Werner Karl Heisenberg は、ドイツの理論物理学者であり、量子力学の主要な開拓者の一人でした。彼は 1925 年に革新的な論文で彼の研究を発表しました。同じ年の後続の一連の論文では、Max Born と Pascual Jordan とともに、量子力学のこの行列定式化が大幅に詳しく説明されました。彼は、1927 年に発表した不確定性原理で知られています。Heisenberg は「量子力学の創成」により、1932 年のノーベル物理学賞を受賞しました。
Heisenberg はまた、乱流の流体力学、原子核、強磁性、宇宙線、および素粒子の理論に重要な貢献をしました。第二次世界大戦中、彼はドイツの核兵器計画の主要な科学者でした。彼はまた、1957 年に Karlsruhe での最初の西ドイツ核反応炉の計画と、ミュンヘンの研究用反応炉の計画にも貢献しました。
第二次世界大戦後、彼は Kaiser Wilhelm 物理学研究所の所長に任命され、その直後に Max Planck 物理学研究所に改名されました。彼は 1958 年にミュンヘンに移転されるまで、この研究所の所長を務めました。その後、1960 年から 1970 年まで Max Planck 天体物理学研究所の所長になりました。
Heisenberg はまた、ドイツ研究委員会の会長、原子物理学委員会の議長、核物理学作業部会の議長、および Alexander von Humboldt 財団の会長を務めました。
初期生活と研究
初期年
Werner Karl Heisenberg は Würzburg、ドイツで、古典言語の中等学校教師で、ドイツの大学システムで中世および現代ギリシャ研究の唯一の ordentlicher Professor ordinarius 教授になった Kaspar Ernst August Heisenberg と、彼の妻 Annie Wecklein に生まれました。
Heisenberg はルーテル派のキリスト教徒として育てられ、生活していました。彼の自伝は、バイエルン・アルプスでハイキング中に Plato の Timaeus を読んでいた若い Heisenberg の後期の十代で始まります。Heisenberg は、Munich、Göttingen、Copenhagen で科学訓練を受けながら、原子の理解について同僚や教師との哲学的な会話を詳しく述べました。Heisenberg は後に、「私の心は哲学、Plato などを研究することによって形成された」と述べ、「現代物理学は確実に Plato に有利に決めた。実は、物質の最小単位は普通の意味での物理的物体ではなく、それらは数学言語でのみ明確に表現することができる形式、アイデアである」と述べました。
Heisenberg は 1919 年に Freikorps のメンバーとして Munich に到着し、1 年前に確立されたバイエルン・ソビエト共和国と戦いました。50 年後、彼はそれらの日々を、「警察と泥棒をしたり、などなど、何も深刻ではありませんでした」というような若々しい楽しみとして思い出しました。
ハビリタツィオン
彼は 1920 年から 1923 年まで Ludwig Maximilian University of Munich と Georg-August University of Göttingen で物理学と数学を研究しました。Munich では、Arnold Sommerfeld と Wilhelm Wien の指導下で研究しました。Göttingen では、Max Born と James Franck と物理学を、David Hilbert と数学を研究しました。彼は 1923 年に Sommerfeld の指導下で Munich で博士号を取得しました。Göttingen では、Born の指導下で、異常 Zeeman 効果に関する Habilitationsschrift ハビリタション論文で 1924 年にハビリタションを修了しました。
Sommerfeld は彼の学生に真摯な関心を持ち、Heisenberg が Niels Bohr の原子物理学の理論に関心を持っていることを知っていたため、Sommerfeld は Heisenberg を 1922 年 6 月の Bohr Festival に参加させるため Göttingen に連れて行きました。このイベントで、Bohr はゲスト講演者であり、量子原子物理学に関する一連の包括的な講演を行いました。そこで、Heisenberg は初めて Bohr に会い、それは彼に重大な継続的な影響を与えました。
Heisenberg の博士論文は、話題は Sommerfeld によって提案されたもので、乱流に関するものでした。論文は、層流の安定性と乱流の性質の両方について説明しました。安定性の問題は、層流からの小さな擾乱に対する 4 次線形微分方程式である Orr–Sommerfeld 方程式を使用して調査されました。彼は第二次世界大戦後、このトピックに簡単に戻りました。
若い頃、彼はドイツのスカウト協会であり、ドイツの青年運動の一部である Neupfadfinder のメンバーおよびスカウトリーダーでした。1923 年 8 月、Robert Honsell と Heisenberg は Munich からのこの協会のスカウト団体とフィンランドへの旅行を企画しました。
私生活
Heisenberg はクラシック音楽を楽しみ、熟練したピアニストでした。音楽への関心は、彼の将来の妻に会うことにつながりました。1937 年 1 月、Heisenberg は私的な音楽リサイタルで Elisabeth Schumacher 1914–1998 に会いました。Elisabeth はベルリンの著名な経済学教授の娘で、彼女の兄は「Small Is Beautiful」の著者である経済学者 E. F. Schumacher でした。Heisenberg は 4 月 29 日に彼女と結婚しました。一卵性双生児の Maria と Wolfgang は 1938 年 1 月に生まれ、その際 Wolfgang Pauli は Heisenberg を彼の「対生成」 — 初等粒子物理学からのプロセスである対生産での言葉遊び — で祝福しました。彼らは次の 12 年間に 5 人のより多くの子供を持っていました：Barbara、Christine、Jochen、Martin、および Verena。1936 年に、彼はドイツ南部の Urfeld am Walchensee に家族のための夏の家を購入しました。
学術キャリア
Göttingen、Copenhagen、および Leipzig
1924 年から 1927 年まで、Heisenberg は Göttingen の Privatdozent でしたが、これは彼が独立して教え、試験する資格があり、椅子を持たずに有効であることを意味します。1924 年 9 月 17 日から 1925 年 5 月 1 日まで、International Education Board Rockefeller Foundation フェローシップの下で、Heisenberg は University of Copenhagen の Theoretical Physics 研究所の所長である Niels Bohr と研究をするために行きました。彼の重要な論文「Über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen」「量子理論的解釈運動学的および機械的関係」は 1925 年 9 月に発表されました。彼は Göttingen に戻り、Max Born と Pascual Jordan と約 6 ヶ月の期間で、量子力学の行列力学定式化を開発しました。1926 年 5 月 1 日、Heisenberg は Copenhagen で Bohr の大学講師およびアシスタントとしての任命を開始しました。量子力学の数学的基礎に取り組んでいるとき、1927 年に Copenhagen で Heisenberg は彼の不確定性原理を開発しました。2 月 23 日、Heisenberg は fellow physicist Wolfgang Pauli に手紙を書き、その中で彼は初めて彼の新しい原理を説明しました。原理に関する彼の論文で、Heisenberg は「Ungenauigkeit」不正確さという言葉を使用し、不確定性ではなく、それを説明するために。
1927 年、Heisenberg は Leipzig 大学の理論物理学の ordentlicher Professor 教授および物理学部の長に任命されました。彼は 1928 年 2 月 1 日にそこで彼の就任講演を行いました。Leipzig から発表された最初の論文で、Heisenberg は Pauli 排他原理を使用して強磁性の謎を解きました。
Leipzig での Heisenberg の任期中、彼と一緒に研究し、働いた博士課程の学生および大学院および研究アソシエートの質の高さは、多くの後に獲得した賞賛から明らかです。様々な時点で、彼らは 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、および Clarence Zener を含んでいました。
1929 年初頭、Heisenberg と Pauli は相対論的量子場理論の基礎を築く最初の 2 つの論文を提出しました。また 1929 年に、Heisenberg は中国、日本、インド、およびアメリカの講演ツアーに行きました。1929 年の春、彼は University of Chicago のビジティング講師であり、そこで彼は量子力学について講演しました。
1928 年、イギリスの数学物理学者 Paul Dirac は、量子力学の相対論的波動方程式を導出しており、後に positrons と名付けられた正の電子の存在を暗示していました。1932 年、宇宙線の cloud chamber 写真から、アメリカの物理学者 Carl David Anderson は、トラックが positron によって作られたと識別しました。1933 年中盤、Heisenberg は positron の彼の理論を提示しました。Dirac の理論についての彼の思考と理論のさらなる発展は 2 つの論文で説明されました。最初の「Bemerkungen zur Diracschen Theorie des Positrons」「Dirac の positron 理論に関する注釈」は 1934 年に発表され、2 番目の「Folgerungen aus der Diracschen Theorie des Positrons」「Dirac の Positron 理論の結果」は 1936 年に発表されました。これらの論文で Heisenberg は、Dirac 方程式を、スピン ħ/2 の任意の点粒子に対する「古典的な」場方程式として再解釈する最初の人でした。これ自体は反交換子を含む量子化条件の対象です。したがって、それを電子を正確に説明する量子場方程式として再解釈し、Heisenberg は物質を電磁気と同じ基盤に置きました：粒子の生成と破壊の可能性を許可した相対論的量子場方程式によって説明されるというように。Hermann Weyl は既に 1929 年の Albert Einstein への手紙でこれを説明していました。
行列力学とノーベル賞
量子力学を確立する Heisenberg の論文は物理学者と歴史家を困惑させています。彼の方法は、読者が Kramers-Heisenberg 遷移確率計算に精通していることを前提としています。主な新しいアイデアである非可換行列は、観察不可能な量の拒否によってのみ正当化されます。対応原理に基づいた物理的推論により、非可換的な行列の乗算を導入しますが、Heisenberg は当時行列の数学的理論に精通していませんでした。これらの結果に至る経路は MacKinnon, 1977 で再構成されており、詳細な計算は Aitchison et al で実行されます。
Copenhagen では、Heisenberg と Hans Kramers は分散に関する論文で協力しました。つまり、原子よりも波長が大きい放射線の原子からの散乱です。彼らは、Kramers が以前に開発した成功した公式は Bohr 軌道に基づくことはできないことを示しました。遷移周波数は一定ではないレベルスペーシングに基づいているからです。対照的に、鋭い古典軌道の Fourier 変換で発生する周波数は、等間隔です。しかし、これらの結果は半古典的な仮想状態モデルで説明することができます：入射放射線は、層流からの小さな擾乱に対する 4 次線形微分方程式である原子価またはあれる外側の電子を仮想状態に励起します。その後の論文で Heisenberg は、この仮想振動子モデルはまた蛍光放射の分極を説明することができることを示しました。
これら 2 つの成功と、異常 Zeeman 効果の未解決の問題を説明するために Bohr–Sommerfeld モデルの継続的な失敗は、Heisenberg は仮想振動子モデルを使用してスペクトル周波数を計算しようとするに至りました。方法は現実的な問題にすぐに適用するのに難しすぎることが判明したため、Heisenberg はより単純な例である非調和振動子に目を向けました。
双極子振動子は、単純な調和振動子で構成されており、これはバネ上の帯電粒子と考えられており、外力（外部電荷など）によって摂動されます。振動する電荷の運動は、振動子の周波数の Fourier 級数として表現することができます。Heisenberg は 2 つの異なる方法で量子的行動を解きました。最初に、彼は仮想振動子の方法でシステムを扱い、外部ソースによって生成される遷移を計算しました。
その後、彼は非調和ポテンシャル項を調和振動子への摂動として処理し、彼と Born が開発した摂動法を使用することで、同じ問題を解きました。両方の方法は、最初の非常に複雑な 2 次補正項の同じ結果をもたらしました。これは、非常に複雑な計算の背後に、一貫したスキームが存在することを示唆しました。
そのため Heisenberg は、仮想振動子モデルへの明示的な依存なしにこれらの結果を定式化するために着手しました。これを行うために、彼は空間座標の Fourier 展開を行列に置き換えました。仮想振動子の方法における遷移係数に対応する行列です。彼は Bohr の対応原理と、量子力学は観察可能なものに限定されなければならないという Pauli ドクトリンへの訴えによってこの置き換えを正当化しました。
7 月 9 日に、Heisenberg はこの論文をレビューして出版のために提出するよう Born に与えました。Born が論文を読んだとき、彼は、彼が Breslau University の Jakob Rosanes の指導下で研究から学んだ行列の体系的な言語に転写および拡張することができるものとして定式化を認識しました。Born は、彼のアシスタント兼元学生の Pascual Jordan の助けを借りて、すぐに転写と拡張を行い始め、出版の結果を提出しました。論文は Heisenberg の論文の 60 日後の出版のために受け取られました。その後の論文は、3 人の著者全員によって年末前に出版のために提出されました。
これまで、行列は物理学者によってめったに使用されていませんでした。彼らは純粋数学の領域に属するものと考えられていました。Gustav Mie は 1912 年の電気力学に関する論文で彼らを使用し、Born は 1921 年の結晶の格子理論に関する彼の仕事で彼らを使用していました。これらの場合では行列が使用されたが、量子力学の行列定式化では彼らがしたようには行列の乗算を伴う行列の代数は図に入りませんでした。
1928 年、Albert Einstein は Heisenberg、Born、および Jordan をノーベル物理学賞に推薦しました。Nobe の発表
