Вернер Гейзенберг

Вернер Гейзенберг (полное имя Вернер Карл Гейзенберг, нем. Werner Karl Heisenberg; 5 декабря 1901, Вюрцбург — 1 февраля 1976, Мюнхен) — немецкий физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии по физике за 1932 год (присуждена в 1933 году) с формулировкой «за создание квантовой механики, применение которой привело, помимо прочего, к открытию аллотропических форм водорода». Наиболее известен как автор принципа неопределённости, одного из фундаментальных положений квантовой теории.

Биография

Ранние годы и образование

Вернер Гейзенберг родился в семье Августа Гейзенберга, профессора византийской истории в Мюнхенском университете, и Анни Веклейн. У него был старший брат Эрвин. С ранних лет проявлял интерес к математике и физике. В 1920 году поступил в Мюнхенский университет, где изучал физику под руководством Арнольда Зоммерфельда, а также посещал лекции по математике. В 1923 году защитил докторскую диссертацию по гидродинамике.

Научная карьера

После защиты диссертации Гейзенберг работал ассистентом Макса Борна в Гёттингенском университете, а затем — у Нильса Бора в Институте теоретической физики в Копенгагене. В 1925 году, находясь на острове Гельголанд, он разработал матричную формулировку квантовой механики, которая стала первой последовательной математической основой новой теории. В 1927 году сформулировал принцип неопределённости.

В 1927 году Гейзенберг стал профессором теоретической физики в Лейпцигском университете, став самым молодым профессором в Германии. В 1941 году он был назначен директором Института физики Общества кайзера Вильгельма (ныне Институт физики Общества Макса Планка) и профессором Берлинского университета.

Вторая мировая война и урановый проект

Во время Второй мировой войны Гейзенберг был одним из ключевых участников немецкого уранового проекта (Uranprojekt) — программы по созданию ядерного оружия. Он возглавлял теоретические исследования по созданию ядерного реактора и обогащению урана. В отличие от Манхэттенского проекта в США, немецкая программа не достигла практических результатов. После войны Гейзенберг утверждал, что он и его коллеги сознательно тормозили разработку атомной бомбы, однако эта версия оспаривается историками.

Послевоенный период

После войны Гейзенберг был интернирован британскими войсками вместе с другими немецкими учёными в Фарм-Холле (Англия). В 1946 году он вернулся в Германию и возглавил Институт физики Общества кайзера Вильгельма в Гёттингене, который в 1948 году был переименован в Институт физики Общества Макса Планка. В 1958 году институт переехал в Мюнхен, где Гейзенберг продолжал работать до выхода на пенсию в 1970 году. Он активно участвовал в научной политике ФРГ и выступал против ядерных вооружений.

Научные достижения

Матричная механика

В 1925 году Гейзенберг предложил новую математическую формулировку квантовой механики, в которой физические величины (координаты, импульсы, энергии) представлялись не непрерывными функциями, а матрицами. Эта работа, развитая совместно с Максом Борном и Паскуалем Йорданом, стала первой полной и непротиворечивой теорией атомных явлений.

Принцип неопределённости

В 1927 году Гейзенберг сформулировал принцип неопределённости, который утверждает, что невозможно одновременно с произвольной точностью измерить некоторые пары физических величин (например, координату и импульс частицы). Математически это выражается неравенством:

\[ \Delta x \cdot \Delta p \ge \frac{\hbar}{2} \]

где \(\Delta x\) — неопределённость координаты, \(\Delta p\) — неопределённость импульса, \(\hbar\) — редуцированная постоянная Планка. Этот принцип стал одним из краеугольных камней квантовой механики.

Квантовая электродинамика

В 1929 году Гейзенберг совместно с Вольфгангом Паули разработал квантовую электродинамику — теорию, описывающую взаимодействие электронов и фотонов. Эта работа заложила основы современной квантовой теории поля.

Теория ферромагнетизма

В 1928 году Гейзенберг предложил квантовую теорию ферромагнетизма, объяснив природу спонтанной намагниченности через обменное взаимодействие между электронами.

S-матрица

В 1943 году Гейзенберг ввёл понятие S-матрицы (матрицы рассеяния) — математического объекта, описывающего переходы между состояниями в квантовой теории поля. Этот подход оказался важным для развития теории сильных взаимодействий.

Философские взгляды

Гейзенберг был глубоко вовлечён в философские основания квантовой механики. Он поддерживал копенгагенскую интерпретацию, разработанную совместно с Нильсом Бором, которая подчёркивает роль измерения и вероятностный характер квантовых явлений. В своих работах и лекциях он обсуждал вопросы реальности, причинности и роли наблюдателя в физике. В послевоенные годы он также интересовался взаимосвязью науки и религии, написав книгу «Физика и философия» (1958).

Критика и споры

Участие в немецком урановом проекте

Деятельность Гейзенберга в нацистской Германии остаётся предметом исторических дискуссий. Некоторые исследователи обвиняют его в сотрудничестве с нацистским режимом, другие — в пассивном сопротивлении. После войны Гейзенберг утверждал, что он и его коллеги сознательно избегали создания атомной бомбы, однако анализ документов (включая расшифровки разговоров в Фарм-Холле) показывает, что немецкие учёные просто не смогли решить технические проблемы, в частности, не сумели создать работающий ядерный реактор.

Отношения с Эйнштейном и Бором

Гейзенберг имел сложные отношения с Альбертом Эйнштейном, который критиковал копенгагенскую интерпретацию квантовой механики. Эйнштейн считал квантовую теорию неполной и полагал, что «Бог не играет в кости». Гейзенберг, в свою очередь, защищал вероятностную природу квантовых явлений. С Нильсом Бором у Гейзенберга были как плодотворные научные отношения, так и личные разногласия, особенно в послевоенный период.

Награды и признание

• Нобелевская премия по физике (1932, вручена в 1933)
• Медаль Макса Планка (1933)
• Орден «За заслуги перед Федеративной Республикой Германия» (1957)
• Иностранный член Лондонского королевского общества (1955)
• Член Папской академии наук (1956)

Именем Гейзенберга названы кратер на Луне, астероид (13149 Heisenberg) и Институт теоретической физики Общества Макса Планка в Мюнхене.

Основные труды

• «Физические принципы квантовой теории» (1930)
• «Теория атомного ядра» (1943, совместно с К. фон Вайцзеккером)
• «Физика и философия» (1958)
• «Часть и целое: Беседы вокруг атомной физики» (1969)

Источники

• Cassidy, D. C. (1992). Uncertainty: The Life and Science of Werner Heisenberg. W. H. Freeman.
• Powers, T. (1993). Heisenberg’s War: The Secret History of the German Bomb. Knopf.
• Heisenberg, W. (1971). Physics and Beyond: Encounters and Conversations. Harper & Row.
• Heisenberg, W. (1958). Physics and Philosophy: The Revolution in Modern Science. Harper & Brothers.