Вернер Карл Гейзенберг, немецкий физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии по физике

Нобелевские лауреаты: Вернер Гейзенберг. Премия за неопределенность

Вернер Карл Гейзенберг, немецкий физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии по физике

30 декабря 2017 в 22:39ФизикаОдин из создателей квантовой механики

О том, как один нобелевский лауреат чуть было не завалил диссертацию другого, как одна прогулка изменила всю современную физику, и о том, как Вернер Гейзенберг всей своей жизнью иллюстрировал собственный принцип неопределенности, рассказывает наш сегодняшний выпуск рубрики «Как получить Нобелевку».

Нынешний выпуск «нобелевской» рубрики на портале Indicator.Ru – юбилейный. С начала года мы написали ровно 99 биографий нобелевских лауреатов по физике, химии и физиологии или медицины.

С 1901 года мы добрались в 1930-е и на уже солидной статистике можно сделать четкий вывод: практически все биографии лауреатов делятся на две категории – про первых написано огромное количество материалов на русском языке и приходится жестоко отбирать известные факты, проверяя их по альтернативным источникам.

Мечников, Эйнштейн, Планк… В некоторых других случаях не хватает даже материалов на английском и приходится залезать в немецкие, итальянские, шведские, датские источники.

Наш сотый герой, безусловно, из первой категории.

А как может быть иначе, если речь идет, не больше и не меньше, об одном из основателей квантовой механики, одном из самых молодых лауреатов премии по физике, о человеке, который создал свои основные труды всего в 25 лет, и сумел оставить след не только в физике, но и в философии (можете себе представить себе философа из ФРГ, сотрудничавшего с гитлеровской Германией, чьи философские труды издавались в Советском Союзе и поступали в открытую продажу?). Итак, встречайте: Вернер Гейзенберг.

Вернер Карл Гейзенберг

Родился: 5 декабря 1901 года, Вюрцбург, Германская империя

Умер: 1 февраля 1976 года, Мюнхен, ФРГ

Нобелевская премия по физике 1932 года. Формулировка Нобелевского комитета: «За создание квантовой механики, применение которой привело, помимо прочего, к открытию аллотропических форм водорода (for the creation of quantum mechanics, the application of which has, inter alia, led to the discovery of the allotropic forms of hydrogen)».

Наш герой родился в самом начале XX веке в городе Вюрцбурге на реке Майна, родине Рентгена и нынешнего главы Международного олимпийского комитета Томаса Баха.

Предки со стороны отца были ремесленниками, со стороны матери – крестьянами и фермерами, и тем не менее, дед Вернера по матери был уже директором Максимиллиановской гимназии – лучшего среднего учебного заведения Мюнхена, а отец уже преподавал классическую филологию.

Вернер был вторым сыном в семье – старший брат Эрвин, родившийся годом раньше, тоже тянулся к наукам и стал в итоге химиком. Судя по всему, Август Гейзенберг поддерживал конкуренцию братьев, что привело к неплохим результатам.

Когда Вернеру исполнилось 9, он переехал с семьей в Мюнхен где начал учиться в гимназии, которой руководил его дед. Во время Первой мировой Эрвин успел повоевать около года, а Вернер только готовился к войне в местной мюнхенской ячейке Wehrkraftverein – Баварской ассоциации оборонительных сил.

Впрочем, война закончилась, империя пала, началась Баварская советская республика, потом она пала, в стране и в умах началось брожение, а Гейзенберг заинтересовался философией и задумался об атомах, одновременно познакомившись с теорией относительности Эйнштейна. Примерно с таким компотом мыслей – Кант, Платон, атомы и Эйнштейн – в 1920 году Вернер Гейзенберг и попал в Мюнхенский университет, где угодил в цепкие руки «делателя нобелевских лауреатов»: Арнольда Зоммерфельда.

Пожалуй, только Джозеф Джон Томсон превосходит Зоммерфельда в количестве учеников-нобелиатов: помимо Гейзенберга, еще шестеро: Вольфганг Паули, Питер Дебай, Ханс Бете, Лайнус Полинг, Исидор Раби и Макс фон Лауэ стали лауреатами Нобелевской премии. Самого же Зоммерфельда номинировали 84 раза (в том числе – и все его ученики), но увы – не судьба!

Арнольд Зоммерфельд сразу приметил гения, которого отказались принять математики на свой семинар – и начал его готовить сразу к защите докторской: по правилам Зоммерфельда, талантливые студенты защищали диссертацию сразу по окончанию обучения.

В июне 1922 года Макс Борн организовал в Геттингене встречу физиков Германии и Нильса Бора, который в том же году получит Нобелевскую премию.

Так получился «Боровский фестиваль»: великий датчанин две недели читал лекции по атомной физике и квантовой теории, немецкие физики вышли из-под бойкота, который им устроили победившие страны, а Гейзенберг, которого привез вместе с другими своими учениками туда Зоммерфельд получил важный толчок для своего развития.

В одной из лекций Бор представил работу своего коллеги и фактического заместителя в Институте теоретической физики в Копенгагене, Хендрика Антони Крамерса, нидерландца по происхождению, об эффекте Штарка (о нем мы писали в статье об этом нобелевском лауреате).

Гейзенберг был знаком с этой статьей и обратился с критикой работы к Бору. Аудитория, естественно, мягко скажем… ну, применим слово «удивилась»: студент-недоучка критикует зама САМОГО БОРА! Но «сам Бор» не нашел ничего неуместного в замечаниях студента недоучки – они действительно нашли слабые места в работе. Бор предложил Гейзенбергу прогуляться и продолжить дискуссию.

Как вспоминал потом Гейзенберг, «разговор почти сразу же перешел к его любимым темам: философским вопросам об атомах, использованию привычных понятий для их описания, а также к тому, что означает «понимание» физических явлений».

Много позже физик написал в своей книге «Беседы вокруг атомной физики»: «Эта прогулка оказала огромное влияние на мою последующую научную карьеру. Возможно, было бы точнее указать, что мое развитие как ученого началось с этой прогулки».

В Геттингене же решилась и дальнейшая судьба Гейзенберга: дело в том, что на 1922-1923 учебный год Зоммерфельд уплывал в США, где ему предложили позицию приглашенного профессора. Поэтому очень уместно было оказаться рядом с Максом Борном – ему можно было «сдать» на семестр своих студентов для продолжения обучения и экспериментальной работы.

В октябре 1922 года Гейзенберг прибыл к Борну. Тот описывал нового студента, как «простого крестьянина с короткими белыми волосами, ясными блестящими глазами и очаровательным выражением лица».

Тем не менее, мощный талант «крестьянина» был ясен, и в январе нового, 1923 года Борн уже писал Зоммерфельду: «Я очень горжусь Гейзенбергом. Все мы высоко ценим его. У него невероятный талант».

И предложил, чтобы юноша после защиты докторской приехал к нему работать.

И дело не только в том, что по вечерам Борн и Гейзенберг играли на пианино в четыре руки – они оба были еще и талантливыми музыкантами, а в том, что уже тогда нащупывались берега новой физики.

В общем, уже к лету и Борн, и еще один гениальный студент Борна, Вольфганг Паули, и сам Нильс Бор понимали – все квантовые модели описания простейших атомов сложнее водорода не работают.

Нужна новая физика – квантовая механика.

Правда, участие Гейзенберга в ее создании чуть было не погубила докторская. В диссертации Зоммерфельд, который делал «халтурку» для мюнхенского водопровода, поручил ученику несколько задач из гидродинамики, с которыми его студент блестяще справился.

Однако, кроме защиты самой работы, требовалось еще сдать теоретический и практический экзамен по физике. И вот тут Вернер не смог ответить ни на один вопрос нобелевского лауреата Вильгельма Вина. Он даже не смог объяснить принцип действия аккумулятора.

Высший бал по теорфизике и математике – и «двойка» по экспериментальной физике… Такого экзаменаторы не помнили! Лишь вмешательство Зоммерфельда заставило комиссию поставить Гейзенбергу суммарную положительную оценку. Следующую ночь юноша провел в поезде в Геттинген и в раздумьях – не выгонит ли его Борн после такого разноса.

Впрочем, Макс Борн, расспросив о ходе экзамена, решил не менять планы, и в октябре 1923 года у Борна появился новый помощник и коллега по игре в четыре руки на пианино.

Удивительное дело: за два года в статусе помощника Борна, Гейзенбергом были заложены основы квантовой механики.

Более того, если Гейзенберг, однажды осененный на острове Гельголанд в Северном море, куда он сбежал от сенной лихорадки, изложил свои уравнения в матричной форме, то чуть позже Эрвин Шредингер изложил то же самое в формате волновых уравнений.

Началось веселое время в физике – споров, приятий и неприятий, обсуждений и понимания, что Гейзенберг и Шредингер пишут об одном и том же.

К 1927 году это стало понятно почти всем, однако из математического описания Гейзенберга стало понятно еще одно – при перемножении матриц важен порядок множителей. Несколько логических ходов – и мы получаем принцип неопределенности Гейзенберга: невозможно бесконечно точно одновременно узнать импульс частицы и ее координаты. Надежный старый мир стал расплываться.

Поразительно: вчерашний студент перевернул (не один, конечно), самые основы мироздания.

Естественно, дальше последовал длинный путь математического оформления, следствий, практического применения квантовой механики – иногда через многие десятилетия.

Так, основанный на принципе неопределенности Гейзенберга мысленный эксперимент (или парадокс) Эйнштейна-Подольского-Розена в этом году привел к квантово-шифрованному чату между Пекином и Парижем через спутник.

Была Нобелевская премия, принятие (или не принятие) нацистского режима, работа над ядерным оружием Третьего Рейха (или его саботаж), таинственная встреча в Копенгагене с Нильсом Бором в 1941 году, философские работы послевоенного времени… о Гейзенберге можно писать и говорить много. Но, видимо, в полном согласии с квантовым духом нашего героя, будет всегда оставаться что-то неопределенное.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: , ВКонтакте, , Telegram, .

Источник: https://indicator.ru/physics/verner-gejzenberg.htm

Сказка о физике Вернере Гейзенберге, который ничего не знал наверняка • Библиотека

Вернер Карл Гейзенберг, немецкий физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии по физике

Другие научные сказки Ник. Горькавого см.

 в «Науке и жизни» №11, 2010, №12, 2010, №1, 2011, №2, 2011, №3, 2011, №4, 2011, №5, 2011, №6, 2011, №9, 2011, №11, 2011, №6, 2012, №7, 2012, №8, 2012, №9, 2012, №10, 2012, №12, 2012, №1, 2013, №11, 2013, №1, 2014, №2, 2014, №3, 2014, №7, 2014, №8, 2014, №10, 2014, №12, 2014, №1, 2015, №4, 2015, №5, 2015, №6, 2015, №7, 2015, №9, 2015, №1, 2016, №2, 2016, №3, 2016.

«Космические сыщики» — новая книга писателя, доктора физико-математических наук Николая Николаевича Горькавого. Её герои знакомы читателям по научно-фантастической трилогии «Астровитянка» и научным сказкам, опубликованным в журнале в 2010–2014 гг.; в №№ 1, 4–7, 9, 2015 г.; в №№ 1, 2, 3, 2016 г.

— Вечерние горы подёргивались прохладным туманом, по зелёным пологим пастбищам бродили коровы, позвякивая шейными колокольчиками и похрустывая свежей травой. На лугу высились стога сена, заготовленные на зиму.

В одном из стогов лежал светловолосый подросток и читал книгу немецкого философа Иммануила Канта. Где-то вдали стреляли пушки и рвались снаряды, а мальчик читал про звёзды, про процессы познания, размышлял над проблемами бытия, нравственности и этики.

Он не знал, что ждёт впереди его самого, его страну и весь мир.

Не знал, что Первая мировая война скоро кончится и что она будет далеко не последней; что в ближайшие десятилетия мир изменится до неузнаваемости, в том числе и благодаря тому, что мальчик по имени Вернер Гейзенберг лежит на лугу и читает Канта для собственного удовольствия. Это был особенный мальчик, не похожий на других.

— С этого и надо было начать, — заметила Галатея.

— Что ж, с этого и начнём, — ответила принцесса Дзинтара, и её дети, Галатея и Андрей, приготовились слушать очередную вечернюю сказку.

— Итак, в начале ХХ века жил-был в Германии мальчик… Его отец, Август Гейзенберг, занимался самым тихим занятием, которое только можно вообразить: изучал древние византийские рукописи, написанные на древнегреческом языке.

Он ездил в Италию и Грецию для их исследования и преподавал историю студентам в Мюнхенском университете. У него было два сына: Эрвин, который стал химиком, и Вернер.

И надо же было такому случиться, чтобы в семье человека, больше всего ценившего классические представления о мире, вырос бунтарь, который отбросил существующие воззрения на время и пространство и предложил новые подходы к их пониманию.

— Как же это получилось? — спросил Андрей.

— Ещё будучи школьником, Вернер во время долгой болезни прочёл книгу Германа Вейля «Пространство. Время. Материя», и его впечатлила мощь описанных в ней математических методов. С этого момента Гейзенберг увлёкся математикой. Выдающиеся знания молодого человека отметили на выпускном экзамене в гимназии.

Юность Вернера пришлась на бурный революционный период в истории Германии. Весной 1918 года его вместе с другими 16-летними школьниками отправили работать на ферму — помогать воюющей Германии. Гейзенберг был не похож на своих сверстников. По вечерам он спешил уединиться и с увлечением читал философские труды Платона и Канта.

После Первой мировой войны в Германии наступил период политической нестабильности, общественного брожения и протестных выступлений. Вернер посещал собрания молодёжного движения, где слушал горячие выступления против общественных традиций и предрассудков. Но даже тогда главный интерес для него представляли не политика и философия, больше всего его увлекали физика и математика.

В 1920 году Гейзенберг поступил в Мюнхенский университет, стал учеником профессора Арнольда Зоммерфельда и окунулся в мир теоретической физики.

Через три года он подготовил диссертацию по теоретической гидродинамике, но не учёл, что для получения учёной степени необходимо сдать устный экзамен и по экспериментальной физике.

Вернер не смог ответить на вопросы дотошного профессора Вильгельма Вина и чуть не провалился. Только заступничество Арнольда Зоммерфельда спасло диссертанта от полного провала.

Получив степень, Гейзенберг занялся новой квантовой физикой. Вместе с Вольфгангом Паули он стал ассистентом Макса Борна — директора физического института Гёттингенского университета.

Борн писал о Гейзенберге: «Он был похож на простого крестьянского парня, с короткими светлыми волосами, ясными живыми глазами и чарующим выражением лица. Он выполнял свои обязанности ассистента более серьёзно, чем Паули, и оказывал мне большую помощь.

Его непостижимая быстрота и острота понимания всегда позволяли ему проделывать колоссальное количество работы без особых усилий».

Гейзенберг поработал и у Нильса Бора (см. «Наука и жизнь» № 1, 2016 г., «Сказка о суперсыщике Нильсе Боре, разыскавшем связь между атомом Резерфорда, линиями Фраунгофера и кривой Планка»).

Они познакомились в 1922 году во время так называемого Боровского фестиваля. Гейзенберг беседовал со знаменитым датчанином, и этот разговор во многом повлиял на его взгляды и подходы к решению научных проблем.

«У Зоммерфельда я научился оптимизму, у гёттингенцев — математике, а у Бора — физике», — писал он.

В 1925 году, в возрасте 23 лет, Вернер создал новую квантовую механику на основе математических матриц. Она была независима от классической физики и стала вехой в квантовой научной революции.

— А что такое матрицы?

— Матрицами называют прямоугольные таблицы чисел. Гейзенберг предположил, что любой физической величине, которую можно наблюдать в эксперименте, соответствует своя матрица. Он сумел описать квантовые скачки в атоме Бора и любые изменения в состоянии кванто-механических систем с помощью математических операций над матрицами.

Через полтора года Гейзенберг вывел квантовое соотношение неопределённостей, ставшее знаковым для современной науки. Соотношение гласило, что наш мир принципиально не точен: мы не можем знать одновременно с хорошей точностью импульс и положение любого объекта, например электрона.

Если мы точно измерим импульс электрона, то утратим информацию о его положении, а если точно измерим его координаты, то потеряем возможность определить импульс или скорость.

— Значит, учёные ничего не могут знать наверняка? — поразилась Галатея. — Как бы они ни старались, в их измерениях всегда будут ошибки?

— Увы, это так. Неопределённость в координатах электрона, умноженная на ошибку в его импульсе, равна постоянной Планка (см. «Наука и жизнь» № 7, 2015 г.

, «Сказка о Максе Планке, который в свете электролампы нашёл свою постоянную»), — и это соотношение неопределённостей Гейзенберга прекрасно дополнило концепцию де Бройля (см. «Наука и жизнь» № 2, 2016 г., «Сказка о герцоге де Бройле, который открыл самые странные волны в мире») о частицах как о волнах.

Если мы попробуем захватить частицу в хитрую ловушку, то есть точно зафиксируем её местоположение, ошибка в определении импульса частицы станет бесконечно большой.

— Информация уходит сквозь пальцы как волна, — усмехнулась Галатея.

— Очень похоже, — вмешался Андрей, — что Галатея тоже подчиняется этому соотношению неопределённостей: её никогда не бывает в нужном месте в нужное время!

Дзинтара улыбнулась, глядя на возмущённую дочь, и продолжила:

— Соотношение неопределённостей Гейзенберга трактуют и так: для измерения параметров квантовой системы требуется инструментальное вмешательство, и это вмешательство настолько сильно искажает её характеристики, что система «забывает» своё первоначальное состояние, и мы утрачиваем возможность узнать, каким оно было.

Галатея, делая вид, что не замечает брата, обратилась к матери:

— Мама, судя по историям, которые ты нам рассказала, теоретики делают открытия в очень молодом возрасте. Но ведь с годами опыт и знания растут и открытий должно быть больше.

— Давно замечено, что самый плодотворный возраст для теоретических открытий — первые несколько лет после окончания университета, ведь важны не только опыт и знания, но и свежий взгляд и смелость молодости. В пожилом возрасте учёный с трудом соглашается с попранием истин, с которыми он долго жил.

Успехи Вернера Гейзенберга не остались незамеченными. Университеты наперебой приглашали его занять профессорскую должность. В возрасте 25 лет Вернер стал профессором теоретической физики в Лейпцигском университете.

— Теперь его никто не мог упрекнуть в незнании физики! — удовлетворённо отметила Галатея.

— Все, кто с ним работал, вспоминали, что Гейзенберг был демократичным и весёлым человеком. После научных занятий он, например, с азартом играл в настольный теннис.

Биографы — его ученики Невилл Мотт, лауреат Нобелевской премии по физике за 1977 год, и Рудольф Пайерлс — в книге, посвящённой великому учёному, писали о том периоде жизни Гейзенберга, когда он создал квантовую механику и стал молодым профессором: «Никто не осудил бы его, если бы он начал воспринимать себя серьёзно и стал слегка напыщенным после того, как предпринял по крайней мере два решающих шага, изменивших лицо физики, и после получения в столь юном возрасте статуса профессора, что заставляло и многих более старых и менее значительных людей чувствовать себя важными, но он остался таким, каким и был, — неофициальным и весёлым в обращении, почти мальчишеским и обладающим скромностью, граничащей с застенчивостью».

Нобелевскую премию по физике «За создание квантовой механики» Гейзенберг получил в неполных 32 года. Он, безусловно, был рад, но, будучи скромным и справедливым, выразил удивление, что его коллеги по созданию квантовой механики Эрвин Шрёдингер и Поль Дирак получили одну Нобелевскую премию на двоих, а Макс Борн вообще ею обойдён.

— Гейзенберг так много работал, но была ли у него девушка или семья? — спросила Галатея. — Или он занимался одной наукой?

— В 35 лет Вернер женился на Элизабет Шумахер, дочери берлинского профессора-экономиста. Они жили долго и счастливо и у них было семеро детей. Дочери Гейзенберга Анна-Мария и Верена стали физиологами, сын Мартин — генетиком, а Йохен пошёл по стопам отца, он был физиком-ядерщиком.

Гейзенберг умер в 1976 году. Юджин Вигнер, лауреат Нобелевской премии по физике за 1963 год, написал тогда: «Нет такого живущего физика-теоретика, который сделал больший вклад в нашу науку, чем он. В то же время он был доброжелателен со всеми, лишён высокомерия и составлял приятную компанию».

А его первый ученик Феликс Блох, ставший лауреатом Нобелевской премии по физике в 1952 году, вспоминал: «Если я должен выбрать единственное из его великих качеств как учителя, то это было бы его необычайно позитивное отношение к любому прогрессу…

Одной из наиболее удивительных особенностей Гейзенберга была почти безошибочная интуиция, которую он проявлял в своём подходе к физической проблеме, и феноменальный способ, с помощью которого решения как будто падали с неба».

Источник: https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/433102/Skazka_o_fizike_Vernere_Geyzenberge_kotoryy_nichego_ne_znal_navernyaka

Гейзенберг Вернер

Вернер Карл Гейзенберг, немецкий физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии по физике

Другие известные ученые

Вернер Гейзенберг был одним из самых молодых ученых, получивших Нобелевскую премию. Целеустремленность и сильный дух соперничества воодушевили его на открытие одного из наиболее известных принципов науки — принципа неопределенности. 

Вернер Карл Гейзенберг родился 5 декабря 1901 года в немецком городе Вюрцбурге. Отец Вернера Август, благодаря успешной научной деятельности сумел подняться до уровня представителей высшего класса немецкой буржуазии. В 1910 году он стал профессором византийской филологии Мюнхенского университета. Матерью мальчика была урожденная Анна Виклейн. 

С самого рождения Вернера его семья твердо решила, что он тоже должен достичь высокого социального положения благодаря образованию.

Полагая, что соперничество должно благоприятствовать достижению успеха в науке, отец провоцировал Вернера и его старшего брата Эрвина к постоянной конкуренции.

В течение многих лет мальчики часто дрались, и однажды соперничество довело их до такой драки, что они били друг друга деревянными стульями. Повзрослев, каждый из них пошел собственным путем Эрвин уехал в Берлин и стал химиком; они почти не общались, не считая редких встреч в кругу семьи. 

Вернер Гейзенберг, 1933 год

В сентябре 1911 года Вернера отдали в престижную гимназию. В 1920 году Гейзенберг поступил в Мюнхенский университет. Окончив его, Вернер был назначен ассистентом профессора Макса Борна в Геттингенском университете.

Борн был уверен, что атомный микромир настолько отличается от макромира, описанного классической физикой, что ученым нечего и думать пользоваться при изучении строения атома привычными понятиями о движении и времени, скорости, пространстве и определенном положении частиц.

Основа микромира — кванты, которые не следовало пытаться понять или объяснить с наглядных позиций устаревшей классики. Эта радикальная философия нашла горячий отклик в душе его нового ассистента. 

Действительно, состояние атомной физики напоминало в это время какое-то нагромождение гипотез. Вот если бы кому-нибудь удалось на опыте доказать, что электрон действительно волна, вернее и частица и волна. .. Но таких опытов пока не было.

А раз так, то и исходить из одних только предположений, что представляет собой электрон, по мнению педантичного Гейзенберга, было некорректно.

А нельзя ли создать теорию, в которой будут только известные экспериментальные данные об атоме, полученные при изучении излучаемого им света Что можно сказать об этом свете наверняка Что он имеет такую-то частоту и такую-то интенсивность, не больше… 

По теории квантов атом испускает свет, переходя из одного энергетического состояния в другое. А по теории Эйнштейна интенсивность света определенной частоты зависит от количества фотонов. Значит, можно было попытаться связать интенсивность излучения с вероятностью атомных переходов.

Квантовые колебания электронов, уверял Гейзенберг, нужно представлять только с помощью чисто математических соотношений. Надо лишь подобрать для этого подходящий математический аппарат. Молодой ученый выбрал матрицы. Выбор оказался удачным, и скоро его теория была готова.

Работа Гейзенберга заложила основы науки о движении микроскопических частиц — квантовой механики. 

В ней вообще не говорится ни о каком движении электрона. Движения в прежнем смысле этого слова не существует. Матрицы описывают просто изменения состояния системы.

Потому спорные вопросы об устойчивости атома, о вращении электронов вокруг ядра, о его излучении отпадают сами собой.

Вместо орбиты в механике Гейзенберга электрон характеризуется набором или таблицей отдельных чисел вроде координат на географической карте. 

Надо сказать, что матричная механика появилась весьма кстати. Идеи Гейзенберга подхватили другие физики и скоро, по выражению Бора, она приобрела «вид, который по своей логической завершенности и общности мог конкурировать с классической механикой». 

Арнольд Зоммерфельд (1930)

Впрочем, было в работе Гейзенберга и одно удручающее обстоятельство. По его словам, ему никак не удавалось вывести из новой теории простой спектр водорода. И каково было его удивление, когда некоторое время спустя после опубликования его работы…

«Паули преподнес мне сюрприз законченную квантовую механику атома водорода. Мой ответ от 3 ноября начинался словами «Едва ли нужно писать, как сильно я радуюсь новой теории атома водорода и насколько велико мое удивление, что Вы так быстро смогли ее разработать».

Почти в то же самое время теорией атома с помощью новой механики занимался и английский физик Дирак. И у Гейзенберга и у Дирака вычисления носили крайне абстрактный характер. Никто из них не уточнял сущность употребляемых символов.

И лишь в конце вычислений вся их математическая схема давала правильный результат. 

Математические аппараты, которыми пользовались Гейзенберг и Дирак при разработке теорий атома в новой механике, были для большинства физиков и непривычны, и сложны. Не говоря уже о том, что никто из них, несмотря на все ухищрения, не мог свыкнуться с мыслью, что волна — это частица, а частица — волна. Как представить себе такого оборотня 

Работавший в то время в Цюрихе Эрвин Шредингер, подошел к проблемам атомной физики совершенно с другой стороны и с другими целями. Его идея состояла в том, что любую движущуюся материю можно рассматривать в виде волн. Если это верно, то Шредингер превращал основы матричной механики Гейзенберга в нечто совершенно неприемлемое. 

История жизни Вернера Гейзенберга

В мае 1926 года Шредингер опубликовал доказательство того, что эти два конкурирующих подхода по существу математически эквивалентны.

Гейзенберг и другие приверженцы матричной механики сразу же начали борьбу в защиту своей концепции, причем с обеих сторон она принимала все более эмоциональную окраску. В защиту этого подхода они поставили на карту свое будущее.

Шредингер же рисковал своей репутацией, отказываясь от признания кажущихся иррациональными понятий дискретности и квантовых скачков и возвращаясь к физическим закономерностям непрерывного, причинно обусловленного и рационального волнового движения.

Ни одна из сторон не желала пойти на уступки, что означало бы признание профессионального превосходства противников. Сама суть и будущее направление развития квантовой механики внезапно стали предметом спора в научном мире. 

Этот раздор в дальнейшем усилился в связи с появлением карьерных амбиций со стороны Гейзенберга.

Всего за несколько недель до того, как Шредингер опубликовал доказательство эквивалентности обоих подходов, Гейзенберг отказался от должности профессора в Лейпцигском университете, отдав предпочтение сотрудничеству с Бором в Копенгагене.

Скептически настроенный Веклейн, дед Вернера, поспешил в Копенгаген, чтобы попытаться отговорить внука от принятого им решения; именно в этот момент появилась работа Шредингера об эквивалентности обоих подходов.

Возобновившееся давление Веклейна и брошенный Шредингером вызов фундаментальным основам матричной физики заставили Гейзенберга удвоить усилия и попытаться сделать работу на таком высоком уровне, чтобы она получила широкое признание у специалистов, и в конечном итоге, обеспечила бы получение места на какой-либо другой кафедре. 

Гейзенберг примерно в 1927 году

Однако, по крайней мере, три события, происшедшие в 1926 году, вызвали у него ощущение огромной пропасти между его идеями и точкой зрения Шредингера. Первое из них — цикл лекций, прочитанный Шредингером в Мюнхене в конце июля и посвященный его новой физике.

На этих лекциях молодой Гейзенберг доказывал переполненной аудитории, что теория Шредингера не объясняет некоторых явлений. Однако он не сумел никого убедить, и покинул конференцию в подавленном состоянии.

Затем на осенней конференции немецких ученых и врачей Гейзенберг стал свидетелем полной и, с его точки зрения, ошибочной поддержки идей Шредингера. 

Наконец, в Копенгагене в сентябре 1926 года между Бором и Шредингером разгорелась дискуссия, в которой ни одна из сторон не добилась успеха. В итоге было признано, что никакую из существующих интерпретаций квантовой механики нельзя считать вполне приемлемой. 

Движимый в своей работе разными мотивами — личными, профессиональными и научными, — Гейзенберг в феврале 1927 года неожиданно дал нужную интерпретацию, сформулировав принцип неопределенности и не сомневаясь в его правильности. 

В письме к Паули от 23 февраля 1927 года он приводит почти все существенные подробности представленной ровно через месяц статьи «О квантово-теоретическом истолковании кинематических и механических соотношений», посвященной принципу неопределенности. 

Фридрих Хунд, Вернер Гейзенберг и Макс Борн (Гёттинген, 1966)

Согласно принципу неопределенности, одновременное измерение двух так называемых сопряженных переменных, таких, как положение (координата) и импульс движущейся частицы, неизбежно приводит к ограничению точности.

Чем более точно измерено положение частицы, тем с меньшей точностью можно измерить ее импульс, и наоборот.

В предельном случае абсолютно точное определение одной из переменных ведет к полному отсутствию точности при измерении другой. 

Неопределенность — это не вина экспериментатора она является фундаментальным следствием уравнений квантовой механики и характерным свойством каждого квантового эксперимента.

Кроме того, Гейзенберг заявил, что пока справедлива квантовая механика, принцип неопределенности не может быть нарушен.

Впервые со времен научной революции ведущий физик провозгласил, что существуют пределы научного познания. 

Совместно с идеями таких светил, как Нильс Бор и Макс Борн, принцип неопределенности Гейзенберга вошел в логически замкнутую систему «копенгагенской интерпретации», которую Гейзенберг и Борн перед встречей ведущих физиков мира в октябре 1927 года объявили полностью завершенной и неизменяемой. Эта встреча, пятая из знаменитых Сольвеевских конгрессов, произошла всего несколько недель спустя после того, как Гейзенберг стал профессором теоретической физики в Лейпцигском университете. Будучи всего двадцати пяти лет от роду, он стал самым молодым профессором в Германии. 

Гейзенберг впервые представил четко сформулированный вывод о наиболее глубоком следствии из принципа неопределенности, связанном с отношением к классическому понятию причинности. 

Принцип причинности требует, чтобы каждому явлению предшествовала единственная причина. Это положение отрицается принципом неопределенности, доказываемым Гейзенбергом. Причинная связь между настоящим и будущим теряется, а законы и предсказания квантовой механики имеют вероятностный, или статистический, характер. 

Участники Сольвеевского конгресса 1927 года, на котором обсуждались проблемы интерпретации квантовой механики. Гейзенберг стоит третий справа

Гейзенбергу и другим «копенгагенцам» потребовалось совсем немного времени, чтобы донести отстаиваемое ими учение до тех, кто не посещал европейских институтов. В Соединенных Штатах Гейзенберг нашел особенно благоприятную среду для обращения в свою веру новых сторонников.

Во время совместного с Дираком кругосветного путешествия в 1929 года Гейзенберг прочел в Чикагском университете оказавший огромное влияние на слушателей курс лекций по «копенгагенской доктрине».

В предисловии к своим лекциям Гейзенберг писал «Цель этой книги можно считать достигнутой, если она будет содействовать утверждению копенгагенского духа квантовой теории, который указал дорогу общему развитию современной атомной физики». 

Когда «носитель» этого «духа» вернулся в Лейпциг, его ранние научные труды были широко признаны в той области профессиональной деятельности, которая обеспечивала ему высокое положение как в обществе, так и в науке. В 1933 году одновременно со Шредингером и Дираком его работы получили высшее признание — Нобелевскую премию. 

В течение пяти лет в Институте Гейзенберга были созданы важнейшие квантовые теории твердокристаллического состояния, молекулярной структуры, рассеяния излучения на ядрах и протон-нейтронной модели ядер. Совместно с другими теоретиками они сделали огромный шаг в сторону релятивистской квантовой теории поля и заложили основы для развития исследований в области физики высоких энергий. 

Эти достижения привлекли многих лучших студентов в такое научное учреждение, как Институт Гейзенберга. Воспитанные в традициях «копенгагенской доктрины», они сформировали новое доминирующее поколение физиков, которые распространили эти идеи, разъехавшись по всему миру в тридцатые годы после прихода к власти Гитлера. 

Хотя Гейзенберг по праву считается сегодня одним из величайших физиков современности, он в то же время подвергается критике за многие его поступки после прихода к власти Гитлера.

Гейзенберг никогда не был членом нацистской партии, однако, он занимал высокие академические должности и был символом немецкой культуры на оккупированных территориях. С 1941 по 1945 год Гейзенберг был директором института физики кайзера Вильгельма и профессором Берлинского университета.

Не раз отвергая предложения эмигрировать, он возглавил основные исследования по расщеплению урана, в которых был заинтересован Третий рейх. 

Надгробный памятник на могиле Гейзенберга

После окончания войны ученый был арестован и отправлен в Англию. Гейзенберг давал различные объяснения своим действиям, которые еще больше способствовали падению его репутации за границей. Верный сын своей страны, Гейзенберг, которому удалось проникнуть в тайны природы, не сумел разглядеть и понять глубину трагедии, в которую была ввергнута Германия. 

В 1946 году Гейзенберг вернулся в Германию. Он становится директором Физического института и профессором Геттингенского университета. С 1958 года ученый являлся директором Физического университета и астрофизики, а также профессором Мюнхенского университета. 

В последние годы усилия Гейзенберга были направлены на создание единой теории поля. В 1958 году он проквантовал нелинейное спинорное уравнение Иваненко (уравнение Иваненко — Гейзенберга). Немало его работ посвящено философским проблемам физики, в частности теории познания, где он стоял на позиции идеализма. 

Гейзенберг умер в своем доме в Мюнхене 1 февраля 1976 года от рака почки и желчного пузыря. 

Источник: https://tunnel.ru/post-gejjzerberg-verner

Booksm
Добавить комментарий