Werner Karl Heisenberg كان فيزيائياً نظرياً ألمانياً وأحد الرواد الرئيسيين لميكانيكا الكم. نشر عمله في عام 1925 في ورقة بحثية رائدة. في السلسلة اللاحقة من الأوراق البحثية مع Max Born و Pascual Jordan، خلال نفس العام، تم شرح صيغة المصفوفات لميكانيكا الكم بشكل كبير. يُعرّف بمبدأ عدم اليقين، الذي نشره في عام 1927. حاز Heisenberg على جائزة نوبل للفيزياء في عام 1932 "لإنشاء ميكانيكا الكم".
كما قدّم Heisenberg مساهمات مهمة في نظريات الديناميكا المائية للتدفقات المضطربة والنواة الذرية والمغناطيسية الحديدية والأشعات الكونية والجزيئات دون الذرية. كان عالماً رئيسياً في برنامج الأسلحة النووية الألمانية خلال الحرب العالمية الثانية. كما كان له دور فعال في التخطيط لأول مفاعل نووي ألماني غربي في Karlsruhe، إلى جانب مفاعل بحثي في Munich، في عام 1957.
بعد الحرب العالمية الثانية، تم تعيينه مديراً لمعهد Kaiser Wilhelm للفيزياء، والذي تمت إعادة تسميته قريباً إلى معهد Max Planck للفيزياء. كان مديراً للمعهد حتى تم نقله إلى Munich في عام 1958. ثم أصبح مديراً لمعهد Max Planck للفيزياء الفلكية من عام 1960 إلى 1970.
كان Heisenberg أيضاً رئيساً للمجلس الألماني للبحث العلمي، ورئيساً للجنة الفيزياء الذرية، ورئيساً لمجموعة العمل في الفيزياء النووية، ورئيساً لمؤسسة Alexander von Humboldt.
الحياة المبكرة والدراسات
السنوات الأولى
وُلد Werner Karl Heisenberg في Würzburg، ألمانيا، لـ Kaspar Ernst August Heisenberg، معلم لغات كلاسيكية في مدرسة ثانوية أصبح الأستاذ الجامعي الألماني الوحيد للدراسات اليونانية القديمة والحديثة في النظام الجامعي، وزوجته Annie Wecklein.
نشأ Heisenberg وعاش كمسيحي لوثري. تبدأ سيرته الذاتية مع Heisenberg الشاب في أواخر سنوات مراهقته، يقرأ كتاب Timaeus لـ Plato بينما يتنزه في جبال Bavarian Alps. روى Heisenberg المحادثات الفلسفية مع زملائه الطلاب والمعلمين حول فهم الذرة بينما كان يتلقى تدريبه العلمي في Munich و Göttingen و Copenhagen. كان سيؤكد Heisenberg لاحقاً أن "عقلي تشكل من خلال دراسة الفلسفة و Plato وهذا النوع من الأشياء". وأن "الفيزياء الحديثة قررت بالتأكيد لصالح Plato. في الواقع، أصغر وحدات المادة ليست أجساماً فيزيائية بالمعنى العادي؛ إنها أشكال، أفكار يمكن التعبير عنها بوضوح فقط بلغة رياضية"
وصل Heisenberg إلى Munich في عام 1919 كعضو في Freikorps للقتال ضد جمهورية Bavarian Soviet التي تم تأسيسها قبل سنة. بعد خمسة عقود تذكر تلك الأيام كمرح شبابي، مثل "لعب رجال الشرطة واللصوص وما إلى ذلك؛ لم تكن شيئاً جدياً على الإطلاق."
التأهيل العلمي
درس الفيزياء والرياضيات من عام 1920 إلى 1923 في Ludwig Maximilian University of Munich و Georg-August University of Göttingen. في Munich، درس تحت إشراف Arnold Sommerfeld و Wilhelm Wien. في Göttingen، درس الفيزياء مع Max Born و James Franck والرياضيات مع David Hilbert. حصل على درجة الدكتوراه في عام 1923 من Munich تحت إشراف Sommerfeld. في Göttingen، تحت إشراف Born، أكمل تأهيله في عام 1924 برسالة تأهيل عن تأثير Zeeman الشاذ.
لأن Sommerfeld كان لديه اهتمام صادق بطلابه وكان يعرف اهتمام Heisenberg بنظريات Niels Bohr في الفيزياء الذرية، أخذ Sommerfeld Heisenberg إلى Göttingen لحضور مهرجان Bohr في يونيو 1922. في الحدث، كان Bohr محاضراً ضيفاً وألقى سلسلة من المحاضرات الشاملة حول فيزياء الكم الذرية. هناك، التقى Heisenberg بـ Bohr للمرة الأولى، وكان لذلك تأثير مهم ومستمر عليه.
كانت أطروحة Heisenberg للدكتوراه، والموضوع الذي اقترحه Sommerfeld، عن الاضطراب؛ ناقشت الأطروحة كل من استقرار التدفق الصفحي وطبيعة التدفق المضطرب. تم التحقق من مشكلة الاستقرار باستخدام معادلة Orr–Sommerfeld، وهي معادلة تفاضلية خطية من الدرجة الرابعة للاضطرابات الصغيرة من التدفق الصفحي. عاد هو بإيجاز إلى هذا الموضوع بعد الحرب العالمية الثانية.
في شبابه كان عضواً وقائد كشافة في Neupfadfinder، وهي جمعية كشافة ألمانية وجزء من الحركة الألمانية للشباب. في أغسطس 1923، نظم Robert Honsell و Heisenberg رحلة إلى Finland مع مجموعة كشافة من هذه الجمعية من Munich.
الحياة الشخصية
استمتع Heisenberg بالموسيقى الكلاسيكية وكان عازف بيانو بارعاً. أدى اهتمامه بالموسيقى إلى لقاء زوجته المستقبلية. في يناير 1937، التقى Heisenberg بـ Elisabeth Schumacher 1914–1998 في حفل موسيقي خاص. كانت Elisabeth ابنة أستاذ اقتصاد برليني معروف، وكان أخوها الاقتصادي E. F. Schumacher، مؤلف Small Is Beautiful. تزوج Heisenberg بها في 29 أبريل. وُلد التوأم غير متطابق Maria و Wolfgang في يناير 1938، حيث هنأ Wolfgang Pauli الـ Heisenberg على "خلق الزوج" الخاص به—لعبة كلمات على عملية من الفيزياء الجزيئية، إنتاج الزوج. أنجبا خمسة أطفال آخرين على مدى السنوات الـ 12 التالية: Barbara و Christine و Jochen و Martin و Verena. في عام 1936 اشترى بيت صيفي لعائلته في Urfeld am Walchensee، في جنوب ألمانيا.
المسيرة الأكاديمية
Göttingen و Copenhagen و Leipzig
من عام 1924 إلى 1927، كان Heisenberg محاضراً خاصاً في Göttingen، مما يعني أنه كان مؤهلاً للتدريس والامتحان بشكل مستقل، دون وجود كرسي. من 17 سبتمبر 1924 إلى 1 مايو 1925، تحت زمالة المجلس الدولي للتعليم من مؤسسة Rockefeller Foundation، ذهب Heisenberg للقيام ببحث مع Niels Bohr، مدير معهد الفيزياء النظرية في University of Copenhagen. تم نشر ورقته الرئيسية، "Über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen" "إعادة تفسير نظري الكم للعلاقات الحركية والميكانيكية"، في سبتمبر 1925. عاد إلى Göttingen وقام، مع Max Born و Pascual Jordan على مدى حوالي ستة أشهر، بتطوير صيغة ميكانيكا المصفوفات لميكانيكا الكم. في 1 مايو 1926، بدأ Heisenberg تعيينه كمحاضر جامعي ومساعد لـ Bohr في Copenhagen. كان في Copenhagen، في عام 1927، حيث طور Heisenberg مبدأ عدم اليقين الخاص به، أثناء عمله على الأسس الرياضية لميكانيكا الكم. في 23 فبراير، كتب Heisenberg رسالة إلى زميله الفيزيائي Wolfgang Pauli، والتي وصف فيها مبدأه الجديد للمرة الأولى. في ورقته عن المبدأ، استخدم Heisenberg كلمة "Ungenauigkeit" عدم الدقة، وليس عدم اليقين، لوصفها.
في عام 1927، تم تعيين Heisenberg أستاذاً عادياً للفيزياء النظرية ورئيساً لقسم الفيزياء في University of Leipzig؛ ألقى محاضرته الافتتاحية هناك في 1 فبراير 1928. في أول ورقة نشرها من Leipzig، استخدم Heisenberg مبدأ استبعاد Pauli لحل لغز المغناطيسية الحديدية.
خلال فترة Heisenberg في Leipzig، يتضح الجودة العالية للطلاب الدكتوراه والدراسات العليا ومساعدي البحث الذين درسوا وعملوا معه من الاستحسان الذي أكسبه الكثير منهم لاحقاً. في أوقات مختلفة كانوا يشملون Erich Bagge و Felix Bloch و Ugo Fano و Siegfried Flügge و William Vermillion Houston و Friedrich Hund و Robert S. Mulliken و Rudolf Peierls و George Placzek و Isidor Isaac Rabi و Fritz Sauter و John C. Slater و Edward Teller و John Hasbrouck van Vleck و Victor Frederick Weisskopf و Carl Friedrich von Weizsäcker و Gregor Wentzel و Clarence Zener.
في أوائل عام 1929، قدم Heisenberg و Pauli أول ورقتين من الأوراق البحثية التي تضع أساس نظرية المجال الكمي النسبية. أيضاً في عام 1929، قام Heisenberg برحلة محاضرات إلى China و Japan و India والولايات المتحدة. في ربيع عام 1929، كان محاضراً زائراً في University of Chicago، حيث ألقى محاضرات عن ميكانيكا الكم.
في عام 1928، اشتق الفيزيائي الرياضي البريطاني Paul Dirac معادلته الموجية النسبية لميكانيكا الكم، التي تشير إلى وجود إلكترونات موجبة، والتي ستُسمى لاحقاً بوزيترونات. في عام 1932، من صورة غرفة الضباب للأشعات الكونية، حدد الفيزيائي الأمريكي Carl David Anderson أثراً كمرآ من قبل بوزيترون. في منتصف عام 1933، قدم Heisenberg نظريته عن البوزيترون. تم عرض تفكيره حول نظرية Dirac والتطوير الإضافي للنظرية في ورقتين. الأولى، "Bemerkungen zur Diracschen Theorie des Positrons" "ملاحظات حول نظرية Dirac للبوزيترون" نُشرت في عام 1934، والثانية، "Folgerungen aus der Diracschen Theorie des Positrons" "نتائج نظرية Dirac للبوزيترون"، نُشرت في عام 1936. في هذه الأوراق كان Heisenberg الأول لإعادة تفسير معادلة Dirac كمعادلة مجال "كلاسيكية" لأي جزيء نقطي ذي دوران ħ/2، تابع بنفسه لشروط التكمية التي تتضمن مضادات التبديل. وبالتالي إعادة تفسيرها كمعادلة مجال كمية تصف الإلكترونات بدقة، وضع Heisenberg المادة على نفس قدم المساواة مع الكهرومغناطيسية: كما يتم وصفها بمعادلات مجال كمية نسبية تسمح بإمكانية إنشاء وتدمير الجزيئات. كان Hermann Weyl قد وصف هذا بالفعل في رسالة عام 1929 إلى Albert Einstein.
ميكانيكا المصفوفات وجائزة نوبل
أربكت ورقة Heisenberg التي تؤسس ميكانيكا الكم الفيزيائيين والمؤرخين. تفترض أساليبه أن القارئ مألوف مع حسابات احتمالية انتقال Kramers-Heisenberg. الفكرة الجديدة الرئيسية، المصفوفات غير التبادلية، تُبرر فقط برفض الكميات غير الملحوظة. تُدخل الضرب غير التبادلي للمصفوفات بالاستدلال الفيزيائي، بناءً على مبدأ المراسلة، رغم أن Heisenberg لم يكن مألوفاً آنذاك مع النظرية الرياضية للمصفوفات. تم إعادة بناء المسار الذي يؤدي إلى هذه النتائج في MacKinnon، 1977، والحسابات التفصيلية يتم عملها في Aitchison et al.
في Copenhagen، تعاون Heisenberg و Hans Kramers في ورقة حول الانتشار، أو التشتت من الذرات للإشعاع الذي يكون طوله الموجي أكبر من الذرات. أظهروا أن الصيغة الناجحة التي طورها Kramers في وقت سابق لا يمكن أن تكون مبنية على مدارات Bohr، لأن ترددات الانتقال مبنية على فواصل المستويات التي ليست ثابتة. الترددات التي تظهر في تحويل Fourier للمدارات الكلاسيكية الحادة، على النقيض، متساوية المسافات. لكن هذه النتائج يمكن تفسيرها بنموذج حالة افتراضية شبه كلاسيكية: الإشعاع الوارد يثير الإلكترون التكافؤ، أو الخارجي، إلى حالة افتراضية يتحلل منها. في ورقة لاحقة أظهر Heisenberg أن نموذج المذبذب الافتراضي هذا يمكن أيضاً أن يفسر استقطاب الإشعاع المتوهج.
أدت هذه النجاحات الاثنان، والفشل المستمر لنموذج Bohr–Sommerfeld في شرح المشكلة البارزة لتأثير Zeeman الشاذ، Heisenberg إلى استخدام نموذج المذبذب الافتراضي لمحاولة حساب الترددات الطيفية. أثبتت الطريقة أنها صعبة جداً للتطبيق الفوري على المشاكل الواقعية، لذلك لجأ Heisenberg إلى مثال أبسط، المذبذب غير التناسقي.
يتكون مذبذب ثنائي القطب من مذبذب توافقي بسيط، يُفكر فيه على أنه جزيء مشحون على نابض، مضطرب بقوة خارجية، مثل شحنة خارجية. يمكن التعبير عن حركة الشحنة المتذبذبة كسلسلة Fourier بتردد المذبذب. حل Heisenberg السلوك الكمي بطريقتين مختلفتين. أولاً، عامل النظام بطريقة المذبذب الافتراضي، محسوباً الانتقالات بين المستويات التي ستُنتجها المصدر الخارجي.
ثم حل نفس المشكلة بمعاملة مصطلح الجهد غير التناسقي كاضطراب للمذبذب التوافقي واستخدام طرق الاضطراب التي طورها هو و Born. أدت كلا الطريقتين إلى نفس النتائج لشروط التصحيح من الدرجة الأولى والثانية المعقدة جداً. اقترح هذا أنه في الخلف من الحسابات المعقدة جداً كان هناك نظام متسق.
لذلك انطلق Heisenberg لصياغة هذه النتائج بدون أي اعتماد صريح على نموذج المذبذب الافتراضي. للقيام بذلك، استبدل توسعات Fourier للإحداثيات المكانية بمصفوفات، مصفوفات تتوافق مع معاملات الانتقال في طريقة المذبذب الافتراضي. برر هذا الاستبدال بنداء إلى مبدأ مراسلة Bohr وعقيدة Pauli بأن ميكانيكا الكم يجب أن تقتصر على الملحوظات.
في 9 يوليو، أعطى Heisenberg Born هذه الورقة للمراجعة والتقديم للنشر. عندما قرأ Born الورقة،
