Гейзенберг Вернер

Ге́йзенберг (Heisenberg) Вернер (Карл) (5 декабря 1901, Вюрцбург — 1 февраля 1976, Мюнхен), физик-теоретик, один из создателей современной квантовой теории, автор многочисленных трудов по физике и философии.

Отец Вернера, Август Гейзенберг, женатый на Анне Векляйн, дочери директора Королевской Максимилиановской гимназии в Мюнхене, преподавал классические языки и историю в старой гимназии в Вюрцбурге и одновременно занимал должность приват-доцента Вюрцбургского университета по отделению средневековой и современной греческой филологии. В 1910 он получил в Мюнхенском университете кафедру классической филологии и византинистики (единственную тогда в Германии), и семья переехала в Мюнхен. Вернер рос в доме, где сам воздух, казалось, был пропитан классическими гуманитарными традициями. Его отец был убежденным сторонником разностороннего образования. В 1911 Вернер, прошедший к тому времени начальное обучение, поступает в Максимилиановскую гимназию, где больше всего его привлекали математика и языки, в том числе, санскрит, и отец во всем поддерживает 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 (кстати, книга очень увлекла Вернера) и языка шло параллельно. Гимназиста Гейзенберга восхищал и поражал тот факт, что математика, в частности, геометрия находятся в соответствии с природой. Через всю жизнь Гейзенберг пронес убежденность в том, что великая европейская культура, в том числе и наука, связана корнями с античной философией и с христианством.

После Максимилиановской гимназии Вернер становится студентом университета в Мюнхене, где среди его учителей были такие физики как Арнольд Зоммерфельд и Вильгельм Вин. Перейдя затем в Геттинген, он начинает работать под руководством Макса Борна, больше чем другие учителя давшего выдающемуся ученику. В 1923 Гейзенберг после защиты докторской диссертации, посвященной вопросу о переносе энергии, становится ассистентом Борна. Незадолго до этого он на полгода отправляется в Копенгаген в институт к Нильсу Бору в качестве стипендиата-исследователя, а позже, когда освободилась вакансия — доцента теоретической физики. Работа у Бора имела для Гейзенберга решающее значение.

Поистине, это время можно назвать «Эпохой бури и натиска» в квантовой теории, а институт Бора в Копенгагене — эпицентром этой бури. Квантовая теория после блистательных успехов оказалась в полосе затруднений. «Квантование по Бору» привело к возникновению явно внутренне противоречивого образа атома. Атом рисовался маленьким подобием Солнечной системы, где роль Солнца играло ядро, в котором была сконцентрирована почти вся масса атома, а вокруг ядра, подобно планетам, двигались по орбитам электроны. Каждый из электронов представлялся материальной точкой, движущейся по законам классической механики, но хотя и несшей электрический заряд, почему-то, вопреки классической электродинамике, не излучающей электромагнитных волн, несмотря на наличие ускорения. Правда, такое движение «разрешалось» не по любым орбитам, а только по тем, которые отвечали «условиям квантования»; их приходилось постулировать. Излучение же и поглощение волн, как то также постулировал Бор, происходит лишь при «перескакивании» электронов с одной стационарной орбиты на другую.

Положение еще более осложнилось, когда Де Бройльвыдвинул идею о корпускулярно-волновой, двуединой природе материи. Опыты по дифракции электронов убедительно подтвердили наличие корпускулярно-волнового дуализма, что еще усложнило картину. «Я вспоминаю, — писал позднее Гейзенберг, — о многочисленных дискуссиях с Бором, которые длились до поздней ночи и которые мы заканчивали в полном отчаянии. И если после таких дискуссий я один отправлялся на короткую прогулку в соседний парк, то повторял снова и снова вопрос о том, может ли природа действительно быть такой абсурдной, какой она представляется нам в этих атомных экспериментах». Трудно представить себе более плодотворное сочетание: несравненная, почти мистическая физическая интуиция Бора и непредвзятость, гибкость и глубина мысли его гениального молодого «стажера», обладавшего, кроме всего прочего, блистательной математической подготовкой. Они идеально дополняли друг друга, и этому во многом обязано появление того, что называют современной квантовой теорией. Но чтобы это появление стало возможным, потребовалось выработать принципиально новые теоретико-познавательные концепции.

Не будет преувеличением сказать, что со времени своего возникновения физика всегда оперировала наглядными и по возможности простыми моделями — сначала это были системы из классических материальных точек, а потом к ним добавилось электромагнитное поле, которое, в сущности, использовало также представления из арсенала механики сплошных сред. Дискуссии между Бором и Гейзенбергом привели к осознанию необходимости подвергнуть ревизии те образы, те понятия, которыми оперирует теория, дабы выделить из них действительно лишь те, которые выступают на опыте. Что такое, например, орбита электрона, можно ли ее наблюдать? Если учесть двойственную, корпускулярно-волновую природу электрона, то можно ли говорить о его траектории вообще? Можно ли построить такую теорию, в которой рассматривались бы только действительно наблюдаемые на опыте величины?

Эту задачу решил в 1925 двадцатичетырехлетний Гейзенберг, предложив так называемую матричную механику (Нобелевская премия 1932). Вскоре после этого Эрвином Шредингером был предложен другой, «волновой» вариант квантовой теории, эквивалентный «матричному». У квантовой теории появилась новая математическая база, но физическая и теоретико-познавательная сторона дела еще нуждалась в анализе.

Результатом такого анализа явились соотношения неопределенностей Гейзенберга и принцип дополнительностиБора. Проанализировав процедуры измерения координат и импульсов, Гейзенберг пришел к выводу, что получить для них одновременно и точно определенные значения координат и импульсов принципиально невозможно. Если координата х определяется с разбросом Δх, а проекции импульса на ось х — с разбросом Δр_х, то эти разбросы (или «неопределенности») связаны соотношением Δх Δр_х≥h / 2π, где h — постоянная Планка.

Укажем еще одно соотношение ΔЕ Δt ≥h / 2π, связывающее неопределенность энергии ΔЕ состояния с продолжительностью Δt его существования.

В квантовой теории физическим величинам ставятся в соответствие «операторы», т. е. символы, обозначающие определенные математические действия («операции»). Если порядок действия пары операторов переставим, то соответствующие им физические величины можно определить одновременно, если же операторы непереставимы, то это невозможно, и чем точнее определяется одна из таких «дополнительных» величин, тем больше неопределенность в определении второй.

Соотношения неопределенностей (см. также принцип неопределенности) подчеркивают принципиальное отличие описания состояния систем в классической и в квантовой теории и необходимость статистического, т. е. вероятностного описания в последней. Появление идеи дополнительности ознаменовало качественно новый шаг в теории познания.

Осенью 1927 Гейзенберг получил приглашение стать профессором теоретической физики в Лейпцигском университете. Он проработал там до 1941. Его работы по квантовой теории приобрели мировую известность, его многократно приглашали для чтения лекций во многие страны. Многочисленные поездки не снизили, однако, его научной активности. В 1929 Гейзенберг совместно с Дираком выдвинул идею специфически-квантового обменного взаимодействия, опубликовал важные работы по квантовой теории ферромагнетизма, основанную на обменном взаимодействии электронов (одновременно и независимо близкие идеи развивал и Я. И. Френкель в России). В следующим году Гейзенберг обратился к рассмотрению общей схемы квантования полей, в том числе, и электромагнитного поля. После появления релятивистской теории электронов Дирака занимался развитием теории дырок, в частности, рассматривал эффект поляризации электронно-позитронного вакуума и его возможные экспериментальные проявления.

К 1932 относятся важные работы Гейзенберга в новой для него области — физике атомного ядра. Вопрос о том, из чего состоят ядра атомов, к тому времени приобрел особую остроту: первоначальная идея об электронно-протонном их составе была окончательно отвергнута именно благодаря соотношению неопределенностей Гейзенберга: размеры ядра (а, значит и разброс координат электрона, если он в нем находится) так малы, что квантовый разброс импульсов (и энергий, соответственно) должен быть настолько велик, что удержаться внутри ядра было бы для электрона невозможно. Поэтому когда Джеймс Чедвик в 1930 открыл частицу, масса которой лишь немногим меньше массы протона, а электрический заряд отсутствует, почти одновременно по крайней мере в двух местах — Гейзенберг в Германии и Д. Д. Иваненков России выдвинули в 1932 протонно-нейтронную модель ядра. Гейзенберг ввел также понятие изотопического спина и идею о насыщении ядерных сил.

Позже Гейзенберг (с 1941 по 1945) был назначен директором института физики кайзера Вильгельма и профессором Берлинского университета.

Это были трудные годы. К тому времени многие крупнейшие ученые, спасаясь от фашистского режима, бежали из Германии. Хотя Гейзенберг и понимал, что его родину толкают к неминуемой катастрофе, он не счел возможным покинуть ее.

По служебной необходимости ему пришлось возвращаться к ядерной физике. Над немецким ядерным проектом он работал вместе с Отто Ганом. Правители рейха долго не могли понять, что значимость работ ядерщиков неизмеримо выше бредовых расовых и идеологических догм. Не последнюю роль сыграл пресловутый «приказ фюрера» не начинать никаких работ, которые не принесут практических результатов в течение полугодия. К тому же первые теоретические оценки количества урана, необходимого для цепной реакции деления, дали огромные (как полагают некоторые, намеренно завышенные) цифры, которые представляли всю программу нереальной. Есть основания полагать, что определенную (хотя и не решающую роль) играли и факты саботажа немецких исследователей. Есть даже мнение, что причина отставания Германии в том, что немецкие исследователи публиковали все свои результаты в открытой печати, тогда как остальные довольно быстро стали их засекречивать.

Гораздо правдоподобнее, однако, что, когда неминуемость скорого краха стала очевидной, когда власти спохватились, и началась лихорадочная гонка работы над «оружием возмездия», как они это называли, было уже поздно. Авиация союзников уничтожила много важных объектов, был взорван завод по производству тяжелой воды в Норвегии.

Но трудно отказаться от мысли, что позиция Гейзенберга, даже при известном его стремлении к лидерству и преданности интересам Германии, была продиктована и гуманистическими идеалами.

Основной областью его интересов оставалась квантовая теория поля.

После разгрома гитлеровской Германии он в 1946-1958 являлся директором физического института и профессором университета в Геттингене, а после 1958 — директором института физики и астрофизики и профессором университета в Мюнхене. На эти годы приходятся его активные поиски универсального единого описания всех видов материи. Это была грандиозная программа, хотя и нельзя признать, что Гейзенбергу 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 одной лишь теоретической физикой, одним из крупнейших представителей которой он был. Его перу принадлежат и труды по философии, которой он всегда уделял большое внимание.

Автор: В.И. Григорьев