Werner Karl Heisenberg era un fisico teorico tedesco e uno dei principali pionieri della meccanica quantistica. Ha pubblicato il suo lavoro nel 1925 in un articolo rivoluzionario. Nella successiva serie di articoli con Max Born e Pascual Jordan, nello stesso anno, questa formulazione matriciale della meccanica quantistica è stata sostanzialmente elaborata. È noto per il principio di indeterminazione, che ha pubblicato nel 1927. Heisenberg ha ricevuto il Premio Nobel per la Fisica del 1932 "per la creazione della meccanica quantistica".
Heisenberg ha inoltre dato importanti contributi alle teorie dell'idrodinamica dei flussi turbolenti, del nucleo atomico, del ferromagnetismo, dei raggi cosmici e delle particelle subatomiche. È stato uno scienziato principale nel programma di armi nucleari tedesco durante la Seconda Guerra Mondiale. È stato anche determinante nella progettazione del primo reattore nucleare della Germania Occidentale a Karlsruhe, insieme a un reattore di ricerca a Monaco, nel 1957.
Dopo la Seconda Guerra Mondiale, è stato nominato direttore del Kaiser Wilhelm Institute for Physics, che subito dopo è stato rinominato Max Planck Institute for Physics. È stato direttore dell'istituto fino a quando non è stato trasferito a Monaco nel 1958. In seguito è diventato direttore del Max Planck Institute for Astrophysics dal 1960 al 1970.
Heisenberg è stato anche presidente del German Research Council, presidente della Commission for Atomic Physics, presidente del Nuclear Physics Working Group e presidente della Alexander von Humboldt Foundation.
Primi anni e studi
Primi anni
Werner Karl Heisenberg è nato a Würzburg, Germania, da Kaspar Ernst August Heisenberg , un insegnante di scuola secondaria di lingue classiche che è diventato l'unico ordentlicher Professor ordinarius professore tedesco di studi greci medievali e moderni nel sistema universitario, e sua moglie, Annie Wecklein.
Heisenberg è stato cresciuto e ha vissuto come cristiano luterano. La sua autobiografia inizia con il giovane Heisenberg nei suoi ultimi anni da adolescente, che legge il Timeo di Platone mentre fa un'escursione nelle Alpi bavaresi. Heisenberg ha raccontato le conversazioni filosofiche con i suoi compagni di studi e insegnanti sulla comprensione dell'atomo mentre riceveva la sua formazione scientifica a Monaco, Gottinga e Copenaghen. Heisenberg avrebbe poi affermato che "La mia mente è stata formata dallo studio della filosofia, Platone e cose di questo genere". e che "La fisica moderna ha definitivamente deciso a favore di Platone. In realtà le unità più piccole della materia non sono oggetti fisici nel senso ordinario; sono forme, idee che possono essere espresse in modo univoco solo nel linguaggio matematico"
Heisenberg è arrivato a Monaco nel 1919 come membro dei Freikorps per combattere la Repubblica Sovietica Bavarese stabilita un anno prima. Cinquant'anni dopo ha ricordato quei giorni come divertimento giovanile, come "giocare a polizia e ladri e così via; non era nulla di serio".
Abilitazione
Ha studiato fisica e matematica dal 1920 al 1923 presso la Ludwig Maximilian University of Munich e la Georg-August University of Göttingen. A Monaco, ha studiato sotto Arnold Sommerfeld e Wilhelm Wien. A Gottinga, ha studiato fisica con Max Born e James Franck e matematica con David Hilbert. Ha ricevuto il suo dottorato nel 1923 a Monaco sotto Sommerfeld. A Gottinga, sotto Born, ha completato la sua abilitazione nel 1924 con una tesi di Habilitationsschrift sul effetto Zeeman anomalo.
Poiché Sommerfeld aveva un sincero interesse nei suoi studenti e conosceva l'interesse di Heisenberg per le teorie di Niels Bohr sulla fisica atomica, Sommerfeld ha portato Heisenberg a Gottinga per partecipare al Bohr Festival di giugno 1922. All'evento, Bohr è stato ospite come relatore e ha tenuto una serie di lezioni complete sulla fisica atomica quantistica. Lì, Heisenberg ha incontrato Bohr per la prima volta, e ha avuto un effetto significativo e duraturo su di lui.
La tesi di dottorato di Heisenberg, il cui argomento è stato suggerito da Sommerfeld, riguardava la turbolenza; la tesi ha discusso sia la stabilità del flusso laminare che la natura del flusso turbolento. Il problema della stabilità è stato investigato utilizzando l'equazione di Orr-Sommerfeld, un'equazione differenziale lineare di quarto ordine per piccole perturbazioni dal flusso laminare. Ha brevemente ripreso questo argomento dopo la Seconda Guerra Mondiale.
Nella sua giovinezza era membro e caposcouta del Neupfadfinder, un'associazione di scout tedesca e parte del German Youth Movement. Ad agosto 1923 Robert Honsell e Heisenberg hanno organizzato un viaggio in Finlandia con un gruppo di scout di questa associazione da Monaco.
Vita personale
Heisenberg amava la musica classica ed era un pianista provetto. Il suo interesse per la musica lo ha portato a incontrare sua futura moglie. Nel gennaio 1937, Heisenberg ha incontrato Elisabeth Schumacher 1914–1998 a un recital musicale privato. Elisabeth era la figlia di un noto professore di economia di Berlino, e suo fratello era l'economista E. F. Schumacher, autore di Small Is Beautiful. Heisenberg l'ha sposata il 29 aprile. Gemelli fraterni Maria e Wolfgang sono nati nel gennaio 1938, dopodiché Wolfgang Pauli ha congratulato Heisenberg sulla sua "creazione di coppia"—un gioco di parole su un processo della fisica delle particelle elementari, produzione di coppia. Hanno avuto altri cinque figli nei successivi 12 anni: Barbara, Christine, Jochen, Martin e Verena. Nel 1936 ha acquistato una casa estiva per la sua famiglia a Urfeld am Walchensee, nel sud della Germania.
Carriera accademica
Gottinga, Copenaghen e Lipsia
Dal 1924 al 1927, Heisenberg è stato un Privatdozent a Gottinga, il che significa che era qualificato per insegnare e esaminare in modo indipendente, senza avere una cattedra. Dal 17 settembre 1924 al 1 maggio 1925, con una borsa di studio della International Education Board Rockefeller Foundation, Heisenberg è andato a fare ricerca con Niels Bohr, direttore dell'Institute of Theoretical Physics presso l'Università di Copenaghen. Il suo articolo seminale, "Über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen" "Reinterpretazione teorica dei quanti delle relazioni cinematiche e meccaniche", è stato pubblicato nel settembre 1925. È tornato a Gottinga e, con Max Born e Pascual Jordan in un periodo di circa sei mesi, ha sviluppato la formulazione della meccanica matriciale della meccanica quantistica. Il 1 maggio 1926, Heisenberg ha iniziato il suo incarico come lettore universitario e assistente di Bohr a Copenaghen. È stato a Copenaghen, nel 1927, che Heisenberg ha sviluppato il suo principio di indeterminazione, mentre lavorava sui fondamenti matematici della meccanica quantistica. Il 23 febbraio, Heisenberg ha scritto una lettera al collega fisico Wolfgang Pauli, in cui ha descritto per la prima volta il suo nuovo principio. Nel suo articolo sul principio, Heisenberg ha usato la parola "Ungenauigkeit" imprecisione, non incertezza, per descriverlo.
Nel 1927, Heisenberg è stato nominato ordentlicher Professor professore ordinario di fisica teorica e capo del dipartimento di fisica presso l'Università di Lipsia; ha tenuto la sua lezione inaugurale lì il 1 febbraio 1928. Nel suo primo articolo pubblicato da Lipsia, Heisenberg ha usato il principio di esclusione di Pauli per risolvere il mistero del ferromagnetismo.
Durante la permanenza di Heisenberg a Lipsia, l'alta qualità degli studenti dottorali e dei collaboratori di ricerca e post-laurea che hanno studiato e lavorato con lui è chiara dal prestigio che molti hanno successivamente ottenuto. In vari momenti hanno incluso 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 e Clarence Zener.
All'inizio del 1929, Heisenberg e Pauli hanno presentato il primo di due articoli che gettavano le fondamenta della teoria quantistica relativistica dei campi. Anche nel 1929, Heisenberg ha intrapreso un tour di lezioni in Cina, Giappone, India e Stati Uniti. Nella primavera del 1929, è stato ospite come relatore presso l'Università di Chicago, dove ha tenuto lezioni sulla meccanica quantistica.
Nel 1928, il fisico matematico britannico Paul Dirac aveva derivato la sua equazione d'onda relativistica della meccanica quantistica, che implicava l'esistenza di elettroni positivi, successivamente denominati positroni. Nel 1932, da una fotografia di camera a nebbia di raggi cosmici, il fisico americano Carl David Anderson ha identificato una traccia come prodotta da un positrone. A metà 1933, Heisenberg ha presentato la sua teoria del positrone. Il suo pensiero sulla teoria di Dirac e l'ulteriore sviluppo della teoria sono stati esposti in due articoli. Il primo, "Bemerkungen zur Diracschen Theorie des Positrons" "Osservazioni sulla teoria di Dirac del positrone" è stato pubblicato nel 1934, e il secondo, "Folgerungen aus der Diracschen Theorie des Positrons" "Conseguenze della teoria di Dirac del positrone", è stato pubblicato nel 1936. In questi articoli Heisenberg è stato il primo a reinterpretare l'equazione di Dirac come un'"classica" equazione di campo per qualsiasi particella puntiforme di spin ħ/2, essa stessa soggetta a condizioni di quantizzazione che coinvolgono anti-commutatori. Reinterpretandola così come un'equazione di campo quantistico che descrive accuratamente gli elettroni, Heisenberg ha messo la materia sullo stesso piano dell'elettromagnetismo: come essendo descritta da equazioni di campo quantistico relativistiche che consentivano la possibilità di creazione e distruzione di particelle. Hermann Weyl aveva già descritto questo in una lettera del 1929 ad Albert Einstein.
Meccanica matriciale e il Premio Nobel
L'articolo di Heisenberg che stabilisce la meccanica quantistica ha confuso i fisici e gli storici. I suoi metodi presuppongono che il lettore abbia familiarità con i calcoli della probabilità di transizione di Kramers-Heisenberg. L'idea principale nuova, matrici non commutative, è giustificata solo dal rifiuto di quantità non osservabili. Introduce la moltiplicazione non commutativa di matrici mediante il ragionamento fisico, basato sul principio di corrispondenza, nonostante il fatto che Heisenberg non fosse allora familiare con la teoria matematica delle matrici. Il percorso che ha portato a questi risultati è stato ricostruito in MacKinnon, 1977, e i calcoli dettagliati sono elaborati in Aitchison et al.
A Copenaghen, Heisenberg e Hans Kramers hanno collaborato a un articolo sulla dispersione, o lo scattering da atomi di radiazione la cui lunghezza d'onda è maggiore degli atomi. Hanno mostrato che la formula di successo sviluppata da Kramers in precedenza non poteva essere basata su orbite di Bohr, perché le frequenze di transizione si basano su spaziamenti di livello che non sono costanti. Le frequenze che si verificano nella trasformata di Fourier di nette orbite classiche, per contrasto, sono equidistanti. Ma questi risultati potevano essere spiegati da un modello semi-classico di stato virtuale: la radiazione in ingresso eccita l'elettrone di valenza, o esterno, a uno stato virtuale da cui decade. In un articolo successivo Heisenberg ha mostrato che questo modello di oscillatore virtuale poteva anche spiegare la polarizzazione della radiazione fluorescente.
Questi due successi, e il continuo fallimento del modello di Bohr-Sommerfeld nel spiegare il problema straordinario dell'effetto Zeeman anomalo, hanno portato Heisenberg a usare il modello di oscillatore virtuale per tentare di calcolare le frequenze spettrali. Il metodo si è rivelato troppo difficile da applicare immediatamente a problemi realistici, così Heisenberg si è rivolto a un esempio più semplice, l'oscillatore anarmonico.
L'oscillatore dipolo consiste in un semplice oscillatore armonico, pensato come una particella carica su una molla, perturbato da una forza esterna, come una carica esterna. Il movimento della carica oscillante può essere espresso come una serie di Fourier nella frequenza dell'oscillatore. Heisenberg ha risolto il comportamento quantistico con due metodi diversi. In primo luogo, ha trattato il sistema con il metodo dell'oscillatore virtuale, calcolando le transizioni tra i livelli che sarebbero stati prodotti dalla sorgente esterna.
Ha poi risolto lo stesso problema trattando il termine potenziale anarmonico come una perturbazione all'oscillatore armonico e utilizzando i metodi di perturbazione che lui e Born avevano sviluppato. Entrambi i metodi hanno portato agli stessi risultati per il primo e i termini di correzione del secondo ordine molto complicati. Questo ha suggerito che dietro i calcoli molto complicati c'era uno schema coerente.
Così Heisenberg ha deciso di formulare questi risultati senza alcuna dipendenza esplicita dal modello di oscillatore virtuale. Per fare questo, ha sostituito le espansioni di Fourier per le coordinate spaziali con matrici, matrici che corrispondevano ai coefficienti di transizione nel metodo dell'oscillatore virtuale. Ha giustificato questa sostituzione con un appello al principio di corrispondenza di Bohr e alla dottrina di Pauli secondo cui la meccanica quantistica deve essere limitata agli osservabili.
Il 9 luglio, Heisenberg ha dato a Born questo articolo da rivedere e inviare per la pubblicazione. Quando Born ha letto l'articolo, ha riconosciuto la formulazione come una che potrebbe essere trascritta ed estesa al linguaggio sistematico delle matrici, che aveva imparato dal suo studio sotto Jakob Rosanes presso l'Università di Breslavia. Born, con l'aiuto del suo assistente e ex studente Pascual Jordan, ha subito iniziato a effettuare la trascrizione e l'estensione, e hanno presentato i loro risultati per la pubblicazione; l'articolo è stato ricevuto per la pubblicazione appena 60 giorni dopo l'articolo di Heisenberg. Un articolo successivo è stato presentato per la pubblicazione prima della fine dell'anno da tutti e tre gli autori.
Fino a questo momento, le matrici erano raramente utilizzate dai fisici; erano considerate appartenere al regno della matematica pura. Gustav Mie le aveva usate in un articolo sull'elettrodinamica nel 1912 e Born le aveva usate nel suo lavoro sulla teoria del reticolo dei cristalli nel 1921. Sebbene le matrici fossero utilizzate in questi casi, l'algebra delle matrici con la loro moltiplicazione non è entrata in gioco come nella formulazione matriciale della meccanica quantistica.
Nel 1928, Albert Einstein ha nominato Heisenberg, Born e Jordan per il Premio Nobel per la Fisica. L'annuncio del Nobe
