Вернер Гейзенберг

(1901–1976)

Гейзенберг был одним из самых молодых ученых, получивших Нобелевскую премию. Как сказал Н. Бор: «В этот период развития физической науки, который можно сравнить с чудесным приключением, Вернеру Гейзенбергу принадлежит выдающаяся роль».

У Гейзенберга было необыкновенно развитое чувство интуиции. Сам ученый об этом говорил так: «Я должен начинать не с детального изучения вопроса, а сначала прислушаться… к подсознательному чувству, которое, как правило, подсказывает мне правильный путь».

Вернер Карл Гейзенберг родился 5 декабря 1901 года в немецком городе Вюрцбурге. Его отец Август Гейзенберг, профессор Мюнхенского университета, был известным языковедом‑византологом. Матерью мальчика была урожденная Анна Виклейн.

В сентябре 1911 года Вернера отдали в престижную мюнхенскую гимназию, где мальчик увлекся математикой и быстро усвоил дифференциальное и интегральное исчисление.

В 1920 году Гейзенберг поступил в Мюнхенский университет. Здесь Вернер учился у А. Зоммерфельда и В. Вина. Окончив университет, молодой ученый был назначен ассистентом профессора Макса Борна в Геттингенском университете.

В 1923 году в Мюнхене Гейзенберг защитил докторскую диссертацию по проблеме турбулентности, в которой были разработаны приближенные методы нелинейной теории. Через год Вернер отправляется в полугодовую командировку в Копенгаген в качестве стипендиата‑исследователя. Состояние атомной физики напоминало в это время какое‑то нагромождение гипотез. В. Паули писал тогда: «Физика теперь снова зашла в тупик, во всяком случае, она для меня слишком трудна, и я предпочел бы быть комиком в кино или кем‑нибудь вроде этого и не слышать ничего о физике».

Свои первые работы Гейзенберг посвящает принципу соответствия, пытаясь найти для него математическую основу и превратить его из эмпирического правила в научный метод исследования внутриатомных процессов.

Перелом наступил весной 1925 года, когда Гейзенберг уже покинул Копенгаген и работал ассистентом Борна в Геттингене. 29 июля 1925 года немецкий ученый опубликовал свое первое фундаментальное исследование по квантовой теории – статью «О квантовомеханическом толковании кинематических и механических связей». В ней он попытался выработать необходимые основы атомной механики, которая строилась бы исключительно на связях между принципиально наблюдаемыми величинами без применения моделей.

Гейзенберг завершил статью довольно осторожно: «Можно ли метод определения квантовотеоретических данных на основе соотношений между наблюдаемыми величинами, подобный предложенному здесь, уже считать в принципе удовлетворительным, или же этот метод все еще представляет собой слишком грубый подход к физической, с самого начала явно очень сложной проблеме квантовотеоретической механики, – это станет ясным только после глубокого математического исследования метода, примененного здесь лишь очень поверхностно».

Вместе со своим учеником П. Йорданом Борн разработал математические основы матричной механики. В их совместной статье «О квантовой механике», опубликованной 27 сентября 1925 года, идеи Гейзенберга были развиты «до систематической теории квантовой механики».

По словам Борна, Гейзенберг отказался от «представлений об электронных орбитах с определенными радиусами и периодами обращения, потому что эти величины не могли быть наблюдаемы». Таким образом, он рассек «гордиев узел при помощи философского принципа и заменил догадки математическим правилом». Это достижение Гейзенберга можно сравнить с подвигом Эйнштейна, упразднившего в 1905 году понятие абсолютной одновременности.

«Выяснилось, что атомную модель Бора не следует понимать буквально, как это было вначале, – пишет Ф. Гернек. – Она была применима только для одноэлектронной системы атома водорода и не могла быть безоговорочно перенесена на атомную систему со многими электронами. Процессы в атоме не могли быть наглядно представлены в виде механических моделей по аналогии с событиями в макромире. Нельзя было схематически применять законы небесной механики для объяснения внутриатомных связей. Даже понятия пространства и времени в существующей форме оказались неподходящими для описания микрофизических явлений. Атом физиков‑теоретиков все больше и больше становился абстрактно‑ненаблюдаемой суммой уравнений».

Бесстрашие мышления, необходимое для разрешения новых физических проблем, метко охарактеризовал сам Гейзенберг: «На каждом существенно новом этапе познания нам всегда следует подражать Колумбу, который отважился оставить известный ему мир в почти безумной надежде найти землю за морем».

Надо сказать, что матричная механика появилась весьма кстати. Идеи Гейзенберга подхватили другие физики, и скоро, по выражению Бора, его теория приобрела «вид, который по своей логической завершенности и общности мог конкурировать с классической механикой».

В 1926–1927 годах Гейзенберг вновь в Копенгагене, где в качестве доцента теоретической физики с успехом читает лекции студентам. В то же время молодой немецкий физик ведет с Бором страстные споры о толковании квантовых явлений.

«Я вспоминаю, – писал позднее Гейзенберг, – о многочисленных дискуссиях с Бором, которые длились до поздней ночи и которые мы заканчивали почти в полном отчаянии. И если я после таких дискуссий 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 кажется нам в этих атомных экспериментах».

Результаты этих размышлений были сформулированы в 1927 году как «соотношение неопределенностей» Гейзенберга и «принцип дополнительности» Бора.

Естественное состояние «обоюдной неопределенности», как говорил Бор, которое сопутствует каждому квантовомеханическому измерению, было математически отображено Гейзенбергом как «соотношение неточностей» или «соотношение неопределенностей». Это открытие принадлежит к величайшим достижениям теоретической физики.

В своей книге «Физика атомного ядра» Гейзенберг так охарактеризовал открытый им закон природы: «Никогда нельзя одновременно точно знать оба параметра, решающим образом определяющие движение такой мельчайшей частицы: ее место и ее скорость. Никогда нельзя одновременно знать, где она находится, как быстро и в каком направлении движется. Если ставят эксперимент, который точно показывает, где она находится в данный момент, то движение нарушается в такой степени, что частицу после этого даже нельзя снова найти. И наоборот, при точном измерении скорости картина места полностью смазывается».

Гейзенберговское соотношение неопределенностей есть выражение невозможности наблюдать мир атома, не разрушая его. Любая попытка дать четкую картину микрофизических состояний должна поэтому опираться или на корпускулярное, или на волновое толкование.

С 1927 года Гейзенберг работает в качестве профессора Лейпцигского университета. В этот период он независимо и вслед за советским физиком Д.Д. Иваненко предложил протонно‑нейтронную модель ядра, детально обосновав эту гипотезу на основе квантовой механики. Со своей теорией ядра он выступил на Сольвеевском конгрессе 1933 года.

В 1933 году одновременно со Шрёдингером и Дираком его работы получили высшее признание – Нобелевскую премию. Гейзенберг получает высокую награду за создание квантовой механики и, в частности, за ее приложение к открытию аллотропических форм водорода (так называемого орто– и параводорода).

Во времена гитлеровского фашизма ученый неоднократно подвергался политическим нападкам. Так, летом 1937 года физик Штарк, задававший тон национал‑социалистской политике в отношении науки, назвал в одной из своих статей Гейзенберга «Осецким от физики», «белым евреем», и потребовал соответствующих мер.

Гейзенберг никогда не был членом нацистской партии, однако он занимал высокие академические должности. С 1941 по 1945 год он был директором института физики кайзера Вильгельма и профессором Берлинского университета.

Сам ученый о своей работе во время Второй мировой войны говорил: «После открытия расщепления ядра Отто Ганом в 1938 году следствием войны оказалось то, что я вместе с моими сотрудниками должен был заниматься конструированием атомных реакторов. Несмотря на то что вначале я был далек от такой задачи, мой интерес в высшей степени возбудила открытая атомной физикой возможность получения огромных атомных источников энергии. Я считаю, что немецким физикам очень повезло в том, что ход войны и действия правительства исключали любую серьезную попытку изготовления атомного оружия и тем самым избавляли физиков от тяжелой ответственности за подобное деяние».

В 1945 году Гейзенберг вместе с другими немецкими физиками был перевезен в Англию и содержался там под арестом в течение нескольких месяцев. В 1946 году Гейзенберг вернулся в Германию. Он становится директором Физического института и профессором Геттингенского университета. С 1958 года ученый являлся директором Физического университета, а также профессором Мюнхенского университета.

Его последние работы были посвящены, прежде всего, изучению элементарных частиц. Во время празднования столетия со дня рождения Планка в апреле 1958 года Гейзенберг предложил вниманию научной общественности свою новую теорию элементарных частиц. Он выдвинул «мировую формулу», которая должна была включать в себя также и элементарные частицы гравитации. Наряду со скоростью света с и планковской константой h им была введена новая естественная константа – «наименьшая длина». Немало его работ посвящено философским проблемам физики, в частности, теории познания, где он стоял на позиции идеализма.

Ученый входил в группу ученых, подписавших весной 1957 года Геттингенское обращение, он поддерживал также и другие заявления, направленные на уменьшение напряженности и на сохранение мира. Он неоднократно подчеркивал высокую ответственность именно физиков‑атомщиков в деле предотвращения мировой войны.

Умер Гейзенберг в своем доме в Мюнхене 1 февраля 1976 года от рака.

Date: 2015-11-15; view: 389; Нарушение авторских прав