Один из создателей квантовой механики

Гейзенберг Вернер Карл (Werner Karl Heisenberg) - немецкий физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Родился 5 декабря 1901 г. в Вюрцбурге, Германская империя. Вырос в профессорской семье, в кругу гуманитариев. Отец Вернера, Август Гейзенберг, преподавал историю и классические языки в гимназии, затем на кафедре классической филологии и византистики при Мюнхенском университете. Его мать, Анна Веклейн, была дочерью директора мюнхенской гимназии Максимилиана. Вернер был вторым ребёнком в семье, его старший брат Эрвин (1900—1965). С самого рождения Вернера его семья твёрдо 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 пошёл собственным путём: Эрвин уехал в Берлин и стал химиком, они почти не общались, не считая редких встреч в кругу семьи.

Однажды на уроке геометрии, которую он считал скучным предметом, Гейзенберг неожиданно понял, (как примерно в таком же возрасте и Эйнштейн), что в геометрии есть нечто «в высшей степени удивительное и волнующее». Поражённый этой мыслью, Гейзенберг пытался выразить языком математики, окружающий его мир.

В 1910 году семья переехала в Мюнхен. Уже в гимназические годы Вернер Гейзенберг обнаружил многостороннюю одаренность. Юноша обладал способностью к языкам, прекрасно знал древнегреческий и латынь, зачитывался трактатами античных философов, конечно, в оригинале. Он прекрасно играл на нескольких музыкальных инструментах и был незаурядным спортсменом. А его математические способности учителя считали просто выдающимися. Гейзенбергу было семнадцать лет, и он учился в выпускном классе гимназии, когда Германия проиграла войну. В Мюнхене власть захватили рабочие. Гейзенберг вместе с несколькими товарищами из гимназии вступил добровольцем в отряд, сражавшийся против революционеров.

        Во время долгой болезни он прочитал книгу Германа Вейля «Пространство, время и материя», был впечатлён мощью математических методов и их приложений и решил изучать математику в Мюнхенском университете, куда поступил летом 1920 года. Однако профессор математики Фердинанд фон Линдеман отказался сделать новичка участником своего семинара, и по совету отца Гейзенберг обратился к известному физику-теоретику Арнольду Зоммерфельду. Тот сразу согласился принять Вернера в свою группу, где уже работал молодой Вольфганг Паули, который вскоре стал близким другом Гейзенберга.

Под руководством Зоммерфельда Гейзенберг начал работу в русле так называемой «старой квантовой теории». Зиму 1922—1923 года Зоммерфельд провёл в Висконсинском университете (США), рекомендовав своему ученику поработать в Гёттингене под руководством Макса Борна. Так началось плодотворное сотрудничество двух учёных. Нужно отметить, что Гейзенберг уже посещал Гёттинген в июне 1922 года во время так называемого «Боровского фестиваля», серии лекций о новой атомной физике, прочитанных Нильсом Бором. На одной из лекций Гейзенберг, преодолев робость, возразил Бору. Тот парировал реплику, но после лекции пригласил двадцатилетнего студента Мюнхенского университета прогуляться по окрестным холмам. Эта прогулка определила судьбу Гейзенберга. Как впоследствии вспоминал сам Гейзенберг, этот разговор оказал большое влияние на формирование его взглядов и подхода к решению научных проблем. Он следующим образом определил роль различных влияний в его жизни: «У Зоммерфельда я научился оптимизму, у гёттингенцев — математике, а у Бора — физике».

Гейзенберг вернулся в Мюнхен на летний семестр 1923 года. К этому времени он подготовил диссертацию, посвящённую некоторым фундаментальным проблемам гидродинамики. Эта тема была предложена Зоммерфельдом, который полагал, что более классическая тематика упростит защиту. Однако помимо диссертации для получения степени доктора философии было необходимо сдать устный экзамен по трём предметам. Особенно трудным оказалось испытание по экспериментальной физике, которой Гейзенберг не уделял особого внимания. В итоге он не смог ответить ни на один вопрос профессора Вильгельма Вина (о разрешающей силе интерферометра Фабри—Перо, микроскопа, телескопа и о принципе работы свинцового аккумулятора), но благодаря заступничеству Зоммерфельда ему всё же поставили наинизшую оценку, достаточную для присуждения степени.

       Осенью 1923 года Гейзенберг вернулся в Гёттинген к Борну, который добился для него дополнительного места ассистента. Борн следующим образом описал своего нового сотрудника: «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.»

В Гёттингене молодой учёный продолжил свою работу над теорией эффекта Зеемана и другими квантовыми проблемами, а в следующем году прошёл процедуру хабилитации, получив официальное право читать лекции. Весной 1923 г. Бор пригласил Гейзенберга в Копенгаген. Хотя Вернер был весьма самоуверенным человеком, он с волнением отправился в "Мекку физиков", где блестящие молодые теоретики, окружавшие Бора, владели несколькими языками, играли на различных музыкальных инструментах, разбирались в истории и литературе разных народов. Знакомство прошло удачно, и через полтора года Гейзенберг приехал в Копенгаген уже работать. Осенью 1924 года Гейзенберг впервые приехал в Копенгаген, чтобы поработать под руководством Нильса Бора. Он также начал тесно сотрудничать с Хендриком Крамерсом, написав совместную статью по квантовой теории дисперсии.

Гейзенберг был «блестящим» молодым человеком, щедро одарённым духовно и физически. Он был в высшей степени самоуверенным человеком. В возрасте 23 лет он расшифровал код атомных спектров, основав этим квантовую механику. Он совершил это выдающееся открытие, располагая данными, которые имели лишь косвенное отношение к рассматриваемой проблеме.

Главную роль в создании и первоначальном развитии квантовой механики в Гёттингене сыграли Макс Борн и Гейзенберг. Борн был гораздо старше Гейзенберга, в основе новой теории лежали его идеи. Но честь открытия квантовой теории принадлежит Гейзенбергу.

Весной 1925 года Гейзенберг вернулся в Гёттинген и в течение нескольких последующих месяцев добился решающего прогресса в построении первой логически согласованной квантовой теории — матричной механики. В дальнейшем формализм теории был доведён до совершенства при участии Борна и Паскуаля Йордана. Другая формулировка теории — волновая механика — была дана Эрвином Шрёдингером и стимулировала как появление многочисленных конкретных применений, так и глубокую проработку физических основ теории. Одним из итогов этой деятельности стал принцип неопределённости Гейзенберга, сформулированный в начале 1927 года.

Гейзенбергу в то время было немногим более двадцати лет, он не отличался склонностью к самоотречению и вкусил славу в самом начале карьеры. Он увлёкся националистическими идеями, чем доставил своему учителю М. Борну много горьких минут.

Спокойный мягкий человек, музыкант в душе, М. Борн больше всего на свете любил играть с женой на двух роялях. Человек удивительной скромности, он «подарил» нескольким своим ученикам темы, которые позволили им стать Нобелевскими лауреатами. Сам он удостоился этой чести только в 1954 году.

Гейзенберг был красивым, белокурым, атлетически сложенным юношей. Как и Бор, он был отличным спортсменом (он любил ходить в кожаных альпинистских шортах). Работал он очень напряжённо, лишь иногда посещая кино или зал для игры в пинг-понг.

Гейзенберг обладал необыкновенной интуицией. Как он говорил сам, правильный путь ему подсказывало подсознательное чувство. В отличие от Паули, он не тратил время на то, чтобы сформулировать аргументы, которые могут привести к правильному решению. В отличие от Бора он не пытался осмысливать проблемы со всех сторон. Обычно Гейзенберг старался как можно быстрее опубликовать свои работы, оставляя другим право поиска необходимых аргументов.

Его работы относятся к квантовой механике, квантовой электродинамике, релятивистской квантовой теории поля, теории ядра, магнетизму, физике космических лучей, теории элементарных частиц, философии естествознания.

         В 1925 году он разработал матричную механику (Нобелевская премия 1932г.). Гейзенберг не был удовлетворён состоянием теории, требовавшей решения каждой конкретной задачи в рамках классической физики с последующим переводом на квантовый язык с помощью принципа соответствия. Такой подход не всегда давал результат и во многом зависел от интуиции исследователя. Стремясь получить строгий и логически согласованный формализм, весной 1925 года Гейзенберг решил отказаться от прежнего описания, заменив его описанием через так называемые наблюдаемые величины. Эта идея возникла под влиянием работ Альберта Эйнштейна, который дал релятивистское определение времени вместо ненаблюдаемого ньютоновского абсолютного времени. (Впрочем, уже в апреле 1926 года Эйнштейн в личном разговоре с Гейзенбергом заметил, что именно теория определяет, какие величины считать наблюдаемыми, а какие — нет.) Гейзенберг отказался от классических понятий положения и импульса электрона в атоме и рассмотрел частоту и амплитуду колебаний, которые можно определить из оптического эксперимента. Ему удалось представить эти величины в виде наборов комплексных чисел и дать правило их перемножения, которое оказалось некоммутативным, а затем применить разработанный метод к задаче об ангармоническом осцилляторе. При этом для частного случая гармонического осциллятора естественным образом следовало существование так называемой «нулевой энергии». Таким образом, принцип соответствия был включён в сами основы разработанной математической схемы.

    Гейзенберг получил решение этой задачи в июне 1925 года на острове Гельголанд, где он выздоравливал от приступа сенной лихорадки. Вернувшись в Гёттинген, он описал свои результаты в статье «О квантовотеоретическом истолковании кинематических и механических соотношений» и послал её Вольфгангу Паули. Заручившись одобрением последнего, Гейзенберг передал работу Борну для опубликования в журнале Zeitschrift für Physik, где она была получена 29 июля 1925 года. Вскоре Борн осознал, что наборы чисел, представляющих физические величины, являются не чем иным, как матрицами, а гейзенберговское правило их перемножения — это правило умножения матриц.

      В целом матричную механику ждал довольно пассивный приём физического сообщества, которое было слабо знакомо с математическим формализмом матриц и которое отпугивала чрезвычайная абстрактность теории. Лишь некоторые учёные обратили пристальное внимание на статью Гейзенберга. Так, Нильс Бор сразу же высоко оценил её и заявил, что «началась новая эра взаимного стимулирования механики и математики». Первая строгая формулировка матричной механики была дана Борном и Паскуалем Йорданом в их совместной работе «О квантовой механике», законченной в сентябре 1925 года. Они получили фундаментальное перестановочное соотношение (квантовое условие) для матриц координаты и импульса. Вскоре Гейзенберг подключился к этим исследованиям, итогом которых стала знаменитая «работа трёх». завершённая в ноябре 1925 года. В ней был представлен общий метод решения задач в рамках матричной механики, в частности рассмотрены системы с произвольным числом степеней свободы, введены канонические преобразования, даны основы квантовомеханической теории возмущений, решена задача о квантовании углового момента, обсуждены правила отбора и ряд других вопросов.

       Дальнейшие модификации матричной механики проходили по двум основным направлениям: обобщение матриц в форме операторов, осуществлённое Борном и Норбертом Винером, и представление теории в алгебраической форме (в рамках гамильтонова формализма), развитое Полем Дираком. Последний вспоминал много лет спустя о том, насколько стимулирующим оказалось появление матричной механики для дальнейшего развития атомной физики: «У меня есть наиболее веские причины быть почитателем Вернера Гейзенберга. Мы учились в одно время, были почти ровесниками и работали над одной и той же проблемой. Гейзенберг преуспел там, где у меня были неудачи. К тому времени накопилось огромное количество спектроскопического материала, и Гейзенберг нашёл правильный путь в его лабиринте. Сделав это, он дал начало золотому веку теоретической физики, и вскоре выполнять первоклассные работы имел возможность даже второразрядный студент».

В 1927 г. Гейзенберг сформулировал принцип неопределённости, ограничивающий применение к микрообъектам классических понятий и представлений. В начале 1926 года из печати стали выходить работы Эрвина Шрёдингера по волновой механике, которая давала описание атомных процессов в привычной форме непрерывных дифференциальных уравнений и которая, как вскоре выяснилось, математически тождественна матричному формализму. Гейзенберг критически отнёсся к новой теории и, в особенности, к её первоначальной интерпретации как имеющей дело с реальными волнами, несущими электрический заряд. И даже появление борновской вероятностной трактовки волновой функции не решило проблему интерпретации самого формализма, то есть прояснения смысла используемых в нём понятий.

Необходимость решения этого вопроса стала особенно ясной в сентябре 1926 года, после визита Шрёдингера в Копенгаген, где он в долгих дискуссиях с Бором и Гейзенбергом отстаивал картину непрерывности атомных явлений и критиковал представления о дискретности и квантовых скачках. Исходным пунктом в анализе Гейзенберга стало осознание необходимости скорректировать классические понятия (такие, как «координата» и «импульс»), чтобы их можно было использовать в микрофизике, подобно тому, как теория относительности скорректировала понятия пространства и времени, придав тем самым смысл формализму преобразований Лоренца. Чем точнее может быть зафиксировано положение электрона в пространстве, тем более неопределенной для нас становится его скорость.

Выход из ситуации он нашёл в наложении ограничения на использование классических понятий, выраженном математически в виде соотношения неопределённостей: «чем точнее определено положение, тем менее точно известен импульс, и наоборот». Свои выводы он продемонстрировал известным мысленным экспериментом с гамма-микроскопом. Полученные результаты Гейзенберг изложил в 14-страничном письме Паули, который высоко их оценил. Бор, вернувшийся из отпуска в Норвегии, был не вполне удовлетворён и высказал ряд замечаний, но Гейзенберг отказался вносить изменения в свой текст, упомянув о предложениях Бора в постскриптуме.

Принцип неопределённости не только сыграл важную роль в развитии интерпретации квантовой механики, но и поднял ряд философских проблем. Бор связал его с более общей концепцией дополнительности, развивавшейся им в это же время: он трактовал соотношения неопределённостей как математическое выражение того предела, до которого возможно использование взаимно исключающих (дополнительных) понятий.

Кроме того, статья Гейзенберга привлекла внимание физиков и философов к концепции измерения, а также к новому, необычному пониманию причинности, предложенному автором: «… в сильной формулировке закона причинности: „если точно знать настоящее, можно предсказать будущее“, неверна предпосылка, а не заключение. Мы в принципе не можем узнать настоящее во всех деталях».

Позже, в 1929 году, он ввёл в квантовую теорию термин «коллапс волнового пакета», ставший одним из основных понятий в рамках так называемой «копенгагенской интерпретации» квантовой механики.

Появление квантовой механики (сначала в матричной, а затем в волновой форме), сразу же признанной научным сообществом, стимулировало быстрый прогресс в развитии квантовых представлений, решении ряда конкретных проблем. Сам Гейзенберг в марте 1926 года закончил совместную с Йорданом статью, давшую объяснение аномального эффекта Зеемана с использованием гипотезы Гаудсмита и Уленбека о спине электрона.

Совместно с П. Дираком в 1928 г. Гейзенберг выдвинул идею обменного взаимодействия, введя обменные силы, разработал первую квантовомеханическую теорию ферромагнетизма. Ввёл общую схему квантования полей. Развил теорию дырок Дирака. Постулировал существование эффекта поляризации вакуума. Пришёл к протонно-нейтронной модели ядра, ввёл понятие изотопического спина. Построил теорию ядерных сил, ввёл матрицу рассеяния. Работал над созданием единой теории поля.

Признание научных заслуг Гейзенберга вылилось в приглашения на должность профессора, поступившие из Лейпцига и Цюриха. Учёный выбрал Лейпциг, где директором физического института при университете работал Петер Дебай, и в октябре 1927 года занял пост профессора теоретической физики. Другими его коллегами были Грегор Венцель и Фридрих Хунд, а первым ассистентом стал Гвидо Бек. Гейзенберг выполнял многочисленные обязанности на факультете, читал лекции по теоретической физике, организовал еженедельный семинар по атомной теории, который сопровождался не только интенсивным обсуждением научных проблем, но также дружескими чаепитиями и порой плавно перетекал в соревнования по настольному теннису (молодой профессор играл очень хорошо и с большим азартом). При этом, как отмечают биографы учёного Невилл Мотт и Рудольф Пайерлс, ранняя слава практически не повлияла на личные качества Гейзенберга: «Никто не осудил бы его, если бы он начал воспринимать себя серьёзно и стал слегка напыщенным после того, как он 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.»

Знаменитый физик Рудольф Пайерлс, вспоминая годы работы с Гейзенбергом, писал, что он был скромным человеком. Раз в неделю устраивался семинар, а перед семинаром всегда был чай, причём пирожные в кондитерской выбирал сам профессор. Гейзенберг любил играть в пинг-понг, и был очень хорошим игроком. Но однажды у него сумел выиграть приехавший из Китая физик. Когда Гейзенберг плыл на пароходе из Америки в Японию, то всю дорогу упражнялся, чтобы больше такая ужасная вещь не повторилась.

Гейзенберг не любил чистую математику и рассматривал её только как необходимый инструмент. Размышляя над проблемой, он сначала угадывал ответ, а потом подбирал математический метод, который именно это решение даёт. Такой метод хорош лишь при наличии такой мощной интуиции, какой обладал Гейзенберг.

    В Лейпциге появились первые ученики Гейзенберга, и скоро здесь сформировалась крупная научная школа. Среди знаменитых учеников Гейзенберга физик и философ К. Вайцзеккер, «отец водородной бомбы» Э. Теллер, будущий лауреат нобелевской премии Ф. Блох и химик Ф. Гунд. Хотя профессор обычно не вникал в математические подробности работы своих учеников, он часто помогал прояснить физическую сущность изучаемой проблем. Первый студент Гейзенберга Феликс Блох следующим образом охарактеризовал педагогические и научные качества своего наставника: «Если я должен выбрать единственное из его великих качеств как учителя, то это было бы его необычайно позитивное отношение к любому прогрессу и его поощрение в этой связи. …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.»

    В 1933 году Гейзенберг был награждён Нобелевской премией по физике за предыдущий год с формулировкой «за создание квантовой механики, приложения которой, в числе прочего, привели к открытию аллотропных форм водорода». Несмотря на радость, учёный выразил недоумение в связи с тем фактом, что его коллеги Поль Дирак и Эрвин Шрёдингер получили одну премию (за 1933 год) на двоих, а Макс Борн и вовсе был обойдён вниманием Нобелевского комитета.

С осени 1933 года «неарийцы», женщины и люди левых убеждений лишались права преподавать, а с 1938 года будущие лекторы должны были доказывать свою политическую благонадёжность. В этой ситуации Гейзенберг и его коллеги, считая первоочередной задачей сохранение немецкой физики, предприняли попытки заместить освободившиеся позиции немецкими или даже иностранными учёными, что было негативно встречено в научном сообществе и также не достигло своей цели. В качестве последнего средства оставался уход в отставку в знак протеста, однако Планк отговорил Гейзенберга, указав на важность выживания физики несмотря на катастрофу, которая ожидает Германию в будущем.

(Окончание следует)