Вернер Карл Гейзенберг ( произносится [ˈvɛʁnɐ kaʁl ˈhaɪzn̩bɛʁk] ⓘ ; 5 декабря 1901 — 1 февраля 1976)[2]— немецкийфизик-теоретики один из главных пионеров теорииквантовой механики. Он опубликовал свою работу в 1925 году в крупнойреволюционной статье. В последующей серии статей сМаксом БорномиПаскуалем Джорданомв том же году егоматричная формулировкаквантовой механики была существенно развита. Он известенпринципом неопределенности, который опубликовал в 1927 году. Гейзенберг был удостоенНобелевской премии по физике«за создание квантовой механики». [3][а]
Гейзенберг внес также вклад в теории гидродинамики турбулентных потоков , атомного ядра , ферромагнетизма , космических лучей и субатомных частиц . Он был главным научным сотрудником нацистской программы создания ядерного оружия во время Второй мировой войны . Он также сыграл важную роль в планировании первого западногерманского ядерного реактора в Карлсруэ вместе с исследовательским реактором в Мюнхене в 1957 году.
После Второй мировой войны он был назначен директором Физического института кайзера Вильгельма , который вскоре после этого был переименован в Физический институт Макса Планка . Он был директором института до тех пор, пока он не был переведен в Мюнхен в 1958 году. Затем он стал директором Института физики и астрофизики Макса Планка с 1960 по 1970 год.
Гейзенберг также был президентом Немецкого исследовательского совета , [4] председателем Комиссии по атомной физике, председателем рабочей группы по ядерной физике и президентом Фонда Александра фон Гумбольдта . [1]
Вернер Карл Гейзенберг родился в Вюрцбурге , Германия, в семье Каспара Эрнста Августа Гейзенберга [ 5] и его жены Анни Векляйн. Его отец был учителем классических языков в средней школе и стал единственным в Германии ординарным профессором (ординарным профессором) средневековых и современных греческих исследований в университетской системе. [6]
Гейзенберг вырос и жил как христианин -лютеранин . [7] В позднем подростковом возрасте Гейзенберг читал «Тимей» Платона во время похода в Баварские Альпы. Он рассказал о философских беседах со своими сокурсниками и учителями о понимании атома, когда проходил научную стажировку в Мюнхене, Геттингене и Копенгагене. [8] Позже Гейзенберг заявил, что «мой разум сформировался в результате изучения философии, Платона и тому подобного» [9] и что «Современная физика определенно приняла решение в пользу Платона. На самом деле мельчайшие единицы материи не являются физическими объектами». в обычном смысле; это формы, идеи, которые могут быть выражены однозначно только на математическом языке». [10]
В 1919 году Гейзенберг прибыл в Мюнхен в составе Freikorps для борьбы с Баварской Советской Республикой, созданной годом ранее. Пять десятилетий спустя он вспоминал те дни как юношеские забавы, вроде «игра в полицейских и грабителей и так далее; в этом не было вообще ничего серьезного»; [11] его обязанности ограничивались «изъятием велосипедов или пишущих машинок из «красных» административных зданий» и охраной подозреваемых «красных» заключенных. [12]
С 1920 по 1923 год он изучал физику и математику в Мюнхенском университете Людвига-Максимилиана у Арнольда Зоммерфельда и Вильгельма Вина , а также в Гёттингенском университете имени Георга-Августа у Макса Борна и Джеймса Франка , а также математику у Давида Гильберта . Докторскую степень он получил в 1923 году в Мюнхене под руководством Зоммерфельда.
В Геттингене, под руководством Борна, он завершил свою абилитацию в 1924 году, защитив хабилитационную диссертацию по аномальному эффекту Зеемана . [13] [2] [14] [15]
В июне 1922 года Зоммерфельд взял Гейзенберга в Геттинген для участия в фестивале Бора , поскольку Зоммерфельд искренне интересовался своими учениками и знал об интересе Гейзенберга к теориям Нильса Бора по атомной физике . На мероприятии Бор был приглашенным лектором и прочитал серию обширных лекций по квантовой атомной физике, а Гейзенберг впервые встретился с Бором, что оказало на него неизгладимое впечатление. [16] [17] [18]
Докторская диссертация Гейзенберга , тема которой была предложена Зоммерфельдом, была посвящена турбулентности ; [19] в диссертации обсуждались как устойчивость ламинарного течения , так и природа турбулентного течения . Проблема устойчивости исследовалась с использованием уравнения Орра – Зоммерфельда , линейного дифференциального уравнения четвертого порядка для малых возмущений от ламинарного потока. Он ненадолго вернулся к этой теме после Второй мировой войны. [20]
В юности он был членом и скаутским лидером Neupfadfinder , немецкой скаутской ассоциации и частью немецкого молодежного движения . [21] [22] [23] В августе 1923 года Роберт Хонселл и Гейзенберг организовали поездку в Финляндию со скаутской группой этой ассоциации из Мюнхена. [24]
Гейзенберг любил классическую музыку и был опытным пианистом. [2] Его интерес к музыке привел к встрече с будущей женой. В январе 1937 года Гейзенберг встретил Элизабет Шумахер (1914–1998) на частном музыкальном концерте. Элизабет была дочерью известного берлинского профессора экономики, а ее братом был экономист Э. Ф. Шумахер , автор книги «Маленькое красиво» . Гейзенберг женился на ней 29 апреля. Близнецы Мария и Вольфганг родились в январе 1938 года, после чего Вольфганг Паули поздравил Гейзенберга с «созданием пары» — игрой слов, посвященной процессу из физики элементарных частиц, образованию пар . В течение следующих 12 лет у них родилось еще пятеро детей: Барбара, Кристина, Йохен , Мартин и Верена. [25] [26] В 1939 году он купил летний дом для своей семьи в Урфельде-ам-Вальхензее , на юге Германии.
Один из сыновей Гейзенберга, Мартин Гейзенберг , стал нейробиологом в Вюрцбургском университете , а другой сын, Йохен Гейзенберг , стал профессором физики в Университете Нью-Гемпшира . [27]
С 1924 по 1927 год Гейзенберг был приват-доцентом в Гёттингене , что означало, что он имел право преподавать и проводить исследования независимо, не имея кафедры. С 17 сентября 1924 года по 1 мая 1925 года в рамках стипендии Фонда Рокфеллера Международного совета по образованию Гейзенберг отправился проводить исследования вместе с Нильсом Бором , директором Института теоретической физики Копенгагенского университета . Его основополагающая статья « Über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen » («Квантовая теоретическая реинтерпретация кинематических и механических отношений») была опубликована в сентябре 1925 года. [28] Он вернулся в Геттинген и вместе с Максом Борном и Паскуалем Йорданом в течение примерно шести месяцев разработал матричную формулировку квантовой механики . 1 мая 1926 года Гейзенберг приступил к своей работе преподавателем университета и помощником Бора в Копенгагене. Именно в Копенгагене в 1927 году Гейзенберг разработал свой принцип неопределенности , одновременно работая над математическими основами квантовой механики. 23 февраля Гейзенберг написал письмо коллеге-физику Вольфгангу Паули , в котором впервые описал свой новый принцип. [29] В своей статье, посвященной этому принципу, [30] Гейзенберг для его описания использовал слово « Ungenauigkeit » (неточность), а не неопределенность. [2] [31] [32]
В 1927 году Гейзенберг был назначен ordentlicher профессором (professor ordinarius) теоретической физики и заведующим кафедрой физики Лейпцигского университета ; он прочитал там свою первую лекцию 1 февраля 1928 года. В своей первой статье, опубликованной в Лейпциге, [33] Гейзенберг использовал принцип исключения Паули для разгадки тайны ферромагнетизма . [2] [14] [31] [34]
Во время пребывания Гейзенберга в Лейпциге высокая квалификация докторантов, аспирантов и научных сотрудников, которые учились и работали с ним, очевидна из признания, полученного многими позже. В разное время среди них были Эрих Багге , Феликс Блох , Уго Фано , Зигфрид Флюгге , Уильям Вермиллион Хьюстон , Фридрих Хунд , Роберт С. Малликен , Рудольф Пайерлс , Джордж Плачек , Исидор Исаак Раби , Фриц Заутер , Джон К. Слейтер , Эдвард Теллер , Джон Хасбрук ван Флек , Виктор Фредерик Вайскопф , Карл Фридрих фон Вайцзеккер , Грегор Вентцель и Кларенс Зинер . [35]
В начале 1929 года Гейзенберг и Паули представили первую из двух статей, заложивших основы релятивистской квантовой теории поля . [36] Также в 1929 году Гейзенберг отправился с лекциями в Китай, Японию, Индию и США. [31] [35] Весной 1929 года он был приглашенным лектором в Чикагском университете , где читал лекции по квантовой механике. [37]
В 1928 году британский физик-математик Поль Дирак вывел свое релятивистское волновое уравнение квантовой механики, которое предполагало существование положительных электронов, позже получивших название позитронов . В 1932 году по фотографии космических лучей в камере Вильсона американский физик Карл Дэвид Андерсон идентифицировал след как оставленный позитроном . В середине 1933 года Гейзенберг представил свою теорию позитрона. Его размышления о теории Дирака и дальнейшее развитие теории были изложены в двух статьях. Первое, «Bemerkungen zur Diracschen Theorie des Positrons» («Замечания о теории позитрона Дирака»), было опубликовано в 1934 году [38] , а второе — «Folgerungen aus der Diracschen Theorie des Positrons» («Последствия теории позитрона Дирака»). Позитрон»), был опубликован в 1936 году. [31] [39] [40] В этих работах Гейзенберг был первым, кто переосмыслил уравнение Дирака как «классическое» уравнение поля для любой точечной частицы со спином ħ/2, которое само по себе является предметом к условиям квантования с участием антикоммутаторов . Таким образом, интерпретируя его как (квантовое [ необходимо пояснение ] ) уравнение поля, точно описывающее электроны, Гейзенберг поставил материю на ту же основу, что и электромагнетизм : как описываемую релятивистскими квантовыми уравнениями поля, которые допускали возможность создания и разрушения частиц. ( Герман Вейль уже описал это в письме Альберту Эйнштейну в 1929 году .)
Статья Гейзенберга, устанавливающая квантовую механику [41] [а] , озадачила физиков и историков. Его методы предполагают, что читатель знаком с расчетами вероятности перехода Крамерса -Гейзенберга. Основная новая идея — некоммутирующие матрицы — оправдана лишь отказом от ненаблюдаемых величин. Он вводит некоммутативное умножение матриц путем физических рассуждений, основанных на принципе соответствия , несмотря на то, что Гейзенберг тогда не был знаком с математической теорией матриц. Путь, ведущий к этим результатам, был реконструирован Маккинноном [42] , а подробные расчеты выполнены Эйтчисоном и соавторами. [43]
В Копенгагене Гейзенберг и Ганс Крамерс совместно работали над статьей о дисперсии или рассеянии на атомах излучения, длина волны которого больше длины волны атомов. Они показали, что успешная формула, разработанная Крамерсом ранее, не может быть основана на орбитах Бора, поскольку частоты переходов основаны на расстояниях между уровнями, которые не являются постоянными. Частоты, которые встречаются в преобразовании Фурье орбит классических резких рядов , напротив, расположены на одинаковом расстоянии друг от друга. Но эти результаты можно объяснить с помощью полуклассической модели виртуального состояния : падающее излучение переводит валентный, или внешний, электрон в виртуальное состояние, из которого он распадается. В последующей статье Гейзенберг показал, что эта модель виртуального осциллятора также может объяснить поляризацию флуоресцентного излучения.
Эти два успеха, а также продолжающаяся неспособность модели Бора-Зоммерфельда объяснить нерешенную проблему аномального эффекта Зеемана, побудили Гейзенберга использовать модель виртуального осциллятора, чтобы попытаться вычислить спектральные частоты. Этот метод оказался слишком сложным для немедленного применения к реальным задачам, поэтому Гейзенберг обратился к более простому примеру — ангармоническому осциллятору .
Дипольный генератор состоит из простого гармонического генератора , который рассматривается как заряженная частица на пружине, возмущенная внешней силой, например внешним зарядом. Движение колеблющегося заряда можно выразить в виде ряда Фурье по частоте осциллятора. Гейзенберг решил квантовое поведение двумя разными методами. Сначала он обработал систему методом виртуального осциллятора, рассчитав переходы между уровнями, которые будут создаваться внешним источником.
Затем он решил ту же проблему, рассматривая ангармонический потенциальный член как возмущение гармонического осциллятора и используя методы возмущений , которые он и Борн разработали. Оба метода привели к одинаковым результатам для первого и очень сложным поправочным членам второго порядка. Это наводило на мысль, что за весьма сложными расчетами скрывается последовательная схема.
Поэтому Гейзенберг решил сформулировать эти результаты без какой-либо явной зависимости от модели виртуального осциллятора. Для этого он заменил разложения Фурье для пространственных координат матрицами, соответствующими коэффициентам перехода в методе виртуальных осцилляторов. Он оправдал эту замену обращением к принципу соответствия Бора и доктрине Паули, согласно которой квантовая механика должна быть ограничена наблюдаемыми.
9 июля Гейзенберг передал Борну эту статью на рассмотрение и отправку для публикации. Когда Борн прочитал статью, он понял, что эту формулировку можно транскрибировать и распространить на систематический язык матриц [44] , который он выучил в ходе исследования под руководством Якоба Розанеса [45] в Университете Бреслау . Борн с помощью своего помощника и бывшего ученика Паскуаля Джордана немедленно начал производить транскрипцию и расширение, и они представили свои результаты для публикации; статья была получена для публикации всего через 60 дней после статьи Гейзенберга. [46] Последующий документ был представлен для публикации до конца года всеми тремя авторами. [47]
До этого времени физики редко использовали матрицы; их считали принадлежащими к области чистой математики . Густав Ми использовал их в статье по электродинамике в 1912 году, а Борн использовал их в своей работе по теории решетки кристаллов в 1921 году. Хотя в этих случаях использовались матрицы, алгебра матриц с их умножением не входила в картину, как они сделали это в матричной формулировке квантовой механики. [48]
В 1928 году Альберт Эйнштейн номинировал Гейзенберга, Борна и Джордана на Нобелевскую премию по физике . [49] Объявление о присуждении Нобелевской премии по физике за 1932 год было отложено до ноября 1933 года. [50] Тогда было объявлено, что Гейзенберг получил премию за 1932 год «за создание квантовой механики, применение которой, среди прочего , привело к открытию аллотропных форм водорода ». [51] [52]
Развитие квантовой механики и явно противоречивые выводы относительно того, что «реально», имели глубокие философские последствия, включая то, что на самом деле означают научные наблюдения. В отличие от Альберта Эйнштейна и Луи де Бройля , которые были реалистами, верившими, что частицы всегда имеют объективно истинный импульс и положение (даже если и то и другое невозможно измерить), Гейзенберг был антиреалистом, утверждая, что прямое знание того, что «реально» вышло за рамки науки. [53] В своей книге «Физическая концепция природы» [54] Гейзенберг утверждал, что в конечном итоге мы можем говорить только о знаниях (числах в таблицах), которые описывают что-то о частицах, но у нас никогда не может быть «истинного» доступа к частицам. сами: [53]
Мы уже не можем говорить о поведении частицы независимо от процесса наблюдения. В результате естественные законы, математически сформулированные в квантовой теории, больше не связаны с самими элементарными частицами, а с нашими знаниями о них. И уже невозможно задаваться вопросом, существуют ли эти частицы в пространстве и времени объективно... Когда мы говорим о картине природы в точной науке нашего времени, мы имеем в виду не столько картину природы, сколько некую картину природы. картина наших взаимоотношений с природой . ...Наука больше не противостоит природе как объективный наблюдатель, а видит себя действующим лицом в этом взаимодействии между человеком и природой. Научный метод анализа, объяснения и классификации осознал свою ограниченность, вытекающую из того, что своим вмешательством наука изменяет и переделывает объект исследования. Другими словами, метод и объект больше не могут быть разделены. [53] [54]
Вскоре после открытия нейтрона Джеймсом Чедвиком в 1932 году Гейзенберг представил первую из трёх статей [55] по своей нейтронно-протонной модели ядра . [31] [56] После того, как Адольф Гитлер пришел к власти в 1933 году, Гейзенберг подвергся нападкам в прессе как «белый еврей» (т.е. арийец , который действует как еврей). [57] Сторонники Deutsche Physik , или немецкой физики (также известной как арийская физика), начали яростные нападки на ведущих физиков-теоретиков, включая Арнольда Зоммерфельда и Гейзенберга. [31] С начала 1930-х годов антисемитское и антитеоретическое физическое движение «Немецкая физика» занималось квантовой механикой и теорией относительности . Применительно к университетской среде политические факторы преобладали над научными способностями [58] , хотя двумя наиболее видными сторонниками этого подхода были лауреаты Нобелевской премии по физике Филипп Ленард [59] и Йоханнес Старк . [60] [61]
Было много неудачных попыток назначить Гейзенберга профессором ряда немецких университетов. Его попытка быть назначенным преемником Арнольда Зоммерфельда провалилась из-за противодействия со стороны движения Deutsche Physik . [62] 1 апреля 1935 года выдающийся физик-теоретик Зоммерфельд, научный руководитель Гейзенберга в Мюнхенском университете Людвига-Максимилиана , получил почетный статус. Однако Зоммерфельд оставался в своем кресле во время процесса отбора своего преемника, который длился до 1 декабря 1939 года. Процесс был длительным из-за академических и политических разногласий между выбором Мюнхенского факультета и выбором Министерства образования Рейха и сторонниками Deutsche Physik . .
В 1935 году мюнхенский факультет составил список кандидатов на замену Зоммерфельда на посту ординарного профессора теоретической физики и главы Института теоретической физики Мюнхенского университета. Все трое кандидатов были бывшими студентами Зоммерфельда: Гейзенберг, получивший Нобелевскую премию по физике ; Питер Дебай , получивший Нобелевскую премию по химии в 1936 году; и Ричард Беккер . Мюнхенский факультет твердо поддержал этих кандидатов, выбрав Гейзенберга в качестве первого кандидата. Однако у сторонников Deutsche Physik и элементов REM был свой список кандидатов, и борьба затянулась более четырех лет. В это время Гейзенберг подвергся жестоким нападкам со стороны сторонников Deutsche Physik . Одно нападение было опубликовано в газете СС « Das Schwarze Korps» , возглавляемой Генрихом Гиммлером . При этом Гейзенберг был назван «белым евреем», которого следует заставить «исчезнуть». [63] Эти нападения были восприняты серьезно, поскольку евреи подверглись жестоким нападениям и были заключены в тюрьмы. Гейзенберг ответил редакционной статьей и письмом Гиммлеру, пытаясь решить вопрос и вернуть себе честь.
Однажды мать Гейзенберга навестила мать Гиммлера. Обе женщины знали друг друга, поскольку дедушка Гейзенберга по материнской линии и отец Гиммлера были ректорами и членами баварского туристического клуба. В конце концов, Гиммлер уладил дело Гейзенберга, отправив два письма: одно группенфюреру СС Рейнхарду Гейдриху и одно Гейзенбергу, оба 21 июля 1938 года. В письме Гейдриху Гиммлер сказал, что Германия не может позволить себе потерять или заставить замолчать Гейзенберга, как он сделал бы. быть полезным для обучения поколения ученых. Обращаясь к Гейзенбергу, Гиммлер сказал, что письмо пришло по рекомендации его семьи, и предостерег Гейзенберга проводить различие между результатами профессиональных физических исследований и личными и политическими взглядами участвующих в них ученых. [64]
Вильгельм Мюллер заменил Зоммерфельда в Мюнхенском университете Людвига-Максимилиана. Мюллер не был физиком-теоретиком, не публиковался в физических журналах и не был членом Немецкого физического общества . Его назначение было сочтено пародией и вредным для образования физиков-теоретиков. [64] [65] [66] [67] [68]
Трое следователей, руководивших расследованием СС в отношении Гейзенберга, имели физическую подготовку. Действительно, Гейзенберг участвовал в докторской диссертации одного из них в Лейпцигском университете . Самым влиятельным из троих был Йоханнес Юилфс . В ходе расследования они стали сторонниками Гейзенберга, а также его позиции против идеологической политики движения Deutsche Physik в теоретической физике и академических кругах. [69]
В середине 1936 года Гейзенберг представил свою теорию ливней космических лучей в двух статьях. [70] Еще четыре статьи [71] [72] [73] [74] появились в следующие два года. [31] [75]
В декабре 1938 года немецкие химики Отто Хан и Фриц Штрассман отправили в журнал The Natural Sciences рукопись , в которой сообщалось, что они обнаружили элемент барий после бомбардировки урана нейтронами, что привело Хана к выводу, что произошел взрыв ядра урана; [76] Одновременно Хан сообщил об этих результатах своей подруге Лизе Мейтнер , которая в июле того же года бежала сначала в Нидерланды, а затем в Швецию. [77] Мейтнер и ее племянник Отто Роберт Фриш правильно интерпретировали результаты Хана и Штрассмана как деление ядра . [78] Фриш подтвердил это экспериментально 13 января 1939 года. [79]
В июне и июле 1939 года Гейзенберг отправился в Соединенные Штаты, посетив Сэмюэля Абрахама Гаудсмита в Мичиганском университете в Анн-Арборе . Однако Гейзенберг отказался от приглашения эмигрировать в США. Он увидел Гаудсмита снова лишь шесть лет спустя, когда Гаудсмит стал главным научным советником американской операции «Алсос» в конце Второй мировой войны. [31] [80] [81]
Немецкая программа ядерного оружия , известная как Uranverein , была сформирована 1 сентября 1939 года, в день начала Второй мировой войны в Европе. Heereswaffenamt (HWA, Армейское артиллерийское управление) вытеснило Reichsforschungsrat ( RFR, Имперский исследовательский совет) из Reichserziehungsministerium ( REM , Имперское министерство образования) и начало официальный немецкий ядерно-энергетический проект под военной эгидой. Первое заседание проекта состоялось 16 сентября 1939 года. Встреча была организована Куртом Дибнером , советником HWA, и прошла в Берлине. Среди приглашенных были Вальтер Боте , Зигфрид Флюгге , Ганс Гейгер , Отто Хан , Пауль Хартек , Герхард Хоффманн , Йозеф Маттаух и Георг Штеттер . Вскоре после этого состоялась вторая встреча, на которой присутствовали Гейзенберг, Клаус Клузиус , Роберт Дёпель и Карл Фридрих фон Вайцзеккер . Институт физики кайзера-Вильгельма (KWIP, Институт физики кайзера Вильгельма) в Берлине-Далеме был передан в ведение HWA, а Дибнер стал административным директором, и начался военный контроль над ядерными исследованиями. [82] [83] [84] В период, когда Дибнер управлял KWIP в рамках программы HWA, между Дибнером и ближайшим окружением Гейзенберга, в которое входили Карл Виртц и Карл Фридрих фон Вайцзеккер , развилась значительная личная и профессиональная враждебность . [31] [85]
На научной конференции 26–28 февраля 1942 года в Физическом институте кайзера Вильгельма, созванной Управлением вооружений армии, Гейзенберг прочитал перед рейхсскими чиновниками лекцию о получении энергии за счет ядерного деления. [86] Лекция, озаглавленная «Die theoretischen Grundlagen für die Energiegewinnung aus der Uranspaltung» («Теоретическая основа получения энергии при делении урана»), была, как признавался Гейзенберг после Второй мировой войны в письме Сэмюэлю Гаудсмиту , «адаптированной до интеллектуального уровня рейхсминистра». [87] Гейзенберг читал лекцию об огромном энергетическом потенциале ядерного деления, заявляя, что 250 миллионов электрон-вольт могут быть высвобождены в результате деления атомного ядра. Гейзенберг подчеркнул, что для осуществления цепной реакции необходимо получить чистый уран-235. Он исследовал различные способы получения изотопа.235
92ты
в чистом виде, включая обогащение урана и альтернативный послойный метод из нормального урана и замедлителя в машине. Эта машина, отметил он, может быть практически использована для заправки транспортных средств, кораблей и подводных лодок. Гейзенберг подчеркнул важность финансовой и материальной поддержки этого научного проекта со стороны Управления вооружений армии. Затем последовала вторая научная конференция. Прослушивались лекции по проблемам современной физики, имеющим решающее значение для национальной обороны и экономики. На конференции присутствовал Бернхард Руст , имперский министр науки, образования и национальной культуры. На конференции рейхсминистр Руст решил забрать ядерный проект у Общества кайзера Вильгельма. Имперский исследовательский совет должен был взяться за этот проект. [88] В апреле 1942 года армия вернула Физический институт Обществу кайзера Вильгельма, назначив Гейзенберга директором института. Получив это назначение в KWIP, Гейзенберг получил свою первую профессорскую должность. [62] Питер Дебай все еще был директором института, но уехал в отпуск в Соединенные Штаты после того, как отказался стать гражданином Германии, когда HWA взяло на себя административный контроль над KWIP. У Гейзенберга все еще был свой факультет физики в Лейпцигском университете, где для Уранферайна работали Роберт Дёпель и его жена Клара Дёпель . [31] [85]
4 июня 1942 года Гейзенберг был вызван для доклада Альберту Шпееру , министру вооружений Германии, о перспективах преобразования исследований Уранферайна в разработку ядерного оружия . В ходе встречи Гейзенберг сообщил Шпееру, что бомба не может быть построена ранее 1945 года, поскольку для этого потребуются значительные денежные средства и количество персонала. [89] [90]
После того, как проект Уранферайн был передан под руководство Рейхсского исследовательского совета, он сосредоточился на производстве ядерной энергии и, таким образом, сохранил свой статус kriegswichtig (важность для войны); поэтому финансирование продолжалось за счет военных. Проект атомной энергетики был разбит на следующие основные направления: производство урана и тяжелой воды , разделение изотопов урана и Уранмашина (урановая машина, т. е. ядерный реактор ). Затем проект был по сути разделен между несколькими институтами, директора которых доминировали в исследованиях и устанавливали свои собственные программы исследований. [82] [91] [92] Момент в 1942 году, когда армия отказалась от контроля над немецкой программой создания ядерного оружия, был зенитом проекта по количеству персонала. В программе работали около 70 ученых, из которых около 40 посвятили более половины своего времени исследованиям ядерного деления. После 1942 года число ученых, занимающихся прикладным ядерным делением, резко сократилось. Многие ученые, не работавшие с основными институтами, прекратили работу над ядерным делением и посвятили свои усилия более неотложной работе, связанной с войной. [93]
В сентябре 1942 года Гейзенберг представил свою первую статью из серии из трех частей о матрице рассеяния, или S-матрице , в физике элементарных частиц . Первые две статьи были опубликованы в 1943 г. [94] [95] , а третья — в 1944 г. [96] S-матрица описывала только состояния падающих частиц в процессе столкновения, состояния тех, кто выходит из столкновения, и стабильные состояния. связанные состояния ; не будет никакой ссылки на вмешивающиеся государства. Это был тот же прецедент, которому он последовал в 1925 году, что оказалось основой матричной формулировки квантовой механики, основанной только на использовании наблюдаемых. [31] [75]
В феврале 1943 года Гейзенберг был назначен заведующим кафедрой теоретической физики в Университете Фридриха Вильгельма (сегодня Берлинский университет Гумбольдта ). В апреле было одобрено его избрание в Preußische Akademie der Wissenschaften ( Прусская академия наук ). В том же месяце он перевез свою семью в их убежище в Урфельде, поскольку бомбардировки Берлина усилились. Летом по тем же причинам он отправил первых своих сотрудников из Института физики кайзера-Вильгельма в Хехинген и соседний с ним город Хайгерлох , на окраине Шварцвальда . С 18 по 26 октября он путешествовал по оккупированным немцами Нидерландам . В декабре 1943 года Гейзенберг посетил оккупированную немцами Польшу . [31] [97]
С 24 января по 4 февраля 1944 года Гейзенберг отправился в оккупированный Копенгаген после того, как немецкая армия конфисковала Институт теоретической физики Бора . В апреле он совершил короткую обратную поездку. В декабре Гейзенберг читал лекции в нейтральной Швейцарии . [31] Управление стратегических служб США отправило на лекцию агента Мо Берга с пистолетом, с приказом застрелить Гейзенберга, если его лекция покажет, что Германия близка к созданию атомной бомбы. [98]
В январе 1945 года Гейзенберг вместе с большей частью остальных сотрудников переехал из Института физики кайзера-Вильгельма в помещения в Шварцвальде. [31]
Миссия Алсос была попыткой союзников определить, есть ли у немцев программа создания атомной бомбы, и использовать немецкие атомные объекты, исследования, материальные ресурсы и научный персонал на благо США. Персонал, участвовавший в этой операции, обычно проникал в районы, которые только что перешли под контроль вооруженных сил союзников, но иногда они действовали в районах, все еще находящихся под контролем немецких войск. [99] [100] [101] В Берлине располагались многие немецкие научно-исследовательские центры. Чтобы ограничить потери и потери техники, многие из этих объектов в последние годы войны были рассредоточены по другим местам. Институт физики кайзера Вильгельма (KWIP, Институт физики кайзера Вильгельма) подвергся бомбардировке, поэтому в 1943 и 1944 годах его по большей части перевели в Хехинген и соседний с ним город Хайгерлох , на окраине Шварцвальда , который в конечном итоге стал включен во французскую оккупационную зону. Это позволило американской оперативной группе миссии Алсос взять под стражу большое количество немецких учёных, связанных с ядерными исследованиями. [102] [103]
30 марта миссия Алсос достигла Гейдельберга , [104] где были захвачены важные учёные, в том числе Вальтер Боте , Рихард Кун , Филипп Ленард и Вольфганг Гентнер . [105] Их допрос показал, что Отто Хан находился в своей лаборатории в Тайлфингене, а Гейзенберг и Макс фон Лауэ - в лаборатории Гейзенберга в Хехингене , и что экспериментальный реактор на природном уране, построенный командой Гейзенберга в Берлине, был перенесен в Хайгерлох. После этого основное внимание миссии Алсос было сосредоточено на этих ядерных объектах в районе Вюртемберга . [106] Гейзенберг был тайно вывезен из Урфельда 3 мая 1945 года в ходе альпийской операции на территории, все еще находившейся под контролем элитных немецких войск. Его доставили в Гейдельберг, где 5 мая он встретился с Гаудсмитом впервые после визита в Анн-Арбор в 1939 году. Германия капитулировала всего через два дня. Гейзенберг не увидит свою семью снова в течение восьми месяцев, так как 3 июля 1945 года его перевезли через Францию и Бельгию и вылетели самолетом в Англию .
Девять выдающихся немецких ученых, опубликовавших отчеты в «Отчетах о ядерно-физических исследованиях» в качестве членов Уранферайна [109], были захвачены в ходе операции «Алсос» и заключены в тюрьму в Англии в рамках операции «Эпсилон ». [110] Десять немецких ученых, в том числе Гейзенберг, содержались под стражей в Фарм-холле в Англии. Это учреждение было убежищем британской внешней разведки МИ-6 . Во время задержания их разговоры записывались. Разговоры, которые считались имеющими разведывательную ценность, были расшифрованы и переведены на английский язык. Стенограммы были опубликованы в 1992 году. [111] [112] 6 августа 1945 года ученые Фарм-Холла узнали из сообщений средств массовой информации, что США сбросили атомную бомбу на Хиросиму , Япония . Поначалу возникло недоверие к тому, что бомба была изготовлена и сброшена. В последующие недели немецкие ученые обсуждали, как Соединенные Штаты могли создать бомбу. [113]
Стенограммы Фарм-холла показывают, что Гейзенберг вместе с другими физиками, прошедшими стажировку в Фарм-холле, включая Отто Хана и Карла Фридриха фон Вайцзеккера , были рады, что союзники выиграли Вторую мировую войну. [114] Гейзенберг сказал другим учёным, что он никогда не рассматривал бомбу, а только атомную установку для производства энергии. Обсуждалась также мораль создания бомбы для нацистов . Лишь немногие ученые выразили искренний ужас перед перспективой появления ядерного оружия, а сам Гейзенберг был осторожен в обсуждении этого вопроса. [115] [116] По поводу провала немецкой программы создания атомной бомбы Гейзенберг заметил: «У нас не хватило бы морального мужества рекомендовать правительству весной 1942 года нанять 120 000 человек. просто для того, чтобы построить эту штуку». [117]
Когда в 1992 году расшифровки были рассекречены, немецкий физик Манфред Попп проанализировал расшифровки, а также документацию Уранферайна. Когда немецкие ученые услышали о бомбе на Хиросиму, Гейзенберг признался, что никогда раньше не рассчитывал критическую массу атомной бомбы. Когда он впоследствии попытался вычислить массу, он допустил серьезные ошибки в расчетах. Эдвард Теллер и Ганс Бете увидели стенограмму и пришли к выводу, что Гейзенберг сделал это впервые, поскольку допустил такие же ошибки, как и они. Всего неделю спустя Гейзенберг прочитал впечатляющую лекцию о физике бомбы. Он правильно признавал многие существенные аспекты, в том числе эффективность бомбы, хотя и недооценивал ее. Для Поппа это доказательство того, что Гейзенберг не тратил время на создание ядерного оружия во время войны; напротив, он избегал даже думать об этом. [118] [119]
3 января 1946 года десять задержанных в ходе операции «Эпсилон» были перевезены в Альсведе в Германии. Гейзенберг поселился в Геттингене, который находился в британской зоне оккупированной союзниками Германии . [120] Гейзенберг немедленно начал продвигать научные исследования в Германии. После ликвидации Общества кайзера Вильгельма Союзным контрольным советом и создания Общества Макса Планка в британской зоне, Гейзенберг стал директором Института физики Макса Планка . Макс фон Лауэ был назначен вице-директором, а Карл Виртц , Карл Фридрих фон Вайцзеккер и Людвиг Бирманн присоединились, чтобы помочь Гейзенбергу основать институт. Хайнц Биллинг присоединился к компании в 1950 году, чтобы способствовать развитию электронных вычислений . Основным направлением исследований института было космическое излучение . Каждую субботу утром институт проводил коллоквиум. [121]
Гейзенберг вместе с Германом Рейном сыграл важную роль в создании Forschungsrat (исследовательского совета). Гейзенберг планировал, что этот совет будет способствовать диалогу между недавно основанной Федеративной Республикой Германия и научным сообществом, базирующимся в Германии. [121] Гейзенберг был назначен президентом Forschungsrat . В 1951 году организация была объединена с Notgemeinschaft der Deutschen Wissenschaft (Чрезвычайная ассоциация немецкой науки) и в том же году переименована в Deutsche Forschungsgemeinschaft (Немецкий исследовательский фонд). После слияния Гейзенберг был назначен в президиум. [31]
В 1958 году Институт физики Макса Планка был перенесен в Мюнхен, расширен и переименован в Институт физики и астрофизики Макса Планка (MPIFA). Тем временем Гейзенберг и астрофизик Людвиг Бирманн были содиректорами MPIFA. Гейзенберг также стал ordentlicher профессором (ординарным профессором) в Мюнхенском университете Людвига-Максимилиана . Гейзенберг был единственным директором MPIFA с 1960 по 1970 год. Гейзенберг ушел в отставку с поста директора MPIFA 31 декабря 1970 года. [14] [31]
В 1951 году Гейзенберг согласился стать научным представителем Федеративной Республики Германия на конференции ЮНЕСКО с целью создания европейской лаборатории ядерной физики. Целью Гейзенберга было построить большой ускоритель частиц , используя ресурсы и технические навыки ученых всего Западного блока . 1 июля 1953 года Гейзенберг от имени Федеративной Республики Германия подписал конвенцию о создании ЦЕРН . Хотя его попросили стать научным директором-основателем ЦЕРН, он отказался. Вместо этого он был назначен председателем комитета по научной политике ЦЕРН и продолжил определять научную программу ЦЕРН. [122]
В декабре 1953 года Гейзенберг стал президентом Фонда Александра фон Гумбольдта . [122] За время его пребывания на посту президента 550 ученых Гумбольдта из 78 стран получили гранты на научные исследования. Гейзенберг ушел с поста президента незадолго до своей смерти. [123]
В 1946 году немецкий учёный Хайнц Позе , руководитель Лаборатории V в Обнинске , написал Гейзенбергу письмо с приглашением работать в СССР. В письме хвалились условия работы в СССР и имеющиеся ресурсы, а также благосклонное отношение Советов к немецким ученым. Курьер доставил Гейзенбергу письмо о наборе персонала от 18 июля 1946 года; Гейзенберг вежливо отказался. [124] [125] В 1947 году Гейзенберг читал лекции в Кембридже , Эдинбурге и Бристоле . Гейзенберг внес свой вклад в понимание явления сверхпроводимости , написав статью в 1947 году [126] и две статьи в 1948 году, [127] [128] одну из них с Максом фон Лауэ . [31] [129]
Вскоре после Второй мировой войны Гейзенберг ненадолго вернулся к теме своей докторской диссертации — турбулентности. Три статьи были опубликованы в 1948 году [130] [131] [132] и одна в 1950 году. [20] [133] В послевоенный период Гейзенберг продолжил свои интересы в области космических лучей, рассматривая множественное рождение мезонов . Он опубликовал три статьи [134] [135] [136] в 1949 году, две [137] [138] в 1952 году и одну [139] в 1955 году . [140]
В конце 1955 — начале 1956 года Гейзенберг читал Гиффордские лекции в Университете Сент-Эндрюс в Шотландии по интеллектуальной истории физики. Лекции позже были опубликованы под названием « Физика и философия: революция в современной науке ». [141] В 1956 и 1957 годах Гейзенберг был председателем Arbeitskreis Kernphysik (Рабочая группа по ядерной физике) Fachkommission II «Forschung und Nachwuchs» (Комиссия II «Исследования и рост») Немецкой атомной комиссии (DAtK, German Atomic Energy). Комиссия). Другими членами Рабочей группы по ядерной физике как в 1956, так и в 1957 году были: Вальтер Боте , Ганс Копферманн (заместитель председателя), Фриц Бопп , Вольфганг Гентнер , Отто Гаксель , Виллибальд Йентшке , Хайнц Майер-Лейбниц , Йозеф Маттаух , Вольфганг Рицлер , Вильгельм Вальхер и Карл Фридрих фон Вайцзеккер . Вольфганг Пауль также был членом группы в 1957 году .
В 1957 году Гейзенберг подписал Гёттингерский манифест , заняв публичную позицию против того, чтобы Федеративная Республика Германия вооружилась ядерным оружием . Гейзенберг, как и Паскуаль Джордан , думал, что политики проигнорируют это заявление ученых-ядерщиков. Но Гейзенберг считал, что Геттингерский манифест «окажет влияние на общественное мнение», которое политикам придется принять во внимание. Он писал Вальтеру Герлаху : «Нам, вероятно, придется еще долго возвращаться к этому вопросу публично из-за опасности ослабления общественного мнения». [143] В 1961 году Гейзенберг подписал Тюбингенский меморандум вместе с группой учёных, которых собрали Карл Фридрих фон Вайцзеккер и Людвиг Райзер . [144] Завязалась публичная дискуссия между учёными и политиками. [145] Когда видные политики, писатели и светские деятели присоединились к дебатам по ядерному оружию, подписавшие меморандум выступили против «постоянных интеллектуальных нонконформистов». [146]
С 1957 года Гейзенберг интересовался физикой плазмы и процессом ядерного синтеза . Он также сотрудничал с Международным институтом атомной физики в Женеве . Он был членом комитета по научной политике института и в течение нескольких лет был его председателем. [2] Он был одним из восьми сторон, подписавших Тюбингенский меморандум , который призывал к признанию линии Одер-Нейсе в качестве официальной границы между Германией и Польшей и выступал против возможного ядерного вооружения Западной Германии . [147]
В 1973 году Гейзенберг прочитал в Гарвардском университете лекцию об историческом развитии концепций квантовой теории . [148] 24 марта 1973 года Гейзенберг выступил с речью перед Католической академией Баварии, принимая премию Романо Гвардини. Английский перевод его речи был опубликован под названием «Научная и религиозная истина», цитата из которого приводится в следующем разделе этой статьи. [149]
Гейзенберг восхищался восточной философией и видел параллели между ней и квантовой механикой, заявляя, что он «полностью согласен» с книгой « Дао физики» . Гейзенберг даже зашел так далеко, что заявил, что после бесед с Рабиндранатом Тагором об индийской философии «некоторые идеи, казавшиеся такими безумными, внезапно обрели гораздо больше смысла». [150]
Что касается философии Людвига Витгенштейна , Гейзенберг не любил «Логико-философский трактат», но ему «очень нравились более поздние идеи Витгенштейна и его философия о языке». [151]
Гейзенберг, набожный христианин, [152] [153] писал: «Мы можем утешать себя тем, что добрый Господь Бог будет знать положение [субатомных] частиц и, таким образом, позволит принципу причинности продолжать иметь силу», в своей последнее письмо Альберту Эйнштейну. [154] Эйнштейн продолжал утверждать, что квантовая физика должна быть неполной, поскольку из нее следует, что Вселенная неопределенна на фундаментальном уровне. [155]
В лекциях, прочитанных в 1950-х годах и позже опубликованных в журнале « Физика и философия» , Гейзенберг утверждал, что научные достижения ведут к культурным конфликтам. Он заявил, что современная физика является «частью общего исторического процесса, который имеет тенденцию к объединению и расширению нашего нынешнего мира». [156]
Когда Гейзенберг получил премию Романо Гвардини в 1974 году, он произнес речь, которую позже опубликовал под названием « Научная и религиозная истина» . Он задумался:
В истории науки, начиная со знаменитого суда над Галилеем , неоднократно утверждалось, что научная истина не может примириться с религиозным пониманием мира. Хотя теперь я убежден, что научная истина неоспорима в своей области, я никогда не находил возможным отвергнуть содержание религиозного мышления как просто часть устаревшей фазы человеческого сознания, часть, от которой нам придется отказаться. сейчас на. Таким образом, в течение своей жизни мне неоднократно приходилось размышлять о соотношении этих двух областей мысли, ибо я никогда не был способен усомниться в реальности того, на что они указывают.
- Гейзенберг 1974, 213 [157]
Когда ему было под шестьдесят, Гейзенберг написал свою автобиографию для массового рынка. В 1969 году книга была опубликована в Германии, в начале 1971 года она была опубликована на английском языке, а в последующие годы – на ряде других языков. [158] Гейзенберг инициировал проект в 1966 году, когда его публичные лекции все чаще обращались к предметам философии и религии. Гейзенберг отправил рукопись учебника по единой теории поля в издательства «Hirzel Verlag» и «John Wiley & Sons» для публикации. Эта рукопись, как он написал одному из своих издателей, была подготовительной работой к его автобиографии. Он структурировал свою автобиографию по темам, охватывающим: 1) Цель точной науки, 2) Проблематика языка в атомной физике, 3) Абстракция в математике и науке, 4) Делимость материи или антиномия Канта, 5) Базовая симметрия. и ее обоснование, и 6) Наука и религия. [159]
Гейзенберг написал свои мемуары как цепочку бесед, охватывающих весь ход его жизни. Книга имела популярный успех, но историки науки сочли ее вызывающей беспокойство. В предисловии Гейзенберг писал, что он сократил исторические события, чтобы сделать их более краткими. На момент публикации он был рецензирован Полом Форманом в журнале Science с комментарием: «Теперь вот мемуары в форме рационально реконструированного диалога. А диалог, как хорошо знал Галилей, сам по себе является самым коварным литературным приемом: живой , развлекательный и особенно подходящий для высказывания своих мнений, избегая при этом ответственности за них». [160] Было опубликовано мало научных мемуаров, но Конрад Лоренц и Адольф Портманн написали популярные книги, которые донесли знания до широкой аудитории. Гейзенберг работал над своей автобиографией и опубликовал ее в издательстве Piper Verlag в Мюнхене. Гейзенберг первоначально предложил название Gespräche im Umkreis der Atomphysical ( Беседы по атомной физике ). В конечном итоге автобиография была опубликована под названием Der Teil und das Ganze ( «Часть и целое »). [161] Английский перевод 1971 года был опубликован под названием « Физика и за ее пределами : встречи и разговоры» .
Гейзенберг умер от рака почки в своем доме 1 февраля 1976 года. [162] На следующий вечер его коллеги и друзья прошли в память из Института физики к нему домой, зажгли свечу и поставили ее перед дверью. [163] Гейзенберг похоронен в мюнхенском Вальдфридхофе .
В 1980 году его вдова, Элизабет Гейзенберг, опубликовала «Политическую жизнь аполитичного человека» (de, Das politische Leben eines Unpolitischen ). В нем она охарактеризовала Гейзенберга как «в первую очередь спонтанного человека, затем блестящего ученого, затем высокоталантливого художника и только на четвертом месте из чувства долга, homo politicus». [164]
Гейзенберг был удостоен ряда наград: [2]
Следующие отчеты были опубликованы в Kernphysicalische Forschungsberichte ( Отчеты об исследованиях в области ядерной физики ), внутреннем издании немецкого Uranverein . Доклады имели гриф «Совершенно секретно» , имели очень ограниченное распространение, а авторам не разрешалось хранить копии. Отчеты были конфискованы в рамках операции союзников «Алсос» и отправлены в Комиссию по атомной энергии США для оценки. В 1971 году отчеты были рассекречены и возвращены в Германию. Отчеты доступны в Центре ядерных исследований Карлсруэ и Американском институте физики . [169] [170]
Фамилия Гейзенберга используется в качестве основного псевдонима Уолтера Уайта (которого играет Брайан Крэнстон ), главного героя криминального драматического сериала AMC « Во все тяжкие» , на протяжении всего превращения Уайта из школьного учителя химии в повара метамфетамина и наркобарона. В спин-оффе сериала-приквела «Лучше звоните Солу» немецкий персонаж по имени Вернер руководит строительством лаборатории метамфетамина, принадлежащей антагонисту Гасу Фрингу , в которой Уолт готовит большую часть «Во все тяжкие» .
Гейзенберг стал объектом убийства шпиона Мо Берга в фильме «Ловец был шпионом» , основанном на реальных событиях. Гейзенбергу также приписывают создание атомной бомбы, использованной странами Оси в сериале Amazon Prime TV, адаптации романа Филипа К. Дика «Человек в высоком замке » . Атомные бомбы в этой вселенной называются устройствами Гейзенберга.
Дэниел Крейг сыграл Гейзенберга в фильме 2002 года « Копенгаген » , экранизации одноименной пьесы Майкла Фрейна . Гейзенберг - тезка второстепенного антагониста Resident Evil Village Карла Гейзенберга. Исследования Гейзенберга по ферромагнетизму послужили источником вдохновения для создания магнитных способностей персонажа.
Маттиас Швайгёфер играет Гейзенберга в эпическом биографическом фильме 2023 года «Оппенгеймер» .
В телесериале «Звездный путь: Следующее поколение » «компенсатор Гейзенберга» является важным компонентом транспортной технологии, обеспечивающим целостность транспортируемой материи. Компенсатор противодействует эффектам прикладных характеристик, определенных в принципе неопределенности Гейзенберга. Чтобы точно изолировать вещество до его попадания в буфер транспортера, необходимо определить местонахождение всех частиц, наблюдать за их скоростью и отслеживать их; компенсаторы позволяют этому случиться
Сноски
Цитаты
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite journal}}: CS1 maint: постскриптум ( ссылка )
