Вернер Карл Гейзенберг ( / ˈ h aɪ z ən b ɜːr ɡ / ; [2] немецкий: [ˈvɛʁnɐ kaʁl ˈhaɪzn̩bɛʁk] ; 5 декабря 1901 г. – 1 февраля 1976 г.)[3]был немецкимфизиком-теоретиком, одним из главных пионеров теорииквантовой механикии ведущим ученым внацистской программе ядерного оружияво времяВторой мировой войны. Он опубликовал своюработуUmdeutungв 1925 году, крупную переосмысленную версиюстарой квантовой теории. В последующей серии работ сМаксом БорномиПаскуалем Йорданомв том же году егоматричная формулировкаквантовой механики была существенно развита. Он известенпринципом неопределенности, который он опубликовал в 1927 году. Гейзенберг был удостоенНобелевской премии по физике«за создание квантовой механики».[4][a]
Гейзенберг также внес вклад в теории гидродинамики турбулентных потоков , атомного ядра , ферромагнетизма , космических лучей и субатомных частиц . Он также сыграл важную роль в планировании первого западногерманского ядерного реактора в Карлсруэ , а также исследовательского реактора в Мюнхене в 1957 году.
После Второй мировой войны он был назначен директором Института физики кайзера Вильгельма , который вскоре был переименован в Институт физики Макса Планка . Он был директором института до его перевода в Мюнхен в 1958 году. Затем он стал директором Института физики и астрофизики Макса Планка с 1960 по 1970 год.
Гейзенберг также был президентом Германского исследовательского совета , [5] 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 [ 6] и его жены Анни Векляйн. Его отец был учителем классических языков в средней школе , который стал единственным в Германии профессором-ординариусом (ordinarius Professor) по средневековым и современным греческим исследованиям в университетской системе. [7]
Гейзенберг был воспитан и жил как лютеранин . [8] В позднем подростковом возрасте Гейзенберг прочитал «Тимей» Платона во время похода в Баварские Альпы. Он пересказывал философские беседы со своими однокурсниками и учителями о понимании атома во время получения научной подготовки в Мюнхене, Геттингене и Копенгагене. [9] Позже Гейзенберг заявил, что «мой разум был сформирован изучением философии, Платона и тому подобного» [10] и что «современная физика определенно решила 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». [11]
В 1919 году Гейзенберг прибыл в Мюнхен в качестве члена Фрайкора , чтобы сражаться с Баварской Советской Республикой, созданной годом ранее. Пять десятилетий спустя он вспоминал те дни как юношеское веселье, типа «играть в полицейских и грабителей и так далее; это было совсем не серьезно»; [12] его обязанности ограничивались «изъятием велосипедов или пишущих машинок из административных зданий «красных»» и охраной подозреваемых «красных» заключенных. [13]
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 Георга-Августа у Макса Борна и Джеймса Франка и математику у Давида Гильберта . Он получил докторскую степень в 1923 году в Мюнхене у Зоммерфельда.
В Геттингене под руководством Борна он завершил свою хабилитацию в 1924 году, защитив Habilitationsschrift (докторскую диссертацию) по аномальному эффекту Зеемана . [14] [3] [15] [16]
В июне 1922 года Зоммерфельд взял Гейзенберга в Гёттинген на фестиваль Бора , поскольку Зоммерфельд искренне интересовался его учениками и знал об интересе Гейзенберга к теориям Нильса Бора по атомной физике . На этом мероприятии Бор был приглашенным лектором и прочитал серию всесторонних лекций по квантовой атомной физике, и Гейзенберг впервые встретился с Бором, что оказало на него неизгладимое впечатление. [17] [18] [19]
Докторская диссертация Гейзенберга , тема которой была предложена Зоммерфельдом, была посвящена турбулентности ; [20] в диссертации обсуждались как устойчивость ламинарного течения , так и природа турбулентного течения . Проблема устойчивости была исследована с использованием уравнения Орра–Зоммерфельда , линейного дифференциального уравнения четвертого порядка для малых возмущений от ламинарного течения. Он ненадолго вернулся к этой теме после Второй мировой войны. [21]
В юности он был членом и руководителем скаутского движения « Neupfadfinder» , немецкой скаутской ассоциации и части Немецкого молодежного движения . [22] [23] [24] В августе 1923 года Роберт Хонселл и Гейзенберг организовали поездку в Финляндию с группой скаутов этой ассоциации из Мюнхена. [25]
Гейзенберг любил классическую музыку и был прекрасным пианистом. [3] Его интерес к музыке привел к знакомству со своей 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 « Малое прекрасно» . Гейзенберг женился на ней 29 апреля. В январе 1938 года родились близнецы Мария и Вольфганг, после чего Вольфганг Паули поздравил Гейзенберга с его «созданием пары» — игрой слов, обозначающей процесс из физики элементарных частиц, производство пар . За следующие 12 лет у них родилось еще пятеро детей: Барбара, Кристина, Йохен , Мартин и Верена. [26] [27] 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 Университете Вюрцбурга , а другой сын, Йохен Гейзенберг , стал профессором физики в Университете Нью-Гемпшира . [28]
С 1924 по 1927 год Гейзенберг был приват-доцентом в Гёттингене , что означало, что он имел право преподавать и проводить экзамены независимо, без кафедры. С 17 сентября 1924 года по 1 мая 1925 года, в рамках стипендии Международного совета по образованию Фонда Рокфеллера , Гейзенберг отправился на исследование к Нильсу Бору , директору Института теоретической физики в Копенгагенском университете . Его основополагающая работа « Über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen » («Квантовая теоретическая переинтерпретация кинематических и механических соотношений»), также называемая работой Umdeutung (переинтерпретации), была опубликована в сентябре 1925 года. [29] Он вернулся в Гёттинген и вместе с Максом Борном и Паскуалем Йорданом в течение примерно шести месяцев разработал формулировку квантовой механики в виде матричной механики . 1 мая 1926 года Гейзенберг приступил к работе в качестве преподавателя университета и помощника Бора в Копенгагене. Именно в Копенгагене в 1927 году Гейзенберг разработал свой принцип неопределенности , работая над математическими основами квантовой механики. 23 февраля Гейзенберг написал письмо своему коллеге-физику Вольфгангу Паули , в котором впервые описал свой новый принцип. [30] В своей статье о принципе [31] Гейзенберг использовал слово « Ungenauigkeit » (неточность), а не неопределенность, чтобы описать его. [3] [32] [33]
В 1927 году Гейзенберг был назначен ординарным профессором (professor ordinarius) теоретической физики и заведующим кафедрой физики в Лейпцигском университете ; свою вступительную лекцию он прочитал там 1 февраля 1928 года. В своей первой статье, опубликованной в Лейпциге, [34] Гейзенберг использовал принцип исключения Паули для решения тайны ферромагнетизма . [3] [15] [32] [35]
В 25 лет Гейзенберг получил звание самого молодого штатного профессора в Германии и профессорскую кафедру [36] Института теоретической физики Лейпцигского университета. Он читал лекции, которые посещали такие физики, как Эдвард Теллер и Роберт Оппенгеймер [36] , которые позже работали над Манхэттенским проектом [37] для Соединенных Штатов.
Во время пребывания Гейзенберга в Лейпциге, высокое качество докторантов, аспирантов и научных сотрудников, которые учились и работали с ним, очевидно из признания, которое многие из них получили 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 Зенер . [38]
В начале 1929 года Гейзенберг и Паули представили первую из двух статей, заложивших основу релятивистской квантовой теории поля . [39] Также в 1929 году Гейзенберг отправился в лекционный тур по Китаю, Японии, Индии и Соединенным Штатам. [32] [38] Весной 1929 года он был приглашенным лектором в Чикагском университете , где читал лекции по квантовой механике. [40]
В 1928 году британский физик-математик Поль Дирак вывел свое релятивистское волновое уравнение квантовой механики, которое подразумевало существование положительных электронов, позже названных позитронами . В 1932 году американский физик Карл Дэвид Андерсон , изучая фотографию космических лучей , сделанную в камере Вильсона , 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. Первая, «Bemerkungen zur Diracschen Theorie des Positrons» («Замечания о теории позитрона Дирака»), была опубликована в 1934 году [41], а вторая, «Folgerungen aus der Diracschen Theorie des Positrons» («Следствия теории позитрона Дирака»), была опубликована в 1936 году. [32] [42] [43] 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 подчиняется условиям квантования, включающим антикоммутаторы . Таким образом, переосмыслив его как (квантовое [ необходимо разъяснение ] ) уравнение поля, точно описывающее электроны, Гейзенберг поставил материю на одну доску с электромагнетизмом : как описываемую релятивистскими квантовыми уравнениями поля, которые допускали возможность создания и уничтожения частиц. ( Герман Вейль уже описывал это в письме Альберту Эйнштейну в 1929 году .)
Статья Гейзенберга Umdeutung , которая создала современную квантовую механику [44] [a], озадачила физиков и историков. Его методы предполагают, что читатель знаком с вычислениями вероятности перехода Крамерса -Гейзенберга. Основная новая идея, некоммутирующие матрицы , оправдана только отказом от ненаблюдаемых величин. Она вводит некоммутативное умножение матриц физическими рассуждениями, основанными на принципе соответствия , несмотря на то, что Гейзенберг тогда не был знаком с математической теорией матриц. Путь, ведущий к этим результатам, был реконструирован МакКинноном, [45] , а подробные вычисления разработаны Эйчисоном и соавторами. [46]
В Копенгагене Гейзенберг и Ганс Крамерс совместно работали над статьей о дисперсии, или рассеянии атомами излучения, длина волны которого больше длины 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 возникают в преобразовании Фурье классических орбит с острыми рядами , напротив, равномерно распределены. Но эти результаты можно объяснить с помощью полуклассической модели виртуального состояния : входящее излучение возбуждает валентный, или внешний, электрон в виртуальное состояние, из которого он распадается. В последующей статье Гейзенберг показал, что эта модель виртуального осциллятора может также объяснить поляризацию флуоресцентного излучения.
Эти два успеха и продолжающаяся неудача модели Бора-Зоммерфельда в объяснении выдающейся проблемы аномального эффекта Зеемана привели Гейзенберга к использованию модели виртуального осциллятора для попытки вычисления спектральных частот. Метод оказался слишком сложным для немедленного применения к реалистичным задачам, поэтому Гейзенберг обратился к более простому примеру — ангармоническому осциллятору .
Дипольный осциллятор состоит из простого гармонического осциллятора , 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 различными методами. Во-первых, он обработал систему методом виртуального осциллятора, вычислив переходы между уровнями, которые будут созданы внешним источником.
Затем он решил ту же проблему, рассматривая член ангармонического потенциала как возмущение гармонического осциллятора и используя методы возмущения , которые он и Борн разработали. Оба метода привели к одинаковым результатам для первого и очень сложного второго поправочного члена. Это наводило на мысль, что за очень сложными вычислениями лежит последовательная схема.
Итак, Гейзенберг решил сформулировать эти результаты без какой-либо явной зависимости от модели виртуального осциллятора. Для этого он заменил разложения Фурье для пространственных координат матрицами, матрицами, которые соответствовали коэффициентам перехода в методе виртуального осциллятора. Он обосновал эту замену апелляцией к принципу соответствия Бора и доктрине Паули о том, что квантовая механика должна быть ограничена наблюдаемыми.
9 июля Гейзенберг передал Борну эту статью для рецензирования и отправки для публикации. Когда Борн прочитал статью, он узнал в ней формулировку, которую можно было бы переписать и расширить на систематический язык матриц, [47] который он изучил во время своего обучения у Якоба Розанеса [48] в Университете Бреслау . Борн с помощью своего помощника и бывшего студента Паскуаля Джордана немедленно приступил к транскрипции и расширению, и они представили свои результаты для публикации; статья была получена для публикации всего через 60 дней после статьи Гейзенберга. [49] Последующая статья была представлена для публикации до конца года всеми тремя авторами. [50]
До этого времени матрицы редко использовались физиками; считалось, что они принадлежат к области чистой математики . Густав Ми использовал их в статье по электродинамике в 1912 году, а Борн использовал их в своей работе по решеточной теории кристаллов в 1921 году. Хотя матрицы использовались в этих случаях, алгебра матриц с их умножением не входила в картину, как это было в матричной формулировке квантовой механики. [51]
В 1928 году Альберт Эйнштейн выдвинул Гейзенберга, Борна и Джордана на Нобелевскую премию по физике . [52] Объявление о присуждении Нобелевской премии по физике за 1932 год было отложено до ноября 1933 года. [53] В то время было объявлено, что Гейзенберг получил премию за 1932 год «за создание квантовой механики, применение которой, в частности , привело к открытию аллотропных форм водорода ». [54] [55]
Развитие квантовой механики и, по-видимому, противоречивые импликации в отношении того, что «реально», имели глубокие философские импликации, включая то, что на самом деле означают научные наблюдения. В отличие от Альберта Эйнштейна и Луи де Бройля , которые были реалистами, считавшими, что частицы имеют объективно истинный импульс и положение во все времена (даже если и то, и другое нельзя было измерить), Гейзенберг был антиреалистом, утверждая, что прямое знание того, что «реально», выходит за рамки науки. [56] В своей книге «Концепция природы физиком» [57] Гейзенберг утверждал, что в конечном итоге мы можем говорить только о знании (числах в таблицах), которое описывает что-то о частицах, но мы никогда не сможем иметь никакого «истинного» доступа к самим частицам: [56]
Мы больше не можем говорить о поведении частицы независимо от процесса наблюдения. Как конечное следствие, естественные законы, сформулированные математически в квантовой теории, больше не имеют дело с самими элементарными частицами, а с нашими знаниями о них. Также больше невозможно спросить, существуют ли эти частицы в пространстве и времени объективно... Когда мы говорим о картине природы в точной науке нашего века, мы не столько имеем в виду картину природы, сколько картину наших отношений с природой . ...Наука больше не противостоит природе как объективный наблюдатель, но видит себя как актера в этом взаимодействии между человеком и природой. Научный метод анализа, объяснения и классификации осознал свои ограничения, которые возникают из того факта, что своим вмешательством наука изменяет и переделывает объект исследования. Другими словами, метод и объект больше не могут быть разделены. [56] [57]
Вскоре после открытия нейтрона Джеймсом Чедвиком в 1932 году Гейзенберг представил первую из трех статей [58] о своей нейтронно-протонной модели ядра . [32] [59] После прихода Адольфа Гитлера к власти в 1933 году Гейзенберг подвергся нападкам в прессе как «белый еврей» (т. е. ариец , ведущий себя как еврей). [60] Сторонники Deutsche Physik , или немецкой физики (также известной как арийская физика), начали яростные атаки на ведущих физиков-теоретиков, включая Арнольда Зоммерфельда и Гейзенберга. [32] С начала 1930-х годов антисемитское и антитеоретическое движение физики Deutsche Physik занималось квантовой механикой и теорией относительности . Применительно к университетской среде политические факторы имели приоритет над научными способностями, [61] хотя двумя наиболее выдающимися сторонниками этого подхода были лауреаты Нобелевской премии по физике Филипп Ленард [62] и Иоганнес Штарк . [63] [64]
Было много неудачных попыток назначить Гейзенберга профессором в ряде немецких университетов. Его попытка быть назначенным преемником Арнольда Зоммерфельда не удалась из-за противодействия движения Deutsche Physik . [65] 1 апреля 1935 года выдающийся физик-теоретик Зоммерфельд, научный руководитель Гейзенберга в Мюнхенском университете Людвига-Максимилиана , получил статус почетного профессора . Однако Зоммерфельд оставался на своем месте во время процесса выбора его преемника, который продолжался до 1 декабря 1939 года. Процесс был длительным из-за академических и политических разногласий между выбором Мюнхенского факультета и выбором Министерства образования Рейха и сторонников Deutsche Physik .
В 1935 году Мюнхенский факультет составил список кандидатов на место Зоммерфельда в качестве ординарного профессора теоретической физики и руководителя Института теоретической физики Мюнхенского университета. Все три кандидата были бывшими учениками Зоммерфельда: Гейзенберг, получивший Нобелевскую премию по физике ; Петер Дебай , получивший Нобелевскую премию по химии в 1936 году; и Рихард Беккер . Мюнхенский факультет твердо поддерживал этих кандидатов, и Гейзенберг был их первым выбором. Однако сторонники Deutsche Physik и элементов REM имели свой собственный список кандидатов, и битва затянулась более четырех лет. В это время Гейзенберг подвергся яростным нападкам со стороны сторонников Deutsche Physik . Одна из атак была опубликована в Das Schwarze Korps , газете СС , возглавляемой Генрихом Гиммлером . В ней Гейзенберг был назван «белым евреем», которого следует заставить «исчезнуть». [66] Эти атаки были восприняты серьезно, поскольку евреи подвергались жестоким нападениям и были заключены в тюрьму. Гейзенберг ответил редакционной статьей и письмом Гиммлеру, пытаясь разрешить вопрос и восстановить свою честь.
В какой-то момент мать Гейзенберга навестила мать Гиммлера. Эти две женщины знали друг друга, поскольку дед 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 , а другое Гейзенбергу, оба 21 июля 1938 года. В письме Гейдриху Гиммлер сказал, что Германия не может позволить себе потерять или заставить замолчать Гейзенберга, поскольку он будет полезен для обучения целого поколения ученых. Гейзенбергу Гиммлер сказал, что письмо пришло по рекомендации его семьи, и он предостерег Гейзенберга от проведения различия между результатами профессиональных исследований в области физики и личными и политическими взглядами вовлеченных ученых. [67]
Вильгельм Мюллер заменил Зоммерфельда в Мюнхенском университете Людвига-Максимилиана. Мюллер не был физиком-теоретиком, не публиковался в физическом журнале и не был членом Немецкого физического общества . Его назначение считалось пародией и наносящим ущерб образованию физиков-теоретиков. [67] [68] [69] [70] [71]
Трое исследователей, которые руководили расследованием СС Гейзенберга, имели физическую подготовку. Действительно, Гейзенберг принимал участие в докторском экзамене одного из них в Университете Лейпцига . Самым влиятельным из троих был Иоганнес Юильфс . Во время своего расследования они стали сторонниками Гейзенберга, а также его позиции против идеологической политики движения Deutsche Physik в теоретической физике и академических кругах. [72]
В середине 1936 года Гейзенберг представил свою теорию космических ливней в двух статьях. [73] В течение следующих двух лет появилось еще четыре статьи [74] [75] [76] [77] . [32] [78]
В декабре 1938 года немецкие химики Отто Ган и Фриц Штрассман отправили рукопись в The Natural Sciences, в которой сообщалось, что они обнаружили элемент барий после бомбардировки урана нейтронами, что привело Гана к выводу, что произошел взрыв ядра урана; [79] одновременно Ган сообщил эти результаты своей подруге Лизе Мейтнер , которая в июле того же года бежала сначала в Нидерланды, а затем в Швецию. [80] Мейтнер и ее племянник Отто Роберт Фриш правильно интерпретировали результаты Гана и Штрассмана как ядерное деление . [81] Фриш подтвердил это экспериментально 13 января 1939 года. [82]
В июне и июле 1939 года Гейзенберг отправился в Соединенные Штаты, чтобы посетить Сэмюэля Абрахама Гоудсмита в Мичиганском университете в Энн-Арборе . Однако Гейзенберг отклонил приглашение эмигрировать в Соединенные Штаты. Он не видел Гоудсмита снова до тех пор, пока шесть лет спустя, когда Гоудсмит был главным научным консультантом американской операции «Алсос» в конце Второй мировой войны. [32] [83] [84]
Немецкая программа ядерного оружия , известная как Uranverein , была сформирована 1 сентября 1939 года, в день начала Второй мировой войны в Европе. Heereswaffenamt (HWA, Управление вооружений армии) вытеснило Reichsforschungsrat (RFR, Совет по исследованиям Рейха) из Reichserziehungsministerium (REM, Министерство образования Рейха) и начало формальный немецкий проект по ядерной энергетике под военным покровительством. Первое заседание проекта состоялось 16 сентября 1939 года. Заседание было организовано Куртом Дибнером , советником HWA, и состоялось в Берлине. Среди приглашенных были Вальтер Боте , Зигфрид Флюгге , Ганс Гейгер , Отто Ган , Пауль Хартек , Герхард Хоффман , Йозеф Маттаух и Георг Штеттер . Вскоре после этого состоялась вторая встреча, в которой приняли участие Гейзенберг, Клаус Клузиус , Роберт Дёпель и Карл Фридрих фон Вайцзеккер . Институт физики кайзера Вильгельма (KWIP, Kaiser-Wilhelm Institut für Physik) в Берлин-Далеме был передан под управление HWA, а Дибнер стал административным директором, и начался военный контроль над ядерными исследованиями. [85] [86] [87] В период, когда Дибнер руководил KWIP в рамках программы HWA, между Дибнером и ближайшим окружением Гейзенберга, в которое входили Карл Виртц и Карл Фридрих фон Вайцзеккер , возникла значительная личная и профессиональная враждебность . [32] [88]
На научной конференции 26–28 февраля 1942 года в Институте физики кайзера Вильгельма, созванной Управлением вооружений армии, Гейзенберг прочитал лекцию рейхсминистру о получении энергии из ядерного деления. [89] Лекция под названием «Die theoretischen Grundlagen für die Energiegewinnung aus der Uranspaltung» («Теоретические основы получения энергии из деления урана») была, как писал Гейзенберг после Второй мировой войны в письме Самуэлю Гоудсмиту , «адаптирована к интеллектуальному уровню рейхсминистра», как это часто делается при представлении сложных и передовых научных концепций неспециалистам. [90] Гейзенберг прочитал лекцию об огромном энергетическом потенциале ядерного деления, заявив, что при делении атомного ядра может быть высвобождено 250 миллионов электрон-вольт. Гейзенберг подчеркнул, что для осуществления цепной реакции необходимо получить чистый U-235. Он исследовал различные способы получения изотопов235
92У
в чистом виде, включая обогащение урана и альтернативный метод слоев обычного урана и замедлителя в машине. Эта машина, как он отметил, может быть использована на практике для заправки транспортных средств, кораблей и подводных лодок. Гейзенберг подчеркнул важность финансовой и материальной поддержки этого научного начинания Управлением вооружений армии. Затем последовала вторая научная конференция. Были заслушаны лекции по проблемам современной физики, имеющим решающее значение для национальной обороны и экономики. На конференции присутствовал Бернхард Руст , рейхсминистр науки, образования и национальной культуры. На конференции рейхсминистр Руст решил забрать ядерный проект у Общества кайзера Вильгельма. Исследовательский совет Рейха должен был взяться за проект. [91] В апреле 1942 года армия вернула Физический институт Обществу кайзера Вильгельма, назначив Гейзенберга директором института. С этим назначением в KWIP Гейзенберг получил свою первую профессорскую должность. [65] Петер Дебай все еще был директором института, но уехал в отпуск в Соединенные Штаты после того, как отказался стать гражданином Германии, когда HWA взяла под свой административный контроль KWIP. У Гейзенберга все еще был свой физический факультет в Университете Лейпцига, где Роберт Дёпель и его жена Клара Дёпель работали для Uranverein . [32] [88]
4 июня 1942 года Гейзенберг был вызван для доклада Альберту Шпееру , министру вооружений Германии, о перспективах перевода исследований Uranverein на разработку ядерного оружия . Во время встречи Гейзенберг сказал Шпееру, что бомба не может быть создана до 1945 года, поскольку это потребует значительных денежных ресурсов и численности персонала. [92] [93]
После того, как проект Uranverein был передан под руководство Исследовательского совета Рейха, он сосредоточился на производстве ядерной энергии и, таким образом, сохранил свой статус kriegswichtig (важность для войны); финансирование, таким образом, продолжалось со стороны военных. Проект ядерной энергетики был разбит на следующие основные области: производство урана и тяжелой воды , разделение изотопов урана и Uranmaschine (урановая машина, т. е. ядерный реактор ). Затем проект был по сути разделен между несколькими институтами, где директора доминировали в исследованиях и устанавливали свои собственные исследовательские повестки дня. [85] [94] [95] Точка в 1942 году, когда армия отказалась от контроля над немецкой программой ядерного оружия, была зенитом проекта относительно численности персонала. Около 70 ученых работали над программой, причем около 40 из них посвящали более половины своего времени исследованиям ядерного деления. После 1942 года число ученых, работающих над прикладным ядерным делением, резко сократилось. Многие ученые, не работавшие с основными институтами, прекратили работу над ядерным делением и посвятили свои усилия более неотложным работам, связанным с войной. [96]
В сентябре 1942 года Гейзенберг представил свою первую статью из трехчастной серии по матрице рассеяния, или S-матрице , в физике элементарных частиц . Первые две статьи были опубликованы в 1943 году [97] [98] , а третья — в 1944 году. [99] S-матрица описывала только состояния падающих частиц в процессе столкновения, состояния тех, которые возникают в результате столкновения, и стабильные связанные состояния ; не было никаких ссылок на промежуточные состояния. Это был тот же прецедент, которому он следовал в 1925 году в том, что оказалось основой матричной формулировки квантовой механики посредством использования только наблюдаемых. [32] [78]
В феврале 1943 года Гейзенберг был назначен на кафедру теоретической физики в Университете Фридриха Вильгельма (сегодня Университет Гумбольдта в Берлине ). В апреле были утверждены его выборы в Прусскую академию наук ( Preußische Akademie der Wissenschaften ). В том же месяце он перевез свою семью в их убежище в Урфельде, поскольку бомбардировки Берлина союзниками усилились. Летом он отправил первых своих сотрудников из Института физики кайзера Вильгельма в Хехинген и соседний город Хайгерлох на окраине Шварцвальда по тем же причинам. С 18 по 26 октября он отправился в оккупированные немцами Нидерланды . В декабре 1943 года Гейзенберг посетил оккупированную немцами Польшу . [32] [100]
С 24 января по 4 февраля 1944 года Гейзенберг отправился в оккупированный Копенгаген после того, как немецкая армия конфисковала Институт теоретической физики Бора . Он совершил короткую обратную поездку в апреле. В декабре Гейзенберг читал лекции в нейтральной Швейцарии . [32] Управление стратегических служб США направило агента Мо Берга на лекцию с пистолетом и приказом застрелить Гейзенберга, если его лекция покажет, что Германия близка к завершению создания атомной бомбы. [101]
В январе 1945 года Гейзенберг вместе с большинством своих сотрудников переехал из Института физики кайзера Вильгельма в Шварцвальд. [32]
Миссия «Алсос» была попыткой союзников определить, была ли у немцев программа создания атомной бомбы, и использовать немецкие атомные объекты, исследования, материальные ресурсы и научный персонал на благо США. Персонал этой операции обычно проникал в районы, которые только что перешли под контроль союзных военных сил, но иногда они действовали в районах, все еще находящихся под контролем немецких войск. [102] [103] [104] Берлин был местом расположения многих немецких научно-исследовательских учреждений. Чтобы ограничить потери и потерю оборудования, многие из этих учреждений были рассредоточены по другим местам в последние годы войны. Институт физики кайзера Вильгельма (KWIP, Kaiser-Wilhelm-Institut für Physik) подвергся бомбардировке, поэтому в 1943 и 1944 годах его большую часть переместили в Хехинген и соседний город Хайгерлох на окраине Шварцвальда , который в конечном итоге оказался во французской оккупационной зоне. Это позволило американской оперативной группе миссии «Алсос» задержать большое количество немецких ученых, связанных с ядерными исследованиями. [105] [106]
30 марта миссия Алсос достигла Гейдельберга , [107] где были схвачены важные ученые, включая Вальтера Боте , Рихарда Куна , Филиппа Ленарда и Вольфганга Гентнера . [108] Их допрос показал, что Отто Ган находился в своей лаборатории в Тайльфингене, в то время как Гейзенберг и Макс фон Лауэ находились в лаборатории Гейзенберга в Хехингене , и что экспериментальный реактор на природном уране, который команда Гейзенберга построила в Берлине, был перевезен в Хайгерлох. После этого основное внимание миссии Алсос было сосредоточено на этих ядерных объектах в районе Вюртемберга . [37] 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 отвезли в Гейдельберг, где 5 мая он встретился с Гоудсмитом впервые после визита в Энн-Арбор в 1939 году. Германия капитулировала всего два дня спустя. Гейзенберг не видел свою семью в течение восьми месяцев, так как его перевезли через Францию и Бельгию и отправили в Англию 3 июля 1945 года. [109] [110] [103]
Девять выдающихся немецких ученых, опубликовавших отчеты в Nuclear Physics Research Reports в качестве членов Uranverein [111], были захвачены в ходе операции «Алсос» и заключены в тюрьму в Англии в рамках операции «Эпсилон» . [112] Десять немецких ученых, включая Гейзенберга, содержались в Фарм-Холле в Англии. Это учреждение было конспиративной квартирой британской внешней разведки МИ-6 . Во время их содержания под стражей их разговоры записывались. Разговоры, которые, как считалось, имели разведывательную ценность, были расшифрованы и переведены на английский язык. Стенограммы были опубликованы в 1992 году . [113] [114] 6 августа 1945 года ученые в Фарм-Холле узнали из сообщений СМИ, что США сбросили атомную бомбу на Хиросиму , Япония . Сначала возникло недоверие к тому, что бомба была создана и сброшена. В последующие недели немецкие ученые обсуждали, как Соединенные Штаты могли создать бомбу. [115]
Стенограммы Фарм -Холла показывают, что Гейзенберг, вместе с другими физиками, интернированными в Фарм-Холле, включая Отто Гана и Карла Фридриха фон Вайцзеккера , были рады, что союзники выиграли Вторую мировую войну. [116] Гейзенберг сказал другим ученым, что он никогда не думал о бомбе, а только об атомном котле для производства энергии. Также обсуждалась мораль создания бомбы для нацистов . Лишь немногие ученые выразили подлинный ужас перед перспективой ядерного оружия, и сам Гейзенберг был осторожен в обсуждении этого вопроса. [117] [118] О провале немецкой программы ядерного оружия по созданию атомной бомбы Гейзенберг заметил: «У нас не хватило бы морального мужества рекомендовать правительству весной 1942 года нанять 120 000 человек только для создания этой штуки». [119]
Когда в 1992 году стенограммы были рассекречены, немецкий физик Манфред Попп проанализировал стенограммы, а также документацию Uranverein. Когда немецкие ученые услышали о бомбе Хиросимы, Гейзенберг признался, что никогда раньше не вычислял 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 он допустил такие же ошибки, как и они. Всего через неделю Гейзенберг прочитал лекцию о физике бомбы. Он правильно распознал многие существенные аспекты, включая эффективность бомбы, хотя он все еще недооценивал ее. Для Поппа это доказательство того, что Гейзенберг не тратил время на ядерное оружие во время войны; напротив, он избегал даже думать об этом. [120] [121]
3 января 1946 года десять задержанных по операции «Эпсилон» были перевезены в Альсведе в Германии. Гейзенберг поселился в Гёттингене, который находился в британской зоне оккупированной союзниками Германии . [122] Гейзенберг немедленно начал содействовать научным исследованиям в Германии. После роспуска 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 заместителем директора, в то время как Карл Виртц , Карл Фридрих фон Вайцзеккер и Людвиг Бирман присоединились, чтобы помочь Гейзенбергу основать институт. Хайнц Биллинг присоединился в 1950 году, чтобы содействовать развитию электронных вычислений . Основным направлением исследований института была космическая радиация . Институт проводил коллоквиум каждую субботу утром. [123]
Гейзенберг вместе с Германом Рейном сыграл важную роль в создании Forschungsrat (исследовательского совета). Гейзенберг задумал этот совет для содействия диалогу между недавно созданной Федеративной Республикой Германия и научным сообществом, базирующимся в Германии. [123] Гейзенберг был назначен президентом Forschungsrat . В 1951 году организация была объединена с Notgemeinschaft der Deutschen Wissenschaft (Чрезвычайное объединение немецкой науки) и в том же году переименована в Deutsche Forschungsgemeinschaft (Немецкий исследовательский фонд). После слияния Гейзенберг был назначен в президиум. [32]
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. [15] [32]
В 1951 году Гейзенберг согласился стать научным представителем Федеративной Республики Германии 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 подписал конвенцию, которая учредила ЦЕРН от имени Федеративной Республики Германии. Хотя его попросили стать научным директором-основателем ЦЕРНа, он отказался. Вместо этого он был назначен председателем комитета по научной политике ЦЕРНа и продолжил определять научную программу в ЦЕРНе. [124]
В декабре 1953 года Гейзенберг стал президентом Фонда Александра фон Гумбольдта . [124] За время его пребывания на посту президента 550 ученых Гумбольдта из 78 стран получили научные исследовательские гранты. Гейзенберг ушел с поста президента незадолго до своей смерти. [125]
В 1946 году немецкий ученый Хайнц Позе , руководитель Лаборатории V в Обнинске , написал Гейзенбергу письмо с приглашением поработать в СССР. В письме хвалили условия работы в СССР и имеющиеся ресурсы, а также благоприятное отношение Советов к немецким ученым. Курьер доставил Гейзенбергу письмо о наборе, датированное 18 июля 1946 года; Гейзенберг вежливо отказался. [126] [127] В 1947 году Гейзенберг прочитал лекции в Кембридже , Эдинбурге и Бристоле . Гейзенберг внес вклад в понимание явления сверхпроводимости, написав статью в 1947 году [128] и две статьи в 1948 году, [129] [130] одну из них совместно с Максом фон Лауэ . [32] [131]
В период вскоре после Второй мировой войны Гейзенберг ненадолго вернулся к теме своей докторской диссертации, турбулентности. Три статьи были опубликованы в 1948 году [132] [133] [134] и одна в 1950 году. [21] [135] В послевоенный период Гейзенберг продолжил интересоваться ливнями космических лучей, рассматривая множественное рождение мезонов . Он опубликовал три статьи [136] [137] [138] в 1949 году, две [139] [140] в 1952 году и одну [141] в 1955 году. [142]
В конце 1955 — начале 1956 года Гейзенберг прочитал Гиффордовские лекции в Университете Сент-Эндрюс в Шотландии по интеллектуальной истории физики. Лекции были позже опубликованы под названием « Физика и философия: революция в современной науке » . [143] В 1956 и 1957 годах Гейзенберг был председателем Arbeitskreis Kernphysik (Рабочей группы по ядерной физике) Fachkommission II «Forschung und Nachwuchs» (Комиссия II «Исследования и рост») Deutsche Atomkommission (DAtK, Немецкая комиссия по атомной энергии). Other members of the Nuclear Physics Working Group in both 1956 and 1957 were: Walther Bothe , Hans Kopfermann (vice-chairman), Fritz Bopp , Wolfgang Gentner , Otto Haxel , Willibald Jentschke , Heinz Maier-Leibnitz , Josef Mattauch , Wolfgang Riezler , Wilhelm Walcher and Carl Friedrich von Weizsäcker . Вольфганг Пауль также был членом группы в 1957 году. [144]
В 1957 году Гейзенберг подписал Гёттингенский манифест , заняв публичную позицию против вооружения Федеративной Республики Германия ядерным оружием . Гейзенберг, как и Паскуаль Йордан , думал, что политики проигнорируют это заявление ученых-атомщиков. Но Гейзенберг считал, что Гёттингенский манифест «повлияет на общественное мнение», которое политикам придется учитывать. Он написал Вальтеру Герлаху : «Нам, вероятно, придется возвращаться к этому вопросу публично в течение длительного времени из-за опасности того, что общественное мнение ослабеет». [145] В 1961 году Гейзенберг подписал Тюбингенский меморандум вместе с группой ученых, которых объединили Карл Фридрих фон Вайцзеккер и Людвиг Райзер . [146] Последовала публичная дискуссия между учеными и политиками. [147] Поскольку видные политики, авторы и светские деятели присоединились к дебатам по ядерному оружию, подписавшие меморандум выступили против «постоянных интеллектуальных нонконформистов». [148]
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 председателем комитета. [3] Он был одним из восьми подписавших Меморандум Тюбингена , который призывал к признанию линии Одер-Нейсе в качестве официальной границы между Германией и Польшей и выступал против возможного ядерного вооружения Западной Германии . [149]
В 1973 году Гейзенберг прочитал лекцию в Гарвардском университете об историческом развитии концепций квантовой теории . [150] 24 марта 1973 года Гейзенберг выступил с речью перед Католической академией Баварии, приняв премию Романо Гуардини. Английский перевод его речи был опубликован под названием «Научная и религиозная истина», цитата из которой приводится в одном из последующих разделов этой статьи. [151]
Гейзенберг восхищался восточной философией и видел параллели между ней и квантовой механикой, описывая себя как человека, «полностью согласующегося» с книгой «Дао физики» . Гейзенберг даже зашел так далеко, чтобы заявить, что после бесед с Рабиндранатом Тагором об индийской философии «некоторые из идей, которые казались такими безумными, внезапно обрели гораздо больше смысла». [152] Относительно законов природы он заметил, что «концепция «закона природы» не может быть полностью объективной, поскольку слово «закон» является чисто человеческим принципом». [153]
Что касается философии Людвига Витгенштейна , Гейзенбергу не нравился «Логико-философский трактат» , но ему «очень нравились поздние идеи Витгенштейна и его философия о языке». [154]
Гейзенберг, набожный христианин, [155] [156] писал: «Мы можем утешаться тем, что добрый Господь Бог знает положение [субатомных] частиц, и поэтому Он позволит принципу причинности продолжать иметь силу», в своем последнем письме Альберту Эйнштейну. [157] Эйнштейн продолжал утверждать, что квантовая физика должна быть неполной, поскольку она подразумевает, что Вселенная неопределенна на фундаментальном уровне. [158]
В лекциях, прочитанных в 1950-х годах и позднее опубликованных как «Физика и философия» , Гейзенберг утверждал, что научные достижения ведут к культурным конфликтам. Он утверждал, что современная физика является «частью общего исторического процесса, который стремится к объединению и расширению нашего нынешнего мира». [159]
Когда Гейзенберг получил премию Романо Гуардини в 1974 году, он произнес речь, которую позже опубликовал под названием « Научная и религиозная истина» . Он размышлял:
В истории науки, начиная со знаменитого суда над Галилеем , неоднократно утверждалось, что научная истина не может быть согласована с религиозной интерпретацией мира. Хотя я теперь убежден, что научная истина неопровержима в своей собственной области, я никогда не считал возможным отвергнуть содержание религиозного мышления как просто часть устаревшей фазы в сознании человечества, часть, от которой нам придется отказаться отныне. Таким образом, в течение моей жизни я неоднократно был вынужден размышлять о взаимосвязи этих двух областей мысли, поскольку я никогда не мог усомниться в реальности того, на что они указывают.
— Гейзенберг 1974, 213 [160]
Гейзенберг называл природу «второй книгой Бога» (первой была Библия) и считал, что «Физика — это размышление о божественных идеях Творения; поэтому физика — это божественное служение». Это было потому, что «Бог создал мир в соответствии со своими идеями творения», и люди могут понимать мир, потому что «Человек был создан как духовный образ Бога». [161]
В конце шестидесятых 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. [162] Гейзенберг инициировал проект в 1966 году, когда его публичные лекции все больше обращались к предметам философии и религии. Гейзенберг отправил рукопись учебника по единой теории поля в Hirzel Verlag и John Wiley & Sons для публикации. Эта рукопись, как он написал одному из своих издателей, была подготовительной работой для 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) Основная симметрия и ее обоснование, и 6) Наука и религия. [163]
Гейзенберг написал свои мемуары как цепочку разговоров, охватывающих ход его жизни. Книга стала популярной, но историки науки считали ее проблемной. В предисловии Гейзенберг написал, что он сократил исторические события, чтобы сделать их более краткими. Во время публикации она была рецензирована Полом Форманом в журнале Science с комментарием «Вот мемуары в форме рационально реконструированного диалога. А диалог, как хорошо знал Галилей, сам по себе является самым коварным литературным приемом: живым, развлекательным и особенно подходящим для внушения мнений, при этом избегая ответственности за них». [164] Было опубликовано немного научных мемуаров, но Конрад Лоренц и Адольф Портманн написали популярные книги, которые доносили науку до широкой аудитории. Гейзенберг работал над своей автобиографией и опубликовал ее в Piper Verlag в Мюнхене. Первоначально Гейзенберг предложил название Gespräche im Umkreis der Atomphysik ( Беседы об атомной физике ). Автобиография была в конечном итоге опубликована под названием Der Teil und das Ganze ( Часть и целое ). [165] Английский перевод 1971 года был опубликован под названием Physics and Beyond : Encounters and Conversations .
Гейзенберг умер от рака почки у себя дома 1 февраля 1976 года. [166] На следующий вечер его коллеги и друзья пошли в его дом, чтобы почтить его память, зажгли свечу и поставили ее перед дверью. [167] Гейзенберг похоронен в Мюнхенском Вальдфридхофе . [168]
В 1980 году его вдова Элизабет Гейзенберг опубликовала книгу «Политическая жизнь аполитичного человека» (de, Das politische Leben eines Unpolitischen ). В ней она охарактеризовала Гейзенберга как «прежде всего, человека спонтанного, затем блестящего ученого, затем высокоталантливого художника и только в четвертое место, из чувства долга, homo politicus». [169]
Гейзенберг был удостоен ряда наград: [3]
Следующие отчеты были опубликованы в Kernphysikalische Forschungsberichte ( Отчеты об исследованиях в области ядерной физики ), внутреннем издании немецкого Uranverein . Отчеты были классифицированы как «совершенно секретные» , они имели очень ограниченное распространение, и 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 . [174] [175]
Фамилия Гейзенберга используется в качестве основного псевдонима для Уолтера Уайта (которого играет Брайан Крэнстон ), главного героя криминального драматического сериала AMC «Во все тяжкие» , на протяжении всей трансформации Уайта из учителя химии в старшей школе в варщика метамфетамина и наркобарона. В спин-офф-приквеле сериала « Лучше звоните Солу » немецкий персонаж по имени Вернер руководит строительством лаборатории по производству метамфетамина, принадлежащей антагонисту Гасу Фрингу , в которой Уолт готовит на протяжении большей части сериала «Во все тяжкие» .
Гейзенберг был целью убийства шпионом Мо Бергом в фильме « Над пропастью во ржи» (The Catcher Was a Spy) , основанном на реальных событиях. Гейзенбергу также приписывают создание атомной бомбы, используемой странами Оси в сериале Amazon TV, экранизации 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 пьесы Михаэля Фрейна . Маттиас Швайгхёфер сыграл Гейзенберга в биографическом фильме 2023 года «Оппенгеймер» .
Гейзенберг — тезка Карла Гейзенберга, второстепенного антагониста Resident Evil Village . Исследования Гейзенберга в области ферромагнетизма послужили вдохновением для магнитных способностей персонажа.
В телесериале « Звездный путь: Следующее поколение » «компенсатор Гейзенберга» является важнейшим компонентом технологии транспортера , обеспечивающим целостность транспортируемой материи. Компенсатор противодействует эффектам применяемых характеристик, определенных в принципе неопределенности Гейзенберга. Чтобы точно изолировать материю до ее попадания в буфер транспортера, все частицы должны быть локализованы, их скорость должна быть обнаружена и отслежена; компенсаторы позволяют это сделать.
Сноски
Цитаты
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite journal}}: CS1 maint: постскриптум ( ссылка )
Медиа из Commons
Цитаты из Викицитатника