Наука и технологии 4 Декабря 2019

Жизнь и неопределенность

Пятого декабря 1901 года родился великий физик Вернер Гейзенберг, жизнь которого отразила все перипетии науки и политики ХХ века
Жизнь и неопределенность
Вернер Карл Гейзенберг — немецкий физик-теоретик, один из создателей квантовой механики, лауреат Нобелевской премии по физике (1932)
guff.com

В начале XX века пребывание в Германии было обязательным для любого начинающего физика. Одним из немецких физиков, прославившихся как наставник целого поколения выдающихся учеников, был Арнольд Зоммерфельд. Летом 1922 года, вскоре после того, как молодой Вернер Гейзенберг перешел под его опеку, Зоммерфельд написал Полу Эпштейну, своему бывшему студенту, ставшему впоследствии профессором теоретической физики в Калифорнийском технологическом институте: «Я ожидаю огромных достижений Гейзенберга, который, по моему мнению, является самым одаренным из всех моих учеников, включая Дебая и Паули». Всего через десять лет Гейзенберг был удостоен Нобелевской премии по физике за «создание квантовой механики». Нобелевский комитет суммировал заслуги Гейзенберга всего в трех словах.

Но о Гейзенберге как человеке спорят до сих пор. Некоторые историки ставят под серьезное сомнение моральные качества ученого из-за его участия в нацистском атомном проекте. Хотя есть и другая точка зрения: именно его участие не дало этому проекту реализоваться.

Но разве не сам Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности, которые некоторые историки считают метафорой его жизни?

ГАЙЗ МОЛОДОСТЬ.png
Гейзенберг (справа) в школьные годы
springer.com

 

Следопыт

Вернер Карл Гейзенберг родился 5 декабря 1901 года в Вюрцбурге, в Северной Баварии. Когда ему было девять лет, семья переехала в Мюнхен. Именно там он впоследствии примкнул в молодежной группе под названием Pfadfinder («Следопыт»), которая на многие годы во многом определила его взгляды на жизнь, мораль и политику. По мнению историков, национализм положительно оценивался большинством членов группы, хотя и не был обязательным для «следопыта». А в семнадцать лет Гейзенберг стал лидером одной из групп «следопытов». Весной 1919 года она активно участвовала в операциях против мюнхенской Советской Республики — это была недолгая попытка установления коммунистического режима в Баварии после революционных потрясений конца Первой мировой войны.

magnifier.png «Я ожидаю огромных достижений Гейзенберга, который, по моему мнению, является самым одаренным из всех моих учеников, включая Дебая и Паули»

«Я никогда не думал, что смогу интересоваться политикой, — писал Гейзенберг другу-“следопыту” в 1923 году, — потому что мне казалось, что это чисто денежный бизнес». И Гейзенберг поддерживал отношения с членами своей группы даже после того, как в 1925 году он опубликовал свою знаменитую работу по квантовой механике. Они продолжали встречаться раз в неделю в его доме. А по выходным отправлялись в походы в Альпы или на озеро близ Мюнхена, где занимались спортом. У Гейзенберга, по воспоминаниям его окружения, было мало друзей или даже знакомых вне этого молодежного движения.

 

«Может быть, вы что-то знаете»

Отец Вернера, профессор средневековой и современной греческой филологии, ратовал за разностороннее образование. В 1911 году Вернер поступил в Максимилиановскую гимназию, где больше всего его привлекла математика и иностранные языки, в том числе санскрит. Отец во всем поддерживал его. Когда через два года Вернер заинтересовался дифференциальным исчислением и попросил отца принести ему книги по математике из университетской библиотеки, тот принес ему трактат Кронекера на латинском языке. Изучение математики и языка шло параллельно.

Когда в октябре 1920 года Гейзенберг поступил в Мюнхенский университет, физика не была его первым выбором. Будучи блестяще успешным в средней школе, он намеревался изучать математику. Отец Гейзенберга договорился о встрече с известным математиком Фердинандом фон Линдеманном. Но беседа не прошла гладко. Линдеманну тогда было шестьдесят восемь лет, он был частично глух и едва понимал, что говорил Гейзенберг. И из того, что он понял, он заключил, что неортодоксальный подход молодого человека к математике ему не по вкусу.

magnifier.png Когда Вернер заинтересовался дифференциальным исчислением и попросил отца принести ему книги, тот принес ему трактат Кронекера на латинском языке. Изучение математики и языка шло параллельно

После этого отец Гейзенберга обратился к физику Арнольду Зоммерфельду. Имея опыт общения с исключительными студентами, Зоммерфельд, которому тогда было пятьдесят два года, ответил иначе: «Может быть, вы что-то знаете; может быть, вы ничего не знаете. Посмотрим».

У Зоммерфельда Гейзенберг познакомился с близкими по духу студентами, одним из которых был двадцатилетний Вольфганг Паули. Имена учеников Зоммерфельда читаются как выдержка из книги о знаменитых физиках-теоретиках. Вот лишь некоторые из них: Альфред Ланде, Петер Пауль Эвальд, Карл Герцфельд, Грегор Вентцель, Отто Лапорт, Адольф Кратцер, Вильгельм Ленц.

В то время Зоммерфельд был уже глубоко погружен в атомную теорию. В 1915 году он расширил атомную модель Бора, а год спустя опубликовал работу по атомным спектрам, которая была проверена спектроскопистом Фридрихом Пашеном — Зоммерфельд интенсивно переписывался с ним во время Первой мировой войны. Его работа «Строение атома и спектры», впервые опубликованная в 1919 году, была переиздана четыре раза.

Зоммерфельд вскоре оценил таланты своего нового ученика. В 1922 году он сделал 21-летнего Гейзенберга соавтором двух работ — по атомной теории рентгеновских спектров и по так называемому аномальному эффекту Зеемана.

В 1921 году Зоммерфельд согласился с тем, что Гейзенберг может сам опубликовать статью об аномальном эффекте Зеемана, хотя он скептически относился к физической основе теории Гейзенберга. «Его модель Зеемана обычно встречает противодействие, особенно у Бора», — писал Зоммерфельд в письме Эпштейну. «Но я нахожу его успех настолько огромным, что я отозвал все свои оговорки».

ГАЙЗ ФЕРМИ ГАЙЗ ПАУЛИ.png
Будущие Нобелевские лауреаты по физике Энрико Ферми (1938 г.), Вернер Гейзенберг (1932 г.) и Вольфганг Паули (1945 г.)
researchgate.net

 

На пути к квантовой механике

Летом 1922 года Гейзенберг впервые встретился с Нильсом Бором и столкнулся с его неортодоксальными представлениями об атомах. Встреча состоялась во время недели лекций Бора в Геттингене — «Боровского фестиваля», как его стали называть, — и превратила Гейзенберга в известную фигуру в небольшом сообществе атомных теоретиков.

Но Гейзенберг пока не специализировался на атомной теории, и его новая публикация была посвящена проблемам гидродинамики, таким как переход от ламинарного течения к турбулентности. И докторская диссертация Гейзенберга была посвящена потоку жидкости, а не атомной физике.

Прежде чем Гейзенберг закончил учебу в Мюнхене в 1923 году, он провел шесть месяцев в Институте Макса Борна в Геттингенском университете. Борн только что начал серьезную исследовательскую программу в попытке решить проблемы многих тел в атомах по аналогии с проблемами классической механики. Это исследование послужило началом сотрудничества между Гейзенбергом и Борном по теории атома гелия. Борн также предложил Гейзенбергу приехать в Геттинген в качестве его помощника после окончания учебы в Мюнхене. Но докторский экзамен Гейзенберга едва не привел к катастрофе. Он не мог ответить на вопросы экспериментатора Вильгельма Вина о разрешающей способности оптических приборов и о том, как работает аккумуляторная батарея. Вин пропустил его только потому, что Зоммерфельд энергично защищал своего ученика.

magnifier.png Докторский экзамен Гейзенберга едва не привел к катастрофе. Он не мог ответить на вопросы экспериментатора Вильгельма Вина о разрешающей способности оптических приборов и о том, как работает аккумуляторная батарея

Как пишут историки, после этого события Гейзенберг был рад сбежать в Геттинген, где он полностью сосредоточился на квантовой физике. Он и Вольфганг Паули стали ассистентами Макса Борна. Борн писал о Гейзенберге: «Он был похож на простого крестьянского парня, с короткими светлыми волосами, ясными живыми глазами и чарующим выражением лица. Он выполнял свои обязанности ассистента более серьезно, чем Паули, и оказывал мне большую помощь. Его непостижимая быстрота и острота понимания всегда позволяли ему проделывать колоссальное количество работы без особых усилий».

В сентябре 1924 года Гейзенберг уехал из Геттингена в Копенгаген, куда Нильс Бор пригласил его в качестве научного сотрудника. Знаменитый датчанин во многом повлиял на взгляды Гейзенберга и его подходы к решению научных проблем. «У Зоммерфельда я научился оптимизму, у геттингенцев — математике, а у Бора — физике», — писал он.

В 1925 году, в возрасте 23 лет, Вернер создал новую квантовую механику, для чего ему пришлось разработать новый, как он думал, математический аппарат. Она была независима от классической физики и стала вехой в квантовой научной революции.

Гейзенберг получил решение этой задачи в июне 1925 года на острове Гельголанд, где он выздоравливал от приступа сенной лихорадки. Вернувшись в Геттинген, он описал свои результаты в статье «О квантово-теоретическом истолковании кинематических и механических соотношений» и послал ее Вольфгангу Паули. Заручившись его одобрением, Гейзенберг передал работу Борну для опубликования в журнале Zeitschrift für Physik. Вскоре Борн осознал, что «новый аппарат» — это матрицы и действия с ними, просто Гейзенберг не знал высшей алгебры. Новая теория стала известна как «матричная механика».

ГЕЙЗ ДИРАК.png
Поль Адриен Морис Дирак  — английский физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии по физике 1933 года (совместно с Эрвином Шрёдингером)
artyushenkooleg.ru

 

Принцип неопределенности

Тем временем Поль Дирак, совершенно независимо от Геттингенской группы, представил квантовую механику на новом языке операторов. В Цюрихе Эрвин Шредингер применил другой подход и в 1926 году разработал волновую механику — другую форму квантовой механики, которая оказалась, как показал Шредингер, эквивалентной матричному методу.

Но Гейзенберг и другие приверженцы матричной механики сразу же начали борьбу в защиту своей концепции, причем с обеих сторон она принимала все более эмоциональную окраску. Ни одна из сторон не желала пойти на уступки, что означало бы признание профессионального превосходства противников. Сама суть и будущее направление развития квантовой механики стали предметом спора в научном мире.

По крайней мере три события, случившиеся в 1926 году, вызвали у Гейзенберга ощущение пропасти между его идеями и точкой зрения Шредингера. Первое из них — цикл лекций, прочитанный Шредингером в Мюнхене в конце июля и посвященный его новой физике. На этих лекциях молодой Гейзенберг доказывал переполненной аудитории, что теория Шредингера не объясняет некоторых явлений. Однако он не сумел никого убедить и покинул аудиторию в подавленном состоянии. Затем на осенней конференции немецких ученых и врачей Гейзенберг стал свидетелем полной и ошибочной, с его точки зрения, поддержки идей Шредингера.

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

А в феврале 1927 года Гейзенберг неожиданно дал нужную интерпретацию квантовой теории в статье «О квантово-теоретическом истолковании кинематических и механических соотношений», посвященной принципу неопределенности.

Согласно принципу неопределенности, одновременное измерение двух так называемых сопряженных переменных, таких как положение (координата) и импульс движущейся частицы, неизбежно приводит к ограничению точности. Чем более точно измерено положение частицы, тем с меньшей точностью можно измерить ее импульс, и наоборот. В предельном случае абсолютно точное определение одной из переменных ведет к полному отсутствию точности при измерении другой.

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

Гейзенбергу удалось сделать Лейпциг новым центром современной теоретической физики вместе с другим учеником Зоммерфельда — Питером Дебаем, который занимал кафедру экспериментальной физики, и Фридрихом Хундом, который стал экстраординарным профессором теоретической физики в 1929 году.

К началу 1930-х новое поколение теоретиков, таких как Феликс Блох, Рудольф Пайерльс, Эдвард Теллер, Виктор Вайскопф, Карл Фридрих фон Вайцзеккер, широко распространило идеи «школы Гейзенберга». В Лейпциг съехались студенты и научные сотрудники со всего мира, в том числе Этторе Майорана из Италии, Ласло Тиса из Венгрии, Сейси Кикути, Синъитиро Томонага и Сатоси Ватанабэ из Японии. Многие из них заработали свои первые академические лавры под руководством Гейзенберга, применив квантовую механику к физике твердого тела.

ГЕЙЗ ПЛАНК.png
После визита к Гитлеру Планк убедил Гейзенберга, что физическая профессия будет лучше защищена тихими усилиями за кулисами, чем открытым протестом
dhm.de

 

Новый порядок

«Жаль, — писал Гейзенберг Зоммерфельду в феврале 1938 года, — что в то время, когда физика делает такие замечательные успехи и приятно вносить свой вклад в ее дальнейшее развитие, человек снова и снова оказывается втянутым в политику». После прихода Гитлера к власти в 1933 году быть в стороне от политики было уже невозможно. Хотя Гейзенберг, как и многие немцы, вероятно, относился к националистическому рвению Гитлера с некоторой симпатией, он был потрясен грубостью режима, когда дело доходило до практических мер, таких как чистка неарийских коллег из университетов.

В этой ситуации Гейзенберг обратился за советом к великому старцу немецкой науки Максу Планку. Планк убедил его, что физическая профессия будет лучше защищена тихими усилиями за кулисами, чем открытым протестом. «Планк говорил — и я думаю, что могу передать это вам, — писал Гейзенберг еврею Борну в июне 1933 года после визита Планка к Гитлеру, — что он получил заверение, что ничего не будет предпринято, кроме нового закона “О государственной службе”, что может препятствовать нашей науке».

Хотя Борн не был официально уволен, он покинул Геттинген и был готов эмигрировать. Даже если бы ему разрешили остаться из-за особого положения, которое освобождало от увольнения евреев, служивших в Первую мировую войну, Борн не видел будущего для своих детей в Германии. «Я хотел бы попросить вас пока не принимать никаких решений, — посоветовал Гейзенберг своему бывшему наставнику, — а подождать и посмотреть, как будет выглядеть наша страна осенью. Борн проигнорировал просьбу Гейзенберга и эмигрировал в Великобританию, где пробыл семнадцать лет, прежде чем вернуться в Германию в 1953 году.

Эта стратегия «поживем — увидим» стала характерной чертой реакции Гейзенберга на политику. В 1935 году он вплотную подошел к открытому протесту против нацистских властей, когда коллеги с Лейпцигского философского факультета были уволены во время второй волны чисток, а другие были встревожены и выразили свое неодобрение на заседании факультета. Единственным следствием этой фронды был формальный выговор для несогласных со стороны регионального главы Рейха; увольнения оставались в силе.

magnifier.png Гейзенберг был доведен до отчаяния в ходе этой борьбы. Используя личные контакты между своей семьей и семьей Генриха Гиммлера, он добивался от нацистов заверений в том, что их официальное мнение о нем не совпадает с тем, которое было выражено в ходе кампании, развернутой против него

И Гейзенберг снова отступил. В письме к матери осенью 1935 года он писал: «Я должен быть удовлетворен тем, что наблюдаю в науке те ценности, которые должны стать важными для будущего. Это единственное, что мне остается делать в этом общем хаосе. Мир снаружи действительно уродлив, но работа прекрасна».

Но укрыться от политики оказалось невозможно. Когда в 1935 году Зоммерфельд достиг пенсионного возраста, Гейзенберг был очевидным кандидатом на его место в Мюнхене. Но нацистская идеология теперь бушевала и в физике: Йоханнес Старк и Филипп Ленард, оба лауреаты Нобелевской премии, характеризовали современные теории, такие как теория относительности и квантовая механика, как «еврейскую физику». Старк публично жаловался, что, хотя Эйнштейн уехал из Германии в Америку, в стране все еще были физики, действующие в духе Эйнштейна. Более того, он заявил, что «теоретический формалист Гейзенберг, последователь Эйнштейна, теперь даже должен быть вознагражден вызовом на кафедру». Это было началом кампании против Гейзенберга и Зоммерфельда, которая закончилась в 1939 году, когда преемником Зоммерфельда был назначен Вильгельм Мюллер, который был заклеймен Зоммерфельдом как «полный идиот».

Гейзенберг был доведен до отчаяния в ходе этой борьбы. Используя личные контакты между своей семьей и семьей Генриха Гиммлера, он добивался от нацистов заверений в том, что их официальное мнение о нем не совпадает с тем, которое было выражено в ходе кампании, развернутой против него. Он даже подумывал об эмиграции, поскольку расследование его дела, казалось, длилось вечно.

За кулисами режима дело Гейзенберга и позиция нацистского режима в отношении физики в целом по-разному оценивались различными группами. Силовой отряд Гиммлера — СС — наконец поддержал Гейзенберга и современную теоретическую физику по прагматическим соображениям, в то время как партийные лидеры и представители нацистских университетов делали упор на идеологию, а не на полезность. Хотя фанатики среди физиков, которых часто называли одной группой под названием Deutsche Physik, преуспели в том, чтобы помешать Гейзенбергу стать преемником Зоммерфельда, но с началом Второй мировой войны нацистский режим оценил возможное использование физики выше, чем идеологию.

ГЕЙЗ КУБ.png
Один из 664 кубов урана, с помощью которых Вернер Гейзенберг и его команда хотели запустить немецкий ядерный реактор весной 1945 года
Maryland Univercity

 

Гейзенберг и бомба

После начала Второй мировой войны нацистское правительство поручило Гейзенбергу научное руководство Институтом физики имени кайзера Вильгельма в Берлине, вместе с Отто Ганом. Институт находился в ведении армейского управления боеприпасов из-за его центральной роли в координации секретного уранового проекта. Вместе с другими учеными-ядерщиками, называвшими себя «урановым клубом», Гейзенберг начал исследовать возможное использование в военное время открытого Ганом ядерного распада. В частности, ядерные реакторы для подлодок и возможность создания новой бомбы, которая «на несколько порядков превосходит взрывную мощь сильнейших взрывчатых веществ», как утверждал Гейзенберг в своем раннем докладе в декабре 1939 года.

По сей день физики и историки физики спорят о мотивах Гейзенберга и его роли в этой работе.

magnifier.png Марк Уокер, автор исследований по истории ядерных исследований в Германии времен Второй мировой войны утверждает, что не отношение Гейзенберга к проекту определило ход проекта атомной бомбы, а то, что армейское управление боеприпасов потеряло к нему интерес в 1942 году

Согласно одной из версий, отстаиваемой отдельно журналистами Робертом Юнгом и Томасом Пауэрсом, Гейзенберг намеренно задерживал продвижение проекта, поскольку ему претила мысль об атомной бомбе в руках Гитлера. Но историк Пол Роуз придерживается противоположной точки зрения. Он считает, что Гейзенберг упорно пытался построить атомную бомбу, но потерпел неудачу. Собственная версия Гейзенберга состояла в том, что он и другие ученые из «уранового клуба» были избавлены от этого решения, потому что они не добились достаточного прогресса из-за обстоятельств войны.

Марк Уокер, автор исследований по истории ядерных исследований в Германии времен Второй мировой войны, утверждает, что не отношение Гейзенберга к проекту определило ход проекта атомной бомбы, а то, что армейское управление боеприпасов потеряло к нему интерес в 1942 году, потому что проект не мог дать результатов достаточно скоро, чтобы повлиять на исход войны.


 


После войны

После окончания войны ученый был арестован и отправлен в Англию, но вскоре, в 1946 году, ему разрешили вернуться на родину. Гейзенберг давал различные объяснения своим действиям, которые еще больше способствовали падению его репутации за границей.

Он становится директором Физического института и профессором Геттингенского университета. С 1958 года Гейзенберг был директором Физического университета, а также профессором Мюнхенского университета.

На эти годы приходятся его активные поиски универсального единого описания всех видов материи. Это была грандиозная программа, хотя надо признать, что Гейзенбергу не удалось ее реализовать.

С юных лет проникнутый идеями античной философии, особенно идеями Платона, Гейзенберг пытался найти такое всеохватывающее уравнение, которое бы относилось к «праматерии», частными проявлениями которой и являются, по мысли Гейзенберга, все наблюдаемые частицы. Одну из центральных ролей играли (опять-таки как отражение идей Платона) соображения симметрии, как они понимаются в математике.

Отмеченная многочисленными национальными и международными наградами деятельность Гейзенберга не ограничивалась теоретической физикой. Его перу принадлежат и труды по философии, которой он всегда уделял большое внимание.

Вернер Гейзенберг скончался 1 февраля 1976 года в Мюнхене. Похоронен на кладбище Вальдфридхоф.

Еще по теме:
25.12.2019
В декабре российская космическая обсерватория «Спектр-РГ», успешно выведенная на орбиту ракетой-носителем «Протон-М» в и...
12.12.2019
Ученые уверены, что можно бороться со старением и отодвинуть границу максимальной продолжительности жизни. Эти цели буду...
03.12.2019
Сразу пять национальных чемпионов стали обладателями Национальной премии в области импортозамещения и трансфера технолог...
02.12.2019
Утверждение, что искусственный интеллект — это сумма технологий, глубоко ошибочно: да, в конце концов мы приходим к техн...
Наверх