Lueders, Reinhard Oehme, Walter Thierring, Bruno Zumino, Hans-Peter Dürr a ďalší. Po odchode do dôchodku sa Heisenberg venoval najmä všeobecným alebo filozofickým otázkam prírodných vied. V roku 1975 sa jeho zdravotný stav začal zhoršovať a 1. februára 1976 zomrel. Známy fyzik Eugene Wigner pri tejto príležitosti napísal:

Neexistuje žiadny žijúci teoretický fyzik, ktorý by našej vede prispel viac ako on. Zároveň bol ku každému priateľský, bez arogancie a udržiaval nás v príjemnej spoločnosti.

Stará kvantová teória

Začiatok 20. rokov 20. storočia bol v atómovej fyzike obdobím takzvanej „starej kvantovej teórie“, ktorá pôvodne vychádzala z myšlienok Nielsa Bohra, rozvinutých v práci Sommerfelda a ďalších vedcov. Jednou z hlavných metód získavania nových výsledkov bol Bohrov korešpondenčný princíp. Napriek mnohým úspechom sa ešte nepodarilo uspokojivo vyriešiť mnohé otázky, ako napríklad problém viacerých interagujúcich častíc alebo problém priestorovej kvantifikácie. Okrem toho bola samotná teória nekonzistentná: Newtonove klasické zákony sa dali aplikovať len na stacionárne dráhy elektrónu, zatiaľ čo prechod medzi nimi sa na tomto základe nedal opísať.

Sommerfeld, ktorý si bol dobre vedomý všetkých týchto ťažkostí, poveril Heisenberga prácou na tejto teórii. Jeho prvá práca, publikovaná začiatkom roka 1922, sa týkala fenomenologického modelu Zeemanovho javu. Táto práca, ktorá navrhla odvážny model atómového rámca interagujúceho s valenčnými elektrónmi a zaviedla polocelé kvantové čísla, okamžite urobila z mladého vedca jedného z lídrov v teoretickej spektroskopii. V ďalších prácach sa na základe princípu korešpondencie diskutovalo o šírke a intenzite spektrálnych čiar a ich zeemanovských zložkách. V prácach napísaných v spolupráci s Maxom Bornom sa zaoberal všeobecnými problémami teórie viacelektrónových atómov (v rámci klasickej perturbačnej teórie), analyzoval teóriu molekúl a navrhol hierarchiu vnútromolekulových pohybov líšiacich sa energiou (molekulové rotácie a vibrácie, elektronické excitácie), vyhodnotil hodnoty polarizovateľnosti atómov a dospel k záveru, že je potrebné zaviesť polovičné celé kvantové čísla. Ďalšia modifikácia kvantových vzťahov spočívajúca v priradení dvoch polovičných celočíselných hodnôt kvantových čísel uhlového momentu hybnosti atómu vyplynula z úvahy o anomálnom Zeemanovom efekte (táto modifikácia bola neskôr vysvetlená prítomnosťou spinu elektrónov). Táto práca na Bornov návrh slúžila ako Habilitationsschrift, t. j. základ pre habilitáciu, ktorú Heisenberg získal vo veku 22 rokov na univerzite v Göttingene.

Spoločná práca s Hendrikom Kramersom, napísaná v Kodani, obsahovala formuláciu teórie disperzie, ktorá zovšeobecnila nedávne výsledky Borna a samotného Kramersa. Výsledkom boli kvantovo-teoretické analógie disperzných vzorcov pre polarizovateľnosť atómu v danom stacionárnom stave, ktoré zohľadňujú možnosť prechodov do vyšších a nižších stavov. Táto významná práca, publikovaná začiatkom roka 1925, bola bezprostredným predchodcom prvej formulácie kvantovej mechaniky.

Vytvorenie maticovej mechaniky

Heisenberg nebol spokojný so stavom teórie, ktorý si vyžadoval vyriešenie každého konkrétneho problému v rámci klasickej fyziky a jeho následný preklad do kvantového jazyka pomocou princípu korešpondencie. Takýto prístup nepriniesol vždy výsledky a závisel najmä od intuície výskumníka. Na jar 1925 sa Heisenberg v snahe o prísny a logicky konzistentný formalizmus rozhodol opustiť starý opis a nahradiť ho opisom pomocou tzv. pozorovateľných veličín. Túto myšlienku ovplyvnila práca Alberta Einsteina, ktorý namiesto nepozorovateľného newtonovského absolútneho času podal relativistickú definíciu času. (Einstein však už v apríli 1926 v súkromnom rozhovore s Heisenbergom poznamenal, že práve teória určuje, ktoré veličiny sú pozorovateľné a ktoré nie.) Heisenberg odmietol klasické pojmy polohy a hybnosti elektrónu v atóme a uvažoval o frekvencii a amplitúde kmitov, ktoré možno určiť z optického experimentu. Podarilo sa mu reprezentovať tieto veličiny ako množiny komplexných čísel a uviesť pravidlo ich násobenia, ktoré sa ukázalo ako nekomutatívne, a potom aplikovať vyvinutú metódu na problém anharmonického oscilátora. Pre konkrétny prípad harmonického oscilátora z toho prirodzene vyplývala existencia tzv. „energie nulového bodu“. Princíp korešpondencie sa tak dostal do samotných základov vytvorenej matematickej schémy.

Heisenberg získal toto riešenie v júni 1925 na ostrove Helgoland, kde sa zotavoval zo záchvatu sennej nádchy. Po návrate do Göttingenu opísal svoje výsledky v článku „O kvantovo-teoretickej interpretácii kinematických a mechanických vzťahov“ a poslal ho Wolfgangovi Paulimu. Po získaní jeho súhlasu dal Heisenberg prácu Bornovi na uverejnenie v časopise Zeitschrift für Physik, kde bola prijatá 29. júla 1925. Born si čoskoro uvedomil, že množiny čísel reprezentujúce fyzikálne veličiny nie sú nič iné ako matice a že Heisenbergovo pravidlo na ich násobenie je pravidlo násobenia matíc.

Vo všeobecnosti čakalo maticovú mechaniku skôr pasívne prijatie zo strany fyzikálnej komunity, ktorá bola málo oboznámená s matematickým formalizmom matíc a ktorú odrádzala extrémna abstraktnosť teórie. Heisenbergovmu článku venovalo pozornosť len niekoľko vedcov. Napríklad Niels Bohr ju okamžite pochválil a vyhlásil, že „začala nová éra vzájomnej stimulácie mechaniky a matematiky“. Prvú rigoróznu formuláciu maticovej mechaniky podali Born a Pascual Jordan vo svojom spoločnom článku „O kvantovej mechanike“, ktorý dokončili v septembri 1925. Získali základný permutačný vzťah (kvantovú podmienku) pre matice súradníc a hybnosti. Heisenberg sa čoskoro zapojil do tohto výskumu, ktorý vyvrcholil slávnou „prácou troch“ (Drei-Männer Arbeit), dokončenou v novembri 1925. Predstavila všeobecnú metódu riešenia problémov v rámci maticovej mechaniky, najmä uvažovanie systémov s ľubovoľným počtom stupňov voľnosti, zavedenie kanonických transformácií, základy kvantovo-mechanickej teórie porúch, riešenie problému kvantovania uhlového momentu, diskusiu o pravidlách výberu a množstvo ďalších otázok.

Ďalšie modifikácie maticovej mechaniky prebiehali v dvoch hlavných líniách: zovšeobecnenie matíc vo forme operátorov, ktoré uskutočnili Born a Norbert Wiener, a reprezentácia teórie v algebraickej forme (v rámci hamiltonovského formalizmu), ktorú rozvinul Paul Dirac. Ten o mnoho rokov neskôr spomínal, aký podnetný bol vznik maticovej mechaniky pre ďalší rozvoj atómovej fyziky:

Mám najpresvedčivejší dôvod byť obdivovateľom Wernera Heisenberga. Študovali sme v rovnakom čase, boli sme takmer rovnako starí a pracovali sme na rovnakom probléme. Heisenberg uspel tam, kde som ja zlyhal. Dovtedy sa nahromadilo obrovské množstvo spektroskopického materiálu a Heisenberg našiel správnu cestu bludiskom. Tým nastolil zlatý vek teoretickej fyziky a čoskoro aj druhostupňový študent dokázal robiť prvotriednu prácu.

Pomer neistôt

Začiatkom roku 1926 sa začala tlačiť práca Erwina Schrödingera o vlnovej mechanike, ktorá opisovala atómové procesy v obvyklej forme spojitých diferenciálnych rovníc a ktorá, ako sa čoskoro ukázalo, bola matematicky totožná s maticovým formalizmom. Heisenberg kritizoval novú teóriu a najmä jej pôvodnú interpretáciu, že ide o reálne vlny nesúce elektrický náboj. A ani objavenie sa Bornovho pravdepodobnostného spracovania vlnovej funkcie nevyriešilo problém interpretácie formalizmu, t. j. objasnenia významu pojmov v ňom používaných. Potreba riešenia tohto problému sa ukázala najmä v septembri 1926 po Schrödingerovej návšteve Kodane, kde v dlhej diskusii s Bohrom a Heisenbergom obhajoval obraz kontinuity atómových javov a kritizoval koncepciu diskrétnosti a kvantových skokov.

Východiskom Heisenbergovej analýzy bolo uvedomenie si potreby upraviť klasické pojmy (ako sú „súradnica“ a „hybnosť“) tak, aby sa dali použiť v mikrofyzike, podobne ako teória relativity upravila pojmy priestor a čas, čím dala zmysel formalizmu Lorentzovej transformácie. Východisko z tejto situácie našiel zavedením obmedzenia používania klasických pojmov, matematicky vyjadreného v podobe relácie neurčitosti: „čím presnejšie je definovaná poloha, tým menej presne je známa hybnosť a naopak“. Svoje závery demonštroval slávnym mentálnym experimentom s gama mikroskopom. Heisenberg svoje výsledky uviedol v 14-stranovom liste Paulimu, ktorý ich pochválil. Bohr, ktorý sa vrátil z dovolenky v Nórsku, nebol úplne spokojný a vzniesol niekoľko pripomienok, ale Heisenberg odmietol vykonať zmeny vo svojom texte a Bohrove návrhy uviedol v postskripte. Článok „O názornom obsahu kvantovo-teoretickej kinematiky a mechaniky“, v ktorom sa podrobne opisuje princíp neurčitosti, dostala redakcia časopisu Zeitschrift für Physik 23. marca 1927.

Princíp neurčitosti zohral dôležitú úlohu nielen pri vývoji interpretácie kvantovej mechaniky, ale nastolil aj množstvo filozofických problémov. Bohr ho spojil so všeobecnejším pojmom adicionality, ktorý rozvíjal v tom istom čase: interpretoval vzťahy neurčitosti ako matematické vyjadrenie hranice, do ktorej sú možné vzájomne sa vylučujúce (dodatočné) pojmy. Okrem toho Heisenbergov článok upriamil pozornosť fyzikov a filozofov na koncept merania, ako aj na nové, nezvyčajné chápanie kauzality, ktoré autor navrhol: „… v silnej formulácii zákona kauzality: ‚ak niekto presne pozná prítomnosť, môže predpovedať budúcnosť‘, je nesprávny predpoklad, nie záver. V zásade nemôžeme poznať súčasnosť do všetkých detailov“. Neskôr, v roku 1929, zaviedol do kvantovej teórie pojem „kolaps vlnového balíka“, ktorý sa stal jedným zo základných pojmov takzvanej „kodanskej interpretácie“ kvantovej mechaniky.

Aplikácie kvantovej mechaniky

Vznik kvantovej mechaniky (najprv v maticovej a potom vo vlnovej forme), ktorú vedecká komunita okamžite uznala, podnietil rýchly pokrok vo vývoji kvantových koncepcií a vyriešenie mnohých špecifických problémov. Samotný Heisenberg v marci 1926 dokončil spoločný článok s Jordanom, v ktorom vysvetlil anomálny Zeemanov efekt pomocou Gaudsmitovej a Uhlenbeckovej hypotézy o spine elektrónov. Vo svojich neskorších prácach, ktoré už písal s využitím Schrödingerovho formalizmu, sa zaoberal viacčasticovými systémami a ukázal význam symetrie stavov pre pochopenie spektrálnych vlastností hélia (pojmy para- a ortohelium), iónov lítia a dvojatómových molekúl, čo viedlo k záveru o existencii dvoch alotropických foriem vodíka, orto- a para-vodíka. V skutočnosti Heisenberg nezávisle prišiel k Fermiho-Diracovej štatistike pre systémy spĺňajúce Pauliho princíp.

V roku 1928 Heisenberg založil kvantovú teóriu feromagnetizmu (Heisenbergov model), v ktorej použil koncept výmenných síl medzi elektrónmi na vysvetlenie tzv. „molekulového poľa“, ktoré zaviedol Pierre Weiss v roku 1907. V tomto prípade zohrával kľúčovú úlohu relatívny smer elektrónových spinov, ktorý určoval symetriu priestorovej časti vlnovej funkcie, a tým ovplyvňoval priestorové rozloženie elektrónov a elektrostatickú interakciu medzi nimi. V druhej polovici 40. rokov 20. storočia sa Heisenberg neúspešne pokúsil vytvoriť teóriu supravodivosti, ktorá by zohľadňovala len elektrostatickú interakciu medzi elektrónmi.

Kvantová elektrodynamika

Od konca roku 1927 bola hlavným problémom, ktorý zamestnával Heisenberga, konštrukcia kvantovej elektrodynamiky, ktorá by zohľadňovala nielen prítomnosť kvantovaného elektromagnetického poľa, ale aj jeho interakciu s relativistickými nabitými časticami. Diracova rovnica pre relativistický elektrón, ktorá sa objavila začiatkom roka 1928, na jednej strane naznačila správnu cestu, ale na druhej strane priniesla množstvo problémov, zdanlivo neriešiteľných – problém vlastnej energie elektrónu, spojený s výskytom nekonečne veľkého prídavku k hmotnosti častice, a problém stavov so zápornou energiou. Výskum, ktorý viedol Heisenberg spolu s Paulim, sa dostal do slepej uličky, a tak ho dočasne opustil a začal sa venovať teórii feromagnetizmu. Až začiatkom roka 1929 sa im podarilo pokročiť v budovaní všeobecnej schémy relativistickej teórie, ktorá bola načrtnutá v práci dokončenej v marci toho istého roku. Navrhovaná schéma bola založená na kvantifikačnom postupe klasickej teórie poľa obsahujúcej relativisticky invariantný Lagrangeán. Vedci aplikovali tento formalizmus na systém, ktorý obsahuje elektromagnetické pole a vlny hmoty, ktoré na seba navzájom pôsobia. V ďalšom článku, publikovanom v roku 1930, túto teóriu výrazne zjednodušili, pričom využili úvahy o symetrii, ktoré vyplynuli z komunikácie so slávnym matematikom Hermannom Weilom. Predovšetkým išlo o úvahy o invariancii meradla, ktoré umožnili zbaviť sa niektorých umelých konštrukcií pôvodnej formulácie.

Hoci Heisenbergov a Pauliho pokus o konštrukciu kvantovej elektrodynamiky výrazne rozšíril hranice atómovej teórie o množstvo známych výsledkov, ukázalo sa, že nie je schopný odstrániť divergencie spojené s nekonečnou vlastnou energiou bodového elektrónu. Všetky neskoršie pokusy o riešenie tohto problému, vrátane takých radikálnych, ako je kvantifikácia priestoru (mriežkový model), boli neúspešné. Riešenie sa našlo oveľa neskôr v rámci renormalizačnej teórie.

Od roku 1932 venoval Heisenberg veľkú pozornosť fenoménu kozmického žiarenia, ktorý podľa neho poskytoval príležitosť na seriózne overenie teoretických koncepcií. Práve v kozmickom žiarení Carl Anderson objavil pozitrón, ktorý predtým predpovedal Dirac (Diracova „diera“). V roku 1934 Heisenberg vytvoril teóriu dier tým, že do formalizmu kvantovej elektrodynamiky zahrnul pozitróny. Zároveň podobne ako Dirac postuloval existenciu fenoménu polarizácie vákua a v roku 1936 spolu s Hansom Eulerom vypočítal kvantové korekcie Maxwellových rovníc súvisiace s týmto efektom (tzv. Heisenbergov-Eulerov Lagrangean).

Jadrová fyzika

V roku 1932, krátko po objavení neutrónu Jamesom Chadwickom, Heisenberg navrhol myšlienku protón-neutrónovej štruktúry atómového jadra (o niečo skôr ju nezávisle navrhol Dmitrij Ivanenko) a v troch článkoch sa pokúsil vytvoriť kvantovo-mechanickú teóriu takéhoto jadra. Hoci táto hypotéza vyriešila mnohé ťažkosti predchádzajúceho (protónovo-elektrónového) modelu, pôvod elektrónov emitovaných v procesoch beta rozpadu, niektoré vlastnosti štatistiky jadrových častíc a povaha síl medzi nukleónmi zostali nejasné. Heisenberg sa pokúsil objasniť tieto otázky tým, že predpokladal existenciu výmenných interakcií medzi protónmi a neutrónmi v jadre, ktoré sú podobné silám medzi protónom a atómom vodíka tvoriaceho molekulový ión vodíka. Táto interakcia by mala prebiehať prostredníctvom elektrónov vymieňaných medzi neutrónom a protónom, ale týmto jadrovým elektrónom sa mali pripisovať „nesprávne“ vlastnosti (najmä mali byť bezspinové, teda bozóny). Interakcia medzi neutrónmi bola opísaná podobne ako interakcia medzi dvoma neutrálnymi atómami v molekule vodíka. Tu vedec prvýkrát vyslovil myšlienku izotopickej invariantnosti súvisiacu s výmenou náboja medzi nukleónmi a s nábojovou nezávislosťou jadrových síl. Ďalšími vylepšeniami tohto modelu sa zaoberal Ettore Majorana, ktorý objavil efekt nasýtenia jadrových síl.

Po objavení sa teórie beta rozpadu v roku 1934, ktorú vypracoval Enrico Fermi, sa Heisenberg zapojil do jej rozšírenia a navrhol, že jadrové sily nevznikajú výmenou elektrónov, ale párov elektrón – neutríno (nezávisle túto myšlienku rozvinuli Ivanenko, Igor Tamm a Arnold Nordsik). Veľkosť tejto interakcie však bola oveľa menšia, ako ukázal experiment. Napriek tomu tento model (s niektorými dodatkami) zostal dominantný až do objavenia teórie Hidekiho Yukawu, ktorý postuloval existenciu ťažších častíc umožňujúcich interakciu neutrónov a protónov v jadre. V roku 1938 Heisenberg a Euler vyvinuli metódy analýzy absorpčných údajov kozmického žiarenia a boli schopní prvýkrát odhadnúť dobu života častice („mezotrónu“ alebo mezonu, ako ho neskôr nazvali) patriacej k tvrdej zložke žiarenia, ktorá bola spočiatku spájaná s hypotetickou Yukawovou časticou. V nasledujúcom roku Heisenberg analyzoval obmedzenia existujúcich kvantových teórií interakcií elementárnych častíc založených na perturbačnej teórii a diskutoval o možnosti prekročiť tieto teórie do oblasti vysokých energií dosiahnuteľných v kozmickom žiarení. V tejto oblasti je možný zrod viacnásobných častíc v kozmickom žiarení, o ktorom uvažoval v rámci teórie vektorových mezónov.

Kvantová teória poľa

V sérii troch článkov napísaných od septembra 1942 do mája 1944 Heisenberg navrhol radikálny spôsob, ako sa zbaviť divergencie v kvantovej teórii poľa. Myšlienka fundamentálnej dĺžky (kvantum priestoru) ho podnietila k tomu, aby upustil od opisu pomocou spojitej Schrödingerovej rovnice. Vrátil sa k pojmu pozorovateľných veličín, ktorých vzťahy musia tvoriť základ budúcej teórie. Pre vzťahy medzi týmito veličinami, ku ktorým jednoznačne vzťahoval energie stacionárnych stavov a asymptotické správanie vlnovej funkcie v procesoch rozptylu, absorpcie a emisie, zaviedol (nezávisle od Johna Wheelera, ktorý to urobil v roku 1937) pojem S-matica (matica rozptylu), konkrétne operátor transformujúci dopadajúcu vlnovú funkciu na rozptýlenú vlnovú funkciu. Podľa Heisenbergovej myšlienky mala S-matica v budúcej teórii nahradiť Hamiltonov vzorec. Napriek ťažkostiam pri výmene vedeckých informácií vo vojnových podmienkach sa teórie matíc rozptylu čoskoro chopili viacerí vedci (Ernst Stückelberg v Ženeve, Hendrik Kramers v Leidene, Christian Møller v Kodani, Pauli v Princetone), ktorí sa pustili do ďalšieho rozvoja formalizmu a objasňovania jeho fyzikálnych aspektov. Časom sa však ukázalo, že táto teória sa vo svojej čistej podobe nemôže stať alternatívou k bežnej kvantovej teórii poľa, ale môže byť jedným z užitočných matematických nástrojov v rámci nej. Používa sa (v modifikovanej podobe) najmä vo Feynmanovom formalizme kvantovej elektrodynamiky. Pojem S-matica, doplnený o niekoľko podmienok, zaujal ústredné miesto pri formulácii tzv. axiomatickej kvantovej teórie poľa a neskôr pri vývoji teórie strún.

V povojnovom období, s rastúcim počtom novoobjavených elementárnych častíc, vznikol problém ich opisu pomocou čo najmenšieho počtu polí a interakcií, v najjednoduchšom prípade jediného poľa (potom môžeme hovoriť o „zjednotenej teórii poľa“). Približne od roku 1950 bol problém nájdenia správnej rovnice na opis jedného poľa jadrom Heisenbergovej vedeckej práce. Jeho prístup bol založený na nelineárnom zovšeobecnení Diracovej rovnice a prítomnosti určitej základnej dĺžky (rádovo na úrovni polomeru klasického elektrónu), ktorá obmedzuje použiteľnosť bežnej kvantovej mechaniky. Vo všeobecnosti bol tento smer, okamžite konfrontovaný s obrovskými matematickými problémami a nutnosťou zohľadniť obrovské množstvo experimentálnych údajov, vedeckou komunitou prijatý skepticky a rozvíjal sa takmer výlučne v Heisenbergovej skupine. Hoci sa úspech nedostavil a vývoj kvantovej teórie pokračoval najmä inými cestami, niektoré myšlienky a metódy, ktoré sa objavili v prácach nemeckého vedca, zohrali v tomto ďalšom vývoji svoju úlohu. Najmä myšlienka predstaviť neutríno ako Goldstoneovu časticu, ktorá vzniká v dôsledku spontánneho narušenia symetrie, ovplyvnila vývoj koncepcie supersymetrie.

Hydrodynamika

Heisenberg sa začal zaoberať základnými problémami hydrodynamiky začiatkom 20. rokov 20. storočia a vo svojej prvej práci sa pokúsil po Theodorovi von Karmanovi určiť parametre vírového chvosta, ktorý sa vyskytuje za pohybujúcou sa doskou. Vo svojej dizertačnej práci skúmal stabilitu laminárneho prúdenia a povahu turbulencie na príklade prúdenia kvapaliny medzi dvoma rovinnými rovnobežnými doskami. Podarilo sa mu ukázať, že laminárne prúdenie, stabilné pri nízkych Reynoldsových číslach (pod kritickou hodnotou), sa najprv stáva nestabilným, ale pri veľmi vysokých hodnotách sa jeho stabilita zvyšuje (nestabilné sú len dlhovlnné perturbácie). Heisenberg sa k problému turbulencie vrátil v roku 1945, keď bol internovaný v Anglicku. Vypracoval prístup založený na štatistickej mechanike, ktorý sa v mnohom zhodoval s myšlienkami Geoffreyho Taylora, Andreja Kolmogorova a ďalších vedcov. Predovšetkým sa mu podarilo ukázať, ako dochádza k výmene energie medzi vírmi rôznych veľkostí.

Vzťah k nacistickému režimu

Krátko po nástupe Hitlera k moci v januári 1933 sa začala hrubá invázia politiky do zavedeného univerzitného života s cieľom „očistiť“ vedu a vzdelávanie od Židov a iných nežiaducich prvkov. Heisenberg, podobne ako mnohí jeho kolegovia, bol šokovaný úplným antiintelektualizmom nového režimu, ktorý mal oslabiť nemeckú vedu. Spočiatku sa však stále prikláňal k tomu, aby zdôrazňoval pozitívne črty zmien, ktoré sa v krajine uskutočňujú. Zdá sa, že nacistická rétorika nemeckej renesancie a nemeckej kultúry ho priťahovala pre svoju blízkosť romantickým ideálom, ktoré hlásalo mládežnícke hnutie po prvej svetovej vojne. Navyše, ako poznamenáva vedcov životopisec David Cassidy, pasivita, s akou Heisenberg a jeho kolegovia vnímali zmeny, pravdepodobne súvisela s tradíciou vnímať vedu ako inštitúciu mimo politiky.

Pokusy Heisenberga, Maxa Plancka a Maxa von Laueho zmeniť politiku voči židovským vedcom alebo aspoň zmierniť jej dôsledky prostredníctvom osobných kontaktov a petícií cez oficiálne byrokratické kanály boli neúspešné. Od jesene 1933 mali zákaz vyučovať „neárijci“, ženy a ľudia s ľavicovým presvedčením. Od roku 1938 museli budúci lektori preukázať svoju politickú vhodnosť. V tejto situácii sa Heisenberg a jeho kolegovia, ktorí považovali zachovanie nemeckej fyziky za prioritu, pokúsili nahradiť uvoľnené miesta nemeckými alebo dokonca zahraničnými vedcami, čo sa stretlo s negatívnym ohlasom vedeckej komunity a tiež nedosiahlo svoj cieľ. Poslednou možnosťou bola rezignácia na protest, ale Planck Heisenberga odradil poukázaním na dôležitosť prežitia fyziky napriek katastrofe, ktorá Nemecko v budúcnosti čakala.

Snaha zachovať si apolitický postoj nielenže zabránila Heisenbergovi a ďalším vedcom vzdorovať rastúcemu antisemitizmu v univerzitných kruhoch, ale čoskoro ich samotných vystavila vážnym útokom zo strany „árijských fyzikov“. V roku 1935 zosilneli útoky proti „židovskej fyzike“, ktorá zahŕňala teóriu relativity a kvantovú mechaniku. Tieto akcie, podporované oficiálnou tlačou, riadili aktívni podporovatelia nacistického režimu, nositelia Nobelovej ceny Johannes Stark a Philipp Lenard. Odstúpenie Arnolda Sommerfelda, ktorý si vybral svojho slávneho žiaka za svojho nástupcu na poste profesora na Mníchovskej univerzite, vyvolalo útoky na Heisenberga, ktorého Stark v decembri 1935 označil za „Geist von Einsteins Geist“ (nemecky: Geist von Einsteins Geist). Vedec uverejnil odpoveď v nacistických straníckych novinách Völkischer Beobachter, v ktorej vyzval, aby sa základným fyzikálnym teóriám venovala väčšia pozornosť. Na jar 1936 sa Heisenbergovi spolu s Hansom Geigerom a Maxom Wienom podarilo zozbierať podpisy 75 profesorov pod petíciu na podporu tejto výzvy. Zdalo sa, že tieto protiopatrenia naklonili cisárske ministerstvo školstva na stranu vedcov, ale 15. júla 1937 sa situácia opäť zmenila. V ten deň oficiálne noviny SS Das Schwarze Korps uverejnili veľký Starkov článok s názvom „Bieli Židia vo vede“ („Weisse Juden“ in der Wissenschaft), ktorý hlásal potrebu odstrániť „židovského ducha“ z nemeckej fyziky. Heisenbergovi osobne hrozilo, že ho pošlú do koncentračného tábora a nazvú ho „Oseckým fyzikom“. Napriek viacerým pozvaniam zo zahraničia Heisenberg v tomto období nebol ochotný opustiť krajinu a rozhodol sa rokovať s vládou. David Cassidy poskytol nasledujúci obraz tejto ťažkej voľby

Ak by režim obnovil jeho nadriadené postavenie, prijal by požadované kompromisy a navyše by sa presvedčil o spravodlivosti nového zdôvodnenia: osobnou obetou zotrvania vo svojej funkcii v skutočnosti chránil správnu nemeckú fyziku pred deformáciou zo strany národného socializmu.

Heisenberg v súlade so svojím rozhodnutím vypracoval dva oficiálne listy – ríšskemu ministerstvu školstva a ríšskemu vodcovi SS Heinrichovi Himmlerovi – v ktorých žiadal oficiálnu odpoveď na konanie Starka a jeho stúpencov. V listoch uviedol, že ak budú útoky oficiálne schválené úradmi, odstúpi zo svojej funkcie; ak nie, požaduje vládnu ochranu. Vďaka známosti vedcovej matky s Himmlerovou matkou sa list dostal na miesto určenia. Trvalo však takmer rok, počas ktorého Heisenberga vypočúvalo gestapo, odpočúvalo jeho domáce rozhovory a špehovalo jeho činnosť, kým dostal kladnú odpoveď od vysokého ríšskeho úradníka. Napriek tomu miesto profesora v Mníchove získal iný, strane lojálnejší kandidát.

Začiatok uránového projektu. Výlet do Kodane

Kompromis dosiahnutý medzi Heisenbergom a nacistickým vedením Cassidy obrazne nazval faustovskou dohodou. Na jednej strane úspech proti „árijským fyzikom“ a verejná rehabilitácia vedca znamenali uznanie jeho významu (a významu jeho kolegov) pre udržanie vysokej úrovne fyzikálneho vzdelávania a výskumu v krajine. Druhou stranou tohto kompromisu bola ochota nemeckých vedcov (vrátane Heisenberga) spolupracovať s úradmi a podieľať sa na vojenskom vývoji Tretej ríše. Jej význam vzrástol najmä po vypuknutí druhej svetovej vojny, a to nielen pre armádu, ale aj pre samotných vedcov, keďže spolupráca s armádou slúžila ako spoľahlivá ochrana pred povolaním na front. Heisenbergov súhlas s prácou pre nacistickú vládu mal aj druhú stránku, ktorú Mott a Peierls vyjadrili takto:

…Dá sa predpokladať, že chcel, aby Nemecko vyhralo vojnu. Nesúhlasil s mnohými aspektmi nacistického režimu, ale bol vlastencom. Želanie porážky svojej krajiny by znamenalo oveľa vzdorovitejšie názory, než aké zastával on.

Už v septembri 1939 vedenie armády podporilo vytvorenie takzvaného „Uránového klubu“ (Uranverein), ktorý mal hlbšie preskúmať možnosti využitia jadrového štiepenia uránu, objaveného Ottom Hahnom a Fritzom Strassmannom koncom roka 1938. Heisenberg bol jedným z tých, ktorí boli pozvaní na jednu z prvých diskusií o tomto probléme 26. septembra 1939, kde boli načrtnuté osnovy projektu a možnosti vojenského využitia jadrovej energie. Vedec mal teoreticky preskúmať fungovanie „uránového stroja“, ako sa vtedy nazýval jadrový reaktor. V decembri 1939 predložil svoju prvú tajnú správu s teoretickou analýzou možnosti výroby energie štiepením jadra. V tejto správe sa ako moderátory navrhovali uhlík a ťažká voda, ale od leta 1940 sa rozhodlo o použití ťažkej vody ako ekonomickejšej a dostupnejšej možnosti (vyrábala sa už v okupovanom Nórsku).

Po rehabilitácii nacistickým vedením mohol Heisenberg prednášať nielen v Nemecku, ale aj v iných európskych krajinách (vrátane okupovaných). Z pohľadu straníckych byrokratov mal slúžiť ako stelesnenie prosperity nemeckej vedy. Mark Walker, uznávaný odborník na dejiny nemeckej vedy v tomto období, napísal na túto tému:

Je jasné, že Heisenberg pracoval pre nacistickú propagandu nevedomky, možno dokonca nevedomky. Rovnako je však jasné, že príslušní národnosocialistickí činitelia ho využívali na propagandistické účely, že jeho aktivity boli v tomto smere účinné a že jeho zahraniční kolegovia mali dôvod domnievať sa, že propaguje nacizmus… Takéto zahraničné prednáškové cesty možno viac než čokoľvek iné otrávili jeho vzťahy s mnohými zahraničnými kolegami a bývalými priateľmi mimo Nemecka.

Azda najznámejším príkladom takejto cesty bolo stretnutie s Nielsom Bohrom v Kodani v septembri 1941. Podrobnosti rozhovoru medzi týmito dvoma vedcami nie sú známe a ich interpretácie sa značne líšia. Podľa slov samotného Heisenberga chcel poznať názor svojho učiteľa na morálny aspekt tvorby nových zbraní, ale keďže nemohol hovoriť otvorene, Bohr ho nepochopil. Dán si stretnutie vysvetlil úplne inak. Mal dojem, že Nemci intenzívne pracujú na téme uránu a Heisenberg chcel zistiť, čo o tom vie. Okrem toho sa Bohr domnieval, že jeho hosť mu navrhol spoluprácu s nacistami. Názory dánskeho vedca sa odrazili v návrhoch listov, ktoré boli prvýkrát uverejnené v roku 2002 a široko diskutované v tlači.

V roku 1998 mala v Londýne premiéru hra Kodaň anglického dramatika Michaela Frayna, ktorá sa zameriava na epizódu zo vzťahu Bohra a Heisenberga, ktorá nebola úplne objasnená. Jeho úspech v Spojenom kráľovstve a potom na Broadwayi podnietil diskusiu medzi fyzikmi a historikmi vedy o úlohe nemeckého vedca pri vytváraní „bomby pre Hitlera“ a o obsahu rozhovoru s Bohrom. Predpokladá sa, že Heisenberg chcel prostredníctvom Bohra odkázať spojeneckým fyzikom, aby nepokračovali v budovaní jadrových zbraní alebo sa zamerali na mierový reaktor, ako to urobili nemeckí vedci. Podľa Walkera Heisenberg v rozhovore povedal „tri veci: 1) Nemci pracujú na atómovej bombe; 2) on sám má k tejto práci ambivalentný postoj; 3) Bohr by mal spolupracovať s Nemeckým vedeckým ústavom a s okupačnými úradmi. Nie je preto prekvapujúce, že Dán, ktorý sa na jeseň 1943 presťahoval do Anglicka a potom do USA, podporoval rýchly vývoj jadrovej bomby v týchto krajinách.

Pokusy o vybudovanie reaktora

Začiatkom roka 1942 sa napriek nedostatku uránu a ťažkej vody rôznym skupinám vedcov v Nemecku podarilo uskutočniť laboratórne experimenty s povzbudivými výsledkami, pokiaľ ide o stavbu „uránového stroja“. Najmä Robert Döpel v Lipsku dokázal dosiahnuť pozitívne zvýšenie počtu neutrónov v guľovej geometrii usporiadania vrstiev uránu, ktorú navrhol Heisenberg. Na problematike uránu pracovalo v Nemecku v rôznych skupinách 70 až 100 vedcov, ktorých spájalo spoločné vedenie. Veľký význam pre osud projektu mala konferencia, ktorú zorganizovala Vojenská vedecká rada vo februári 1942 (jedným z prednášajúcich bol Heisenberg). Na tomto stretnutí sa síce uznal vojenský potenciál jadrovej energie, ale vzhľadom na súčasnú ekonomickú a vojenskú situáciu v Nemecku sa rozhodlo, že jej použitie v rozumnom čase (asi rok) nebude možné, a preto by táto nová zbraň nemohla ovplyvniť vojnu. Napriek tomu sa jadrový výskum považoval za dôležitý pre budúcnosť (z vojenského aj mierového hľadiska) a rozhodlo sa o jeho ďalšom financovaní, ale celkové vedenie sa presunulo z armády na Cisársku výskumnú radu. Toto rozhodnutie bolo potvrdené v júni 1942 na stretnutí vedcov s ministrom zbrojárstva Albertom Speerom a hlavným cieľom bolo postaviť jadrový reaktor. Ako uvádza Walker, rozhodnutie nepustiť práce na priemyselnú úroveň sa ukázalo ako kľúčové pre osud celého nemeckého uránového projektu:

Hoci dovtedy prebiehal americký a nemecký výskum paralelne, Američania čoskoro Nemcov predbehli… Pri porovnaní prác vykonaných od zimy 1941

V júli 1942 bol Fyzikálny ústav v Berlíne vrátený Spoločnosti cisára Wilhelma, aby mohol organizovať prácu na „uránovom stroji“, a Heisenberg bol vymenovaný za vedúceho ústavu (bol tiež vymenovaný za profesora na Berlínskej univerzite). Keďže Peter Debye, ktorý sa nevrátil z USA, zostal formálne riaditeľom ústavu, Heisenbergova funkcia sa nazývala „riaditeľ ústavu“. Napriek nedostatku materiálov sa v nasledujúcich rokoch v Berlíne uskutočnilo niekoľko experimentov s cieľom dosiahnuť samoudržiavajúcu sa reťazovú reakciu v jadrových kotloch s rôznou geometriou. Tento cieľ bol takmer dosiahnutý vo februári 1945, posledný experiment, ktorý bol už v evakuácii, v miestnosti vytesanej v skale v dedine Heigerloch (samotný ústav sa nachádza neďaleko, v Hechingene). Práve tu boli v apríli 1945 v rámci tajnej misie Alsos zajatí vedci a zariadenie.

Krátko pred príchodom amerických vojsk odišiel Heisenberg na bicykli do bavorskej dediny Urfeld, kde žila jeho rodina a kde ho čoskoro našli spojenci. V júli 1945 bol jedným z desiatich významných nemeckých vedcov zapojených do nacistického jadrového projektu, ktorí boli internovaní vo Farm Hall neďaleko Cambridge. Fyzici boli šesť mesiacov pod neustálym dohľadom a ich rozhovory boli nahrávané skrytými mikrofónmi. Nahrávky odtajnila britská vláda vo februári 1992 a sú cenným dokumentom o histórii nemeckého jadrového projektu.

Povojnové diskusie

Krátko po skončení svetovej vojny sa začala vášnivá diskusia o príčinách neúspechu nemeckých fyzikov pri zostrojení atómovej bomby. V novembri 1946 uverejnil časopis Die Naturwissenschaften Heisenbergov článok o nacistickom jadrovom projekte. Mark Walker poukázal na niekoľko charakteristických nepresností v spracovaní udalostí nemeckým vedcom: bagatelizovanie úlohy fyzikov, ktorí boli úzko prepojení s vojenskými kruhmi a netajili sa tým (dôraz na experimentálnu chybu, ktorá viedla k výberu ťažkej vody (namiesto grafitu) ako moderátora, hoci táto voľba bola primárne vedená ekonomickými úvahami; zahmlievanie pochopenia nemeckých vedcov pre úlohu jadrového reaktora na výrobu plutónia vhodného na výrobu zbraní; stretnutiu vedcov s ministrom Speerom pripisuje rozhodujúcu úlohu pri uvedomení si nemožnosti zostrojiť jadrové zbrane pred skončením vojny, hoci si to vedenie armády uvedomovalo už skôr a rozhodlo sa výskum nepriemyselne rozvíjať a nemíňať naň cenné zdroje. V tom istom článku sa prvýkrát objavil Heisenbergov náznak, že nemeckí fyzici (aspoň tí okolo Heisenberga) kontrolovali priebeh prác a z morálnych dôvodov sa ich snažili odkloniť od vývoja jadrových zbraní. Ako však poznamenáva Walker,

Po prvé, Heisenberg a jeho okolie nielenže nekontrolovali nemecké úsilie o zvládnutie jadrovej energie, ale ani by to nedokázali, keby sa o to pokúsili, a po druhé, vďaka rozhodnutiu armádnych orgánov v roku 1942 a celkovej vojnovej situácii Heisenberg a ďalší vedci pracujúci na jadrovom probléme nikdy nemuseli čeliť ťažkej morálnej dileme, ktorá vzniká pri pomyslení na výrobu jadrových zbraní pre nacistov. Prečo by riskovali a snažili sa zmeniť smerovanie výskumu, keby si boli istí, že nemôžu ovplyvniť výsledok vojny?

Druhú stranu diskusie zastupoval Sam Goudsmit, ktorý na konci vojny pôsobil ako vedecký riaditeľ misie Alsos (predtým boli s Heisenbergom dosť blízki priatelia). V emotívnom spore, ktorý trval niekoľko rokov, Goudsmit tvrdil, že prekážkou úspechu v Nemecku boli nedostatky vedy v totalitnej spoločnosti, ale v skutočnosti obvinil nemeckých vedcov z nekompetentnosti, pretože sa domnieval, že plne nerozumejú fyzike bomby. Heisenberg sa proti tomuto tvrdeniu ostro ohradil. Podľa Walkera „poškodenie jeho povesti ako fyzika ho pravdepodobne trápilo viac ako kritika za službu nacistom.

Heisenbergovu tézu o „morálnom odpore“ ďalej rozvinul Robert Jung vo svojom bestselleri „Jasnejšie ako tisíc slncí“, kde vlastne tvrdil, že nemeckí vedci vedome sabotovali vývoj nových zbraní. Neskôr sa táto verzia odrazila aj v knihe Thomasa Powersa. Na druhej strane Goudsmitovu myšlienku o nekompetentnosti fyzikov, ktorá sa dostala do popredia za nacistov, prevzal generál Leslie Groves, vedúci projektu Manhattan, a neskôr ju vo svojej knihe vyjadril Paul Lawrence Rose. Podľa Walkera, ktorý za hlavnú príčinu neúspechu považoval hospodárske ťažkosti vojnových rokov, mali obe protichodné tézy ďaleko od historickej presnosti a boli odrazom vtedajších potrieb: Heisenbergova téza mala obnoviť práva nemeckej vedy a rehabilitovať vedcov, ktorí spolupracovali s nacistami, zatiaľ čo Goudsmitovo vyhlásenie slúžilo na ospravedlnenie strachu z nacistických jadrových zbraní a spojeneckých snáh o ich výrobu. Mott a Pyerls sa tiež zhodli na tom, že rozhodujúce boli technické ťažkosti a že za daných okolností Nemecko nemohlo vyvinúť také veľké úsilie.

Oba protichodné názory (sabotáž a nekompetentnosť) nie sú úplne potvrdené nahrávkami rozhovorov nemeckých fyzikov, ktoré boli urobené počas ich internácie vo Farm Hall. Okrem toho boli práve vo Farm Hall prvýkrát konfrontovaní s otázkou príčin neúspechu, pretože až do bombardovania Hirošimy boli presvedčení, že sú vo vývoji jadrových zbraní ďaleko pred Američanmi a Britmi. V priebehu tejto diskusie Karl von Weizsäcker prvýkrát vyslovil myšlienku, že bombu nevyrobili, pretože „nechceli. Ako upozorňuje historik Horst Kant, má to zmysel, pretože Heisenberg a Weizsäcker na rozdiel od projektu Manhattan nevenovali všetok svoj čas vývoju jadrovej energie. Najmä Heisenberg práve v rokoch 1942-1944 aktívne rozvíjal teóriu S-matrice a možno práve necítil osobitný záujem o čisto vojenský výskum. Hans Bethe, ktorý bol počas vojny vedúcim teoretického oddelenia v laboratóriu v Los Alamos, tiež dospel na základe filmov z Farm Hall k záveru, že Heisenberg na atómovej bombe nepracoval. Diskusia pokračuje dodnes a zďaleka nie je ukončená, ale Cassidy sa domnieva, že Heisenberg

…nie ako hrdinu alebo krutého zloducha, ale ako hlboko nadaného, vzdelaného človeka, ktorý sa, žiaľ, ocitol bezmocný v hrozných podmienkach svojej doby, na ktoré bol, ako väčšina ľudí, úplne nepripravený.

Počas celého života venoval Heisenberg osobitnú pozornosť filozofickým základom vedy, ktorým venoval množstvo svojich publikácií a prejavov. Koncom 50. rokov 20. storočia vydal knihu Fyzika a filozofia, ktorá je textom Giffordových prednášok na univerzite v St Andrews, a o desať rokov neskôr autobiografickú knihu Časť a celok, ktorú Carl von Weizsäcker nazval jediným platónskym dialógom našej doby. Heisenberg sa s Platónovou filozofiou zoznámil ako žiak klasického gymnázia v Mníchove, kde získal kvalitné humanitné vzdelanie. Okrem toho ho výrazne ovplyvnil jeho otec, významný filozofický vedec. Heisenberg sa po celý život zaujímal o Platóna a ďalších antických filozofov a dokonca veril, že „v modernej atómovej fyzike sa dá len ťažko napredovať bez znalosti gréckej filozofie. Vo vývoji teoretickej fyziky v druhej polovici 20. storočia videl návrat (na inej úrovni) k niektorým Platónovým atomistickým myšlienkam:

Ak chceme porovnať výsledky modernej časticovej fyziky s myšlienkami niektorého zo starých filozofov, Platónova filozofia sa zdá byť najvhodnejšia: častice modernej fyziky sú predstaviteľmi symetrických skupín a v tomto ohľade sa podobajú symetrickým obrazcom Platónovej filozofie.

Práve symetrie určujúce vlastnosti elementárnych častíc – nie častice samotné – považoval Heisenberg za niečo primárne a jedno z kritérií pravdivosti teórie hľadajúcej tieto symetrie a s nimi spojené zákony zachovania videl v jej kráse a logickej konzistencii. Vplyv Platónovej filozofie sa prejavil aj v jeho skoršej práci o kvantovej mechanike. Ďalším zdrojom inšpirácie pre mysliteľa Heisenberga bolo dielo Immanuela Kanta, najmä jeho koncepcia apriórneho poznania a jeho analýza experimentálneho myslenia, ktorá sa odrazila vo výklade kvantovej teórie. Kantov vplyv možno vidieť v Heisenbergovej modifikácii významu kauzality a v jeho koncepcii pozorovateľnosti fyzikálnych veličín, ktorá viedla k vytvoreniu princípu neurčitosti a formulácii problému merania v mikrofyzike. Heisenbergova raná práca na kvantovej mechanike bola nepriamo ovplyvnená pozitivistickými myšlienkami Ernsta Macha (prostredníctvom Einsteinových prác).

Okrem Einsteina Heisenberga výrazne ovplyvnilo priateľstvo a spolupráca s Nielsom Bohrom, ktorý venoval osobitnú pozornosť interpretácii teórie a objasňoval význam pojmov v nej používaných. Heisenberg, ktorého Wolfgang Pauli spočiatku nazýval čistým formalistom, si čoskoro osvojil Bohrovu ideológiu a vo svojej slávnej práci o vzťahoch neurčitosti významne prispel k redefinícii klasických pojmov v mikrosvete. Neskôr bol nielen jedným z hlavných aktérov konečného formovania tzv. kodanskej interpretácie kvantovej mechaniky, ale opakovane sa venoval aj historickej a konceptuálnej analýze modernej fyziky. Filozof Anatolij Achutin identifikoval ako hlavný motív Heisenbergovho uvažovania myšlienku hranice v širšom zmysle slova (koncept organizačného centra, okolo ktorého sa buduje jednotný obraz sveta a vedy; problém prekročenia existujúcich poznatkov a konštruovania nového obrazu skutočnosti („kroky za horizont“).

Niektoré články v ruskom preklade

1. Гейзенберг, Вернер
2. Werner Karl Heisenberg
3. 1 2 Архив по истории математики Мактьютор
4. 1 2 Werner Heisenberg // Encyclopædia Britannica (англ.)
5. 1 2 Werner Heisenberg // Nationalencyklopedin (швед.) — 1999.
6. ^ a b Heisenberg’s work on quantum physics was preceded by a quarter century of research.
7. Werner Heisenberg: Der Teil und das Ganze. R. Piper & Co. Verlag, München 1969, S. 30.
8. Die Grade waren summa cum laude, magna cum laude, cum laude und als schlechteste Note ein einfaches bestanden.
9. ^ La famiglia e i primi anni di vita, su xoomer.virgilio.it. URL consultato il 2 ottobre 2022.