Werner Karl Heisenberg는 독일의 이론 물리학자이며 양자역학의 주요 개척자 중 한 명입니다. 그는 1925년 획기적인 논문에서 자신의 업적을 발표했습니다. 같은 해 Max Born과 Pascual Jordan과 함께 발표한 일련의 후속 논문들에서 양자역학의 행렬 공식화가 실질적으로 정교해졌습니다. 그는 1927년에 발표한 불확정성 원리로 알려져 있습니다. Heisenberg는 "양자역학의 창조"로 1932년 노벨 물리학상을 수상했습니다.
Heisenberg는 또한 난류의 유체역학, 원자핵, 강자성, 우주선 및 아원자 입자 이론에 중요한 기여를 했습니다. 그는 제2차 세계대전 중 독일 핵무기 프로그램의 주요 과학자였습니다. 또한 1957년 Karlsruhe의 첫 번째 서독 핵 반응로 계획과 Munich의 연구용 반응로 계획을 수립하는 데 중요한 역할을 했습니다.
제2차 세계대전 이후, 그는 Kaiser Wilhelm Institute for Physics의 소장으로 임명되었으며, 곧 이후 Max Planck Institute for Physics로 이름이 변경되었습니다. 1958년 Munich로 이전될 때까지 이 연구소의 소장을 역임했습니다. 그 후 1960년부터 1970년까지 Max Planck Institute for Astrophysics의 소장이 되었습니다.
Heisenberg는 또한 독일 연구 위원회의 회장, 원자 물리학 위원회의 의장, 핵물리학 작업 그룹의 의장, 그리고 Alexander von Humboldt Foundation의 회장을 역임했습니다.
초기 생활 및 학문
초기 시절
Werner Karl Heisenberg는 독일 Würzburg에서 태어났으며, 부친은 Kaspar Ernst August Heisenberg로 고전 언어의 중학교 교사였으며 나중에 독일 대학 체계에서 유일한 중세 및 현대 그리스 연구 ordentlicher Professor ordinarius 교수가 되었고, 모친은 Annie Wecklein입니다.
Heisenberg는 루터교 신자로서 성장하고 살았습니다. 그의 자서전은 후기 십대 시절의 젊은 Heisenberg가 바바리아 알프스에서 하이킹을 하며 Plato의 Timaeus를 읽는 장면으로 시작합니다. Heisenberg는 Munich, Göttingen 및 Copenhagen에서 과학 교육을 받는 동안 원자를 이해하는 것에 대해 동료 학생 및 교사들과 나눈 철학적 대화를 회상했습니다. Heisenberg는 나중에 "나의 정신은 철학, Plato 등의 연구로 형성되었다"고 말했고, "현대 물리학은 분명히 Plato를 지지하는 결정을 내렸습니다. 실제로 물질의 가장 작은 단위는 보통의 의미에서 물리적 대상이 아니라 수학적 언어로만 명확하게 표현될 수 있는 형태, 아이디어입니다"라고 했습니다.
Heisenberg는 1919년 1년 전에 수립된 바바리아 소비에트 공화국과 싸우기 위해 Freikorps의 일원으로 Munich에 도착했습니다. 50년 후 그는 그 시절을 "경찰과 도둑 놀이 같은 것을 하는" 청년다운 재미로 회상했으며, "전혀 심각한 것이 아니었다"고 말했습니다.
Habilitation
그는 1920년부터 1923년까지 Ludwig Maximilian University of Munich와 Georg-August University of Göttingen에서 물리학과 수학을 공부했습니다. Munich에서는 Arnold Sommerfeld와 Wilhelm Wien 아래에서 공부했습니다. Göttingen에서는 Max Born과 James Franck과 물리학을, David Hilbert와 수학을 공부했습니다. 그는 1923년 Munich에서 Sommerfeld 아래에서 박사 학위를 받았습니다. Göttingen에서는 Born 아래에서 1924년에 비정상 Zeeman 효과에 관한 Habilitationsschrift 하빌리타시온 논문으로 habilitation을 완료했습니다.
Sommerfeld는 자신의 학생들에게 진심 어린 관심을 가지고 있었고 Heisenberg의 Niels Bohr의 원자 물리학 이론에 대한 관심을 알고 있었기 때문에, Sommerfeld는 1922년 6월의 Bohr Festival에 참석하기 위해 Heisenberg를 Göttingen으로 데려갔습니다. 이 행사에서 Bohr는 초청 강연자였고 양자 원자 물리학에 관한 일련의 종합적인 강의를 했습니다. Heisenberg는 거기서 처음으로 Bohr를 만났고, 이것은 그에게 중요하고 지속적인 영향을 미쳤습니다.
Heisenberg의 박사 논문은 Sommerfeld에 의해 제안된 주제로 난류에 관한 것이었습니다. 논문은 층류 흐름의 안정성과 난류 흐름의 성질을 모두 논의했습니다. 안정성 문제는 층류 흐름에서의 작은 교란에 대한 4차 선형 미분방정식인 Orr–Sommerfeld 방정식을 사용하여 조사되었습니다. 그는 제2차 세계대전 이후 이 주제로 짧게 돌아왔습니다.
청년 시절 그는 독일 스카우트 협회의 일부인 Neupfadfinder의 회원이자 스카우트 리더였고 독일 청년 운동의 일부였습니다. 1923년 8월 Robert Honsell과 Heisenberg는 Munich의 이 협회의 스카우트 그룹과 함께 핀란드 여행을 조직했습니다.
개인 생활
Heisenberg는 고전 음악을 즐겼고 훌륭한 피아니스트였습니다. 음악에 대한 그의 관심은 미래의 아내를 만나게 이끌었습니다. 1937년 1월, Heisenberg는 사적인 음악 리사이틀에서 Elisabeth Schumacher 1914–1998을 만났습니다. Elisabeth는 유명한 Berlin 경제학 교수의 딸이었고, 그녀의 오빠는 경제학자 E. F. Schumacher로 Small Is Beautiful의 저자였습니다. Heisenberg는 4월 29일에 그녀와 결혼했습니다. 쌍둥이 Maria와 Wolfgang은 1938년 1월에 태어났고, 그 때 Wolfgang Pauli는 Heisenberg에게 소립자 물리학의 한 과정인 쌍 생성에 대한 언어유희로 "쌍 생성"을 축하했습니다. 그들은 향후 12년 동안 5명의 자녀를 더 두었습니다: Barbara, Christine, Jochen, Martin 및 Verena. 1936년 그는 남부 독일의 Urfeld am Walchensee에서 가족을 위한 여름 집을 샀습니다.
학문적 경력
Göttingen, Copenhagen 및 Leipzig
1924년부터 1927년까지, Heisenberg는 Göttingen의 Privatdozent로서 의자를 소유하지 않고도 독립적으로 강의하고 시험할 수 있는 자격이 있었습니다. 1924년 9월 17일부터 1925년 5월 1일까지, International Education Board Rockefeller Foundation 펠로우십 아래에서, Heisenberg는 Copenhagen 대학교 이론 물리학 연구소의 소장인 Niels Bohr와 함께 연구하기 위해 갔습니다. 그의 기념비적인 논문인 "Über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen" "양자 이론적 운동학 및 기계적 관계의 재해석"은 1925년 9월에 발표되었습니다. 그는 Göttingen으로 돌아와 Max Born과 Pascual Jordan과 약 6개월 동안 양자역학의 행렬 역학 공식을 개발했습니다. 1926년 5월 1일, Heisenberg는 Copenhagen에서 대학 강사 및 Bohr의 조교로 임명을 시작했습니다. 1927년 Copenhagen에서 양자역학의 수학적 기초에서 작업하면서 Heisenberg는 불확정성 원리를 개발했습니다. 2월 23일, Heisenberg는 동료 물리학자 Wolfgang Pauli에게 편지를 썼고, 그 편지에서 처음 자신의 새로운 원리를 설명했습니다. 이 원리에 관한 그의 논문에서, Heisenberg는 "Ungenauigkeit" 부정확성이라는 단어를 사용했으며, 불확정성이 아니라 그것을 설명했습니다.
1927년, Heisenberg는 Leipzig 대학의 이론 물리학 ordentlicher Professor 교수이자 물리학과 학과장으로 임명되었습니다. 그는 1928년 2월 1일 그곳에서 취임 강연을 했습니다. Leipzig에서 발표한 그의 첫 번째 논문에서, Heisenberg는 Pauli 배타 원리를 사용하여 강자성의 신비를 풀었습니다.
Heisenberg의 Leipzig 재직 기간 동안, 그와 함께 공부하고 일한 박사 학생 및 대학원생, 연구원의 높은 질은 많은 사람들이 나중에 얻은 칭찬에서 명확합니다. 다양한 시기에 그들에는 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 및 Clarence Zener가 포함되었습니다.
1929년 초, Heisenberg와 Pauli는 상대론적 양자장 이론의 기초를 마련하는 두 논문 중 첫 번째를 제출했습니다. 또한 1929년, Heisenberg는 China, Japan, India 및 United States의 강연 투어를 다녔습니다. 1929년 봄, 그는 Chicago 대학의 방문 강사로서 양자역학에 관해 강의했습니다.
1928년, 영국의 수학 물리학자 Paul Dirac은 양자역학의 상대론적 파동 방정식을 유도했으며, 이는 나중에 양전자라고 명명될 양전자의 존재를 의미했습니다. 1932년, 우주선의 구름 상자 사진에서, 미국 물리학자 Carl David Anderson은 한 궤적을 양전자에 의해 만들어진 것으로 확인했습니다. 1933년 중반, Heisenberg는 양전자에 대한 자신의 이론을 제시했습니다. Dirac의 이론에 대한 그의 생각과 이론의 추가 개발은 두 논문에서 제시되었습니다. 첫 번째인 "Bemerkungen zur Diracschen Theorie des Positrons" "Dirac의 양전자 이론에 대한 발언"은 1934년에 발표되었고, 두 번째인 "Folgerungen aus der Diracschen Theorie des Positrons" "Dirac의 양전자 이론의 결과"는 1936년에 발표되었습니다. 이 논문들에서 Heisenberg는 Dirac 방정식을 반교환자를 포함하는 양자화 조건의 대상이 되는 스핀 ħ/2의 임의의 점 입자에 대한 "고전" 장 방정식으로 재해석한 첫 번째 사람이었습니다. 따라서 전자를 정확하게 설명하는 양자 장 방정식으로 재해석하면서, Heisenberg는 물질을 전자기학과 동등한 수준으로 설정했습니다: 입자 생성 및 소멸의 가능성을 허용하는 상대론적 양자 장 방정식으로 설명되는 것으로 말입니다. Hermann Weyl은 이미 1929년 Albert Einstein에게 쓴 편지에서 이를 설명했습니다.
행렬 역학과 노벨상
Heisenberg의 양자역학을 확립한 논문은 물리학자와 역사가들을 혼란스럽게 했습니다. 그의 방법은 독자가 Kramers-Heisenberg 전이 확률 계산에 익숙하다고 가정합니다. 주요한 새로운 아이디어인 비가환 행렬은 관측 불가능한 양의 거부로만 정당화됩니다. Heisenberg가 그 당시 행렬의 수학 이론에 익숙하지 않았음에도 불구하고, 행렬의 비가환 곱셈을 대응 원리에 기초한 물리적 추론으로 도입합니다. 이 결과로 이어지는 경로는 MacKinnon, 1977에서 재구성되었고, 상세한 계산은 Aitchison et al에서 작성되었습니다.
Copenhagen에서, Heisenberg와 Hans Kramers는 분산, 즉 원자의 크기보다 파장이 큰 방사선의 산란에 관한 논문에서 협력했습니다. 그들은 Kramers가 이전에 개발한 성공적인 공식이 전이 주파수가 일정하지 않은 레벨 간격에 기초하기 때문에 Bohr 궤도를 기반으로 할 수 없음을 보였습니다. 반대로, 예리한 고전 궤도의 Fourier 변환에서 발생하는 주파수는 동일하게 간격이 띄워져 있습니다. 하지만 이 결과들은 반고전 가상 상태 모델로 설명될 수 있었습니다: 들어오는 방사선은 그것이 붕괴하는 가상 상태로 원자가 또는 외부 전자를 여기시킵니다. 후속 논문에서 Heisenberg는 이 가상 진동자 모델이 형광 방사선의 편광도 설명할 수 있음을 보였습니다.
이 두 가지 성공과 비정상 Zeeman 효과의 뛰어난 문제를 설명하기 위해 Bohr–Sommerfeld 모델이 계속 실패한 것으로 인해, Heisenberg는 가상 진동자 모델을 사용하여 분광 주파수를 계산하려고 시도했습니다. 이 방법은 현실적인 문제에 즉시 적용하기에는 너무 어렵다는 것으로 판명되었으므로, Heisenberg는 더 간단한 예제인 비조화 진동자로 전환했습니다.
쌍극자 진동자는 외부 전하와 같은 외부 힘에 의해 교란되는, 스프링 위의 하전 입자로 생각되는 간단한 조화 진동자로 구성됩니다. 진동하는 전하의 움직임은 진동자의 주파수의 Fourier 급수로 표현될 수 있습니다. Heisenberg는 두 가지 다른 방법으로 양자 행동을 해결했습니다. 첫째, 그는 가상 진동자 방법으로 시스템을 처리하여 외부 소스에 의해 생성될 수준 간의 전이를 계산했습니다.
그 다음 그는 비조화 포텐셜 항을 조화 진동자의 교란으로 처리하고 그와 Born이 개발한 섭동 방법을 사용하여 같은 문제를 해결했습니다. 두 방법 모두 첫 번째 및 매우 복잡한 2차 보정 항에 대해 같은 결과를 도출했습니다. 이것은 매우 복잡한 계산 뒤에 일관된 계획이 있음을 시사했습니다.
따라서 Heisenberg는 가상 진동자 모델에 대한 명시적인 의존성 없이 이 결과들을 공식화하기로 결정했습니다. 이를 위해, 그는 공간 좌표에 대한 Fourier 전개를 행렬로 대체했고, 이 행렬은 가상 진동자 방법의 전이 계수에 해당했습니다. 그는 Bohr의 대응 원리와 양자역학이 관측 가능한 것에만 제한되어야 한다는 Pauli 교리에 대한 호소로 이 치환을 정당화했습니다.
7월 9일, Heisenberg는 Born에게 이 논문을 검토하고 발표를 위해 제출하도록 주었습니다. Born이 논문을 읽었을 때, 그는 그가 Breslau University의 Jakob Rosanes 아래에서 학습한 행렬의 체계적인 언어로 옮겨쓰고 확장될 수 있는 공식으로 그것을 인식했습니다. Born은 그의 조교이자 전 제자인 Pascual Jordan의 도움으로 즉시 옮겨쓰기와 확장을 시작했고, 그들은 발표를 위해 그들의 결과를 제출했습니다. 논문은 Heisenberg의 논문 후 정확히 60일 후에 발표를 위해 받아들여졌습니다. 추후 논문은 연말 전에
