Werner Karl Heisenberg était un physicien théoricien allemand et l'un des pionniers clés de la mécanique quantique. Il a publié ses travaux en 1925 dans un article révolutionnaire. Dans la série ultérieure d'articles avec Max Born et Pascual Jordan, la même année, cette formulation matricielle de la mécanique quantique a été considérablement développée. Il est connu pour le principe d'incertitude, qu'il a publié en 1927. Heisenberg a reçu le prix Nobel de physique de 1932 « pour la création de la mécanique quantique ».
Heisenberg a également apporté des contributions importantes aux théories de l'hydrodynamique des écoulements turbulents, du noyau atomique, du ferromagnétisme, des rayons cosmiques et des particules subatomiques. Il a été un scientifique principal du programme allemand d'armes nucléaires pendant la Seconde Guerre mondiale. Il a également joué un rôle déterminant dans la planification du premier réacteur nucléaire ouest-allemand à Karlsruhe, ainsi qu'un réacteur de recherche à Munich, en 1957.
Après la Seconde Guerre mondiale, il a été nommé directeur de l'Institut Kaiser Wilhelm de physique, qui a été rapidement renommé Institut Max Planck de physique. Il a été directeur de l'institut jusqu'à son déménagement à Munich en 1958. Il est ensuite devenu directeur de l'Institut Max Planck d'astrophysique de 1960 à 1970.
Heisenberg a également été président du Conseil allemand de la recherche, président de la Commission de physique atomique, président du Groupe de travail de physique nucléaire et président de la Fondation Alexander von Humboldt.
Premiers années et études
Premières années
Werner Karl Heisenberg est né à Würzburg, en Allemagne, de Kaspar Ernst August Heisenberg, professeur d'école secondaire de langues classiques qui est devenu le seul professeur ordinarius allemand de études grecques médiévales et modernes du système universitaire, et de sa femme, Annie Wecklein.
Heisenberg a été élevé et a vécu en tant que chrétien luthérien. Son autobiographie commence par le jeune Heisenberg à la fin de son adolescence, lisant le Timée de Platon en randonnée dans les Alpes bavaroises. Heisenberg a raconté les conversations philosophiques avec ses camarades de classe et ses professeurs sur la compréhension de l'atome tout en recevant sa formation scientifique à Munich, Göttingen et Copenhague. Heisenberg a déclaré plus tard que « Mon esprit a été formé en étudiant la philosophie, Platon et ce genre de choses » et que « La physique moderne a définitivement décidé en faveur de Platon. En fait, les plus petites unités de matière ne sont pas des objets physiques au sens ordinaire ; ce sont des formes, des idées qui ne peuvent être exprimées sans ambiguïté que dans le langage mathématique »
Heisenberg est arrivé à Munich en 1919 en tant que membre du Freikorps pour combattre la République des Conseils de Bavière établie un an plus tôt. Cinquante ans plus tard, il se souvenait de ces jours comme du plaisir de la jeunesse, comme « jouer aux gendarmes et aux voleurs et ainsi de suite ; ce n'était rien de sérieux du tout. »
Habilitation
Il a étudié la physique et les mathématiques de 1920 à 1923 à l'Université Ludwig Maximilian de Munich et à l'Université Georg-August de Göttingen. À Munich, il a étudié sous Arnold Sommerfeld et Wilhelm Wien. À Göttingen, il a étudié la physique avec Max Born et James Franck et les mathématiques avec David Hilbert. Il a reçu son doctorat en 1923 à Munich sous Sommerfeld. À Göttingen, sous Born, il a achevé son habilitation en 1924 avec une thèse d'habilitation sur l'effet Zeeman anormal.
Parce que Sommerfeld avait un intérêt sincère pour ses étudiants et connaissait l'intérêt de Heisenberg pour les théories de Niels Bohr sur la physique atomique, Sommerfeld a emmené Heisenberg à Göttingen pour assister au Festival Bohr de juin 1922. À l'événement, Bohr était conférencier invité et a donné une série de conférences complètes sur la physique quantique atomique. Là, Heisenberg a rencontré Bohr pour la première fois, et cela a eu un effet significatif et durable sur lui.
La thèse de doctorat de Heisenberg, dont le sujet a été suggéré par Sommerfeld, portait sur la turbulence ; la thèse discutait à la fois de la stabilité de l'écoulement laminaire et de la nature de l'écoulement turbulent. Le problème de stabilité a été étudié à l'aide de l'équation d'Orr-Sommerfeld, une équation différentielle linéaire du quatrième ordre pour les petites perturbations de l'écoulement laminaire. Il est brièvement revenu à ce sujet après la Seconde Guerre mondiale.
Dans sa jeunesse, il a été membre et chef scout du Neupfadfinder, une association de scouts allemands et membre du Mouvement de la jeunesse allemande. En août 1923, Robert Honsell et Heisenberg ont organisé un voyage en Finlande avec un groupe de scouts de cette association de Munich.
Vie personnelle
Heisenberg aimait la musique classique et était un pianiste accompli. Son intérêt pour la musique l'a conduit à rencontrer sa future femme. En janvier 1937, Heisenberg a rencontré Elisabeth Schumacher 1914–1998 lors d'un récital de musique privée. Elisabeth était la fille d'un professeur d'économie berlinois bien connu, et son frère était l'économiste E. F. Schumacher, auteur de Small Is Beautiful. Heisenberg l'a épousée le 29 avril. Des jumeaux fraternels Maria et Wolfgang sont nés en janvier 1938, après quoi Wolfgang Pauli a félicité Heisenberg pour sa « création de paires » – un jeu de mots sur un processus de la physique des particules élémentaires, la production de paires. Ils ont eu cinq autres enfants au cours des 12 années suivantes : Barbara, Christine, Jochen, Martin et Verena. En 1936, il a acheté une maison d'été pour sa famille à Urfeld am Walchensee, dans le sud de l'Allemagne.
Carrière académique
Göttingen, Copenhague et Leipzig
De 1924 à 1927, Heisenberg était un Privatdozent à Göttingen, ce qui signifiait qu'il était qualifié pour enseigner et examiner de manière indépendante, sans avoir de chaire. Du 17 septembre 1924 au 1er mai 1925, en vertu d'une bourse de la Fondation Rockefeller du International Education Board, Heisenberg est allé faire de la recherche avec Niels Bohr, directeur de l'Institut de physique théorique à l'Université de Copenhague. Son article fondateur, « Über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen » « Réinterprétation quantique-théorique des relations cinématiques et mécaniques », a été publié en septembre 1925. Il est retourné à Göttingen et, avec Max Born et Pascual Jordan sur une période d'environ six mois, a développé la formulation de la mécanique matricielle de la mécanique quantique. Le 1er mai 1926, Heisenberg a commencé sa nomination en tant que maître de conférences et assistant de Bohr à Copenhague. C'est à Copenhague, en 1927, que Heisenberg a développé son principe d'incertitude, en travaillant sur les fondements mathématiques de la mécanique quantique. Le 23 février, Heisenberg a écrit une lettre au physicien collègue Wolfgang Pauli, dans laquelle il a décrit pour la première fois son nouveau principe. Dans son article sur le principe, Heisenberg a utilisé le mot « Ungenauigkeit » imprécision, non incertitude, pour le décrire.
En 1927, Heisenberg a été nommé professeur ordinarius de physique théorique et chef du département de physique à l'Université de Leipzig ; il y a donné sa leçon inaugurale le 1er février 1928. Dans son premier article publié de Leipzig, Heisenberg a utilisé le principe d'exclusion de Pauli pour résoudre le mystère du ferromagnétisme.
Pendant le mandat de Heisenberg à Leipzig, la haute qualité des doctorants et des associés postdoctoraux et de recherche qui ont étudié et travaillé avec lui est claire à partir de l'acclamation que beaucoup ont obtenue plus tard. À différents moments, ils incluaient Erich Bagge, Felix Bloch, Ugo Fano, Siegfried Flügge, William Vermillion Houston, Friedrich Hund, Robert S. Mulliken, Rudolf Peierls, George Placzek, Isidor Isaac Rabi, Fritz Sauter, John C. Slater, Edward Teller, John Hasbrouck van Vleck, Victor Frederick Weisskopf, Carl Friedrich von Weizsäcker, Gregor Wentzel et Clarence Zener.
Au début de 1929, Heisenberg et Pauli ont soumis le premier de deux articles posant les fondations de la théorie quantique relativiste des champs. Aussi en 1929, Heisenberg a fait une tournée de conférences en Chine, au Japon, en Inde et aux États-Unis. Au printemps de 1929, il a été conférencier invité à l'Université de Chicago, où il a donné des conférences sur la mécanique quantique.
En 1928, le physicien mathématique britannique Paul Dirac avait dérivé son équation d'onde relativiste de la mécanique quantique, ce qui impliquait l'existence d'électrons positifs, qui seront plus tard appelés positrons. En 1932, à partir d'une photographie d'une chambre à brouillard de rayons cosmiques, le physicien américain Carl David Anderson a identifié une trace comme ayant été créée par un positron. En milieu 1933, Heisenberg a présenté sa théorie du positron. Sa réflexion sur la théorie de Dirac et le développement ultérieur de la théorie ont été exposés dans deux articles. Le premier, « Bemerkungen zur Diracschen Theorie des Positrons » « Remarques sur la théorie de Dirac du positron » a été publié en 1934, et le second, « Folgerungen aus der Diracschen Theorie des Positrons » « Conséquences de la théorie de Dirac du positron », a été publié en 1936. Dans ces articles, Heisenberg a été le premier à réinterpréter l'équation de Dirac comme une équation de champ « classique » pour toute particule ponctuelle de spin ħ/2, elle-même soumise à des conditions de quantification impliquant des anticommutateurs. Ainsi, en la réinterprétant comme une équation de champ quantique décrivant avec précision les électrons, Heisenberg a mis la matière sur le même pied que l'électromagnétisme : comme étant décrite par des équations quantiques relativistes des champs qui permettaient la possibilité de création et de destruction de particules. Hermann Weyl avait déjà décrit cela dans une lettre de 1929 à Albert Einstein.
Mécanique matricielle et le prix Nobel
L'article de Heisenberg établissant la mécanique quantique a dérouté physiciens et historiens. Ses méthodes supposent que le lecteur connaît les calculs de probabilité de transition de Kramers-Heisenberg. L'idée nouvelle principale, les matrices non-commutantes, n'est justifiée que par un rejet des quantités non observables. Il introduit la multiplication non-commutative des matrices par un raisonnement physique, basé sur le principe de correspondance, malgré le fait que Heisenberg n'était pas alors familier avec la théorie mathématique des matrices. Le chemin menant à ces résultats a été reconstruit dans MacKinnon, 1977, et les calculs détaillés sont développés dans Aitchison et al.
À Copenhague, Heisenberg et Hans Kramers ont collaboré sur un article sur la dispersion, ou la diffusion d'atomes de rayonnement dont la longueur d'onde est supérieure aux atomes. Ils ont montré que la formule réussie que Kramers avait développée plus tôt ne pouvait pas être basée sur les orbites de Bohr, car les fréquences de transition sont basées sur les espacements de niveaux qui ne sont pas constants. Les fréquences qui se produisent dans la transformée de Fourier des orbites classiques nettes, par contraste, sont également espacées. Mais ces résultats pourraient être expliqués par un modèle d'état virtuel semi-classique : le rayonnement entrant excite l'électron de valence, ou extérieur, à un état virtuel à partir duquel il se désintègre. Dans un article ultérieur, Heisenberg a montré que ce modèle d'oscillateur virtuel pouvait également expliquer la polarisation du rayonnement de fluorescence.
Ces deux succès, et l'échec continu du modèle de Bohr-Sommerfeld à expliquer le problème remarquable de l'effet Zeeman anormal, ont conduit Heisenberg à utiliser le modèle d'oscillateur virtuel pour tenter de calculer les fréquences spectrales. La méthode s'est avérée trop difficile à appliquer immédiatement à des problèmes réalistes, donc Heisenberg s'est tourné vers un exemple plus simple, l'oscillateur anharmonique.
L'oscillateur dipolaire se compose d'un simple oscillateur harmonique, considéré comme une particule chargée sur un ressort, perturbé par une force externe, comme une charge externe. Le mouvement de la charge oscillante peut être exprimé sous la forme d'une série de Fourier dans la fréquence de l'oscillateur. Heisenberg a résolu le comportement quantique par deux méthodes différentes. D'abord, il a traité le système avec la méthode de l'oscillateur virtuel, en calculant les transitions entre les niveaux qui seraient produites par la source externe.
Il a ensuite résolu le même problème en traitant le terme de potentiel anharmonique comme une perturbation de l'oscillateur harmonique et en utilisant les méthodes de perturbation qu'il et Born avaient développées. Les deux méthodes ont conduit aux mêmes résultats pour les termes de correction d'ordre très compliqué premiers et deuxième. Cela suggérait qu'à la base des calculs très compliqués se trouvait un schéma cohérent.
Ainsi Heisenberg a décidé de formuler ces résultats sans aucune dépendance explicite du modèle d'oscillateur virtuel. Pour ce faire, il a remplacé les expansions de Fourier pour les coordonnées spatiales par des matrices, des matrices qui correspondaient aux coefficients de transition dans la méthode de l'oscillateur virtuel. Il a justifié ce remplacement en faisant appel au principe de correspondance de Bohr et à la doctrine de Pauli selon laquelle la mécanique quantique doit être limitée aux observables.
Le 9 juillet, Heisenberg a donné ce document à Born pour l'examiner et le soumettre à la publication. Lorsque Born a lu l'article, il a reconnu la formulation comme étant celle qui pouvait être transcrite et étendue au langage systématique des matrices, qu'il avait appris de son étude sous Jakob Rosanes à l'Université de Breslau. Born, avec l'aide de son assistant et ancien étudiant Pascual Jordan, a immédiatement commencé à faire la transcription et l'extension, et ils ont soumis leurs résultats pour publication ; l'article a été reçu pour publication seulement 60 jours après l'article de Heisenberg. Un article de suivi a été soumis pour publication avant la fin de l'année par les trois auteurs.
Jusqu'à ce moment, les matrices étaient rarement utilisées par les physiciens ; elles étaient considérées comme appartenant au domaine des mathématiques pures. Gustav Mie les avait utilisées dans un article sur l'électrodynamique en 1912 et Born les avait utilisées dans son travail sur la théorie des réseaux de cristaux en 1921. Bien que les matrices aient été utilisées dans ces cas, l'algèbre des matrices avec leur multiplication n'est pas entrée en jeu comme dans la formulation matricielle de la mécanique quantique.
En 1928, Albert Einstein a nommé Heisenberg, Born et Jordan pour le prix Nobel de physique, L'annonce du Nobel
