Werner Karl Heisenberg foi um físico teórico alemão e um dos principais pioneiros da mecânica quântica. Ele publicou seu trabalho em 1925 em um artigo revolucionário. Na série subsequente de artigos com Max Born e Pascual Jordan, durante o mesmo ano, essa formulação matricial da mecânica quântica foi substancialmente elaborada. Ele é conhecido pelo princípio da incerteza, que publicou em 1927. Heisenberg recebeu o Prêmio Nobel de Física de 1932 "pela criação da mecânica quântica".
Heisenberg também fez contribuições importantes para as teorias da hidrodinâmica de fluxos turbulentos, do núcleo atômico, ferromagnetismo, raios cósmicos e partículas subatômicas. Ele foi um cientista principal no programa de armas nucleares alemão durante a Segunda Guerra Mundial. Ele também foi instrumental no planejamento do primeiro reator nuclear alemão ocidental em Karlsruhe, juntamente com um reator de pesquisa em Munique, em 1957.
Após a Segunda Guerra Mundial, ele foi nomeado diretor do Instituto Kaiser Wilhelm de Física, que logo depois foi renomeado como Instituto Max Planck de Física. Ele foi diretor do instituto até que foi transferido para Munique em 1958. Depois se tornou diretor do Instituto Max Planck de Astrofísica de 1960 a 1970.
Heisenberg também foi presidente do Conselho de Pesquisa Alemão, presidente da Comissão de Física Atômica, presidente do Grupo de Trabalho de Física Nuclear e presidente da Fundação Alexander von Humboldt.
Vida e estudos iniciais
Anos iniciais
Werner Karl Heisenberg nasceu em Würzburg, Alemanha, de Kaspar Ernst August Heisenberg, um professor de escola secundária de línguas clássicas que se tornou o único professor ordinário de estudos gregos medievais e modernos da Alemanha no sistema universitário, e sua esposa, Annie Wecklein.
Heisenberg foi criado e viveu como cristão luterano. Sua autobiografia começa com o jovem Heisenberg no final de seus anos de adolescência, lendo o Timaeus de Platão enquanto caminhava pelos Alpes bávaros. Heisenberg relatou as conversas filosóficas com seus colegas e professores sobre a compreensão do átomo enquanto recebia seu treinamento científico em Munique, Göttingen e Copenhague. Heisenberg mais tarde afirmou que "Minha mente foi formada pelo estudo da filosofia, Platão e esse tipo de coisa". e que "A física moderna definitivamente decidiu a favor de Platão. Na verdade, as menores unidades da matéria não são objetos físicos no sentido comum; são formas, ideias que podem ser expressas inequivocamente apenas em linguagem matemática"
Heisenberg chegou a Munique em 1919 como membro do Freikorps para lutar contra a República Soviética da Baviera estabelecida um ano antes. Cinco décadas depois, ele relembrou aqueles dias como diversão juvenil, como "brincar de polícia e ladrão e coisas assim; não era nada sério".
Habilitação
Ele estudou física e matemática de 1920 a 1923 na Universidade Ludwig Maximilian de Munique e na Universidade Georg-August de Göttingen. Em Munique, estudou sob Arnold Sommerfeld e Wilhelm Wien. Em Göttingen, estudou física com Max Born e James Franck e matemática com David Hilbert. Ele recebeu seu doutorado em 1923 em Munique sob Sommerfeld. Em Göttingen, sob Born, completou sua habilitação em 1924 com uma tese de habilitação sobre o efeito Zeeman anômalo.
Como Sommerfeld tinha um interesse genuíno em seus alunos e conhecia o interesse de Heisenberg pelas teorias de Niels Bohr sobre física atômica, Sommerfeld levou Heisenberg a Göttingen para participar do Festival Bohr de junho de 1922. No evento, Bohr foi conferencista convidado e ministrou uma série de palestras abrangentes sobre física atômica quântica. Lá, Heisenberg conheceu Bohr pela primeira vez, e isso teve um efeito significativo e contínuo nele.
A tese de doutorado de Heisenberg, cujo tema foi sugerido por Sommerfeld, foi sobre turbulência; a tese discutiu tanto a estabilidade do fluxo laminar quanto a natureza do fluxo turbulento. O problema de estabilidade foi investigado usando a equação de Orr–Sommerfeld, uma equação diferencial linear de quarta ordem para pequenas perturbações do fluxo laminar. Ele brevemente retornou a este tópico após a Segunda Guerra Mundial.
Em sua juventude, ele foi membro e líder de escoteiros da Neupfadfinder, uma associação de escoteiros alemã e parte do Movimento de Juventude Alemã. Em agosto de 1923, Robert Honsell e Heisenberg organizaram uma viagem à Finlândia com um grupo de escoteiros dessa associação de Munique.
Vida pessoal
Heisenberg apreciava música clássica e era um pianista experiente. Seu interesse em música levou ao encontro com sua futura esposa. Em janeiro de 1937, Heisenberg conheceu Elisabeth Schumacher 1914–1998 em um recital de música privado. Elisabeth era filha de um renomado professor de economia de Berlim, e seu irmão era o economista E. F. Schumacher, autor de Small Is Beautiful. Heisenberg casou-se com ela em 29 de abril. Gêmeos fraternos Maria e Wolfgang nasceram em janeiro de 1938, ocasião em que Wolfgang Pauli felicitou Heisenberg por sua "criação de par"—um trocadilho sobre um processo da física de partículas elementares, produção de pares. Eles tiveram mais cinco filhos nos próximos 12 anos: Barbara, Christine, Jochen, Martin e Verena. Em 1936, ele comprou uma casa de verão para sua família em Urfeld am Walchensee, no sul da Alemanha.
Carreira acadêmica
Göttingen, Copenhague e Leipzig
De 1924 a 1927, Heisenberg foi um Privatdozent em Göttingen, significando que era qualificado para ensinar e examinar independentemente, sem ter uma cátedra. De 17 de setembro de 1924 a 1º de maio de 1925, sob uma bolsa da Fundação Rockefeller do Conselho de Educação Internacional, Heisenberg foi fazer pesquisa com Niels Bohr, diretor do Instituto de Física Teórica da Universidade de Copenhague. Seu artigo seminal, "Über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen" "Reinterpretação teórica quântica de relações cinemáticas e mecânicas", foi publicado em setembro de 1925. Ele retornou a Göttingen e, com Max Born e Pascual Jordan durante um período de cerca de seis meses, desenvolveu a formulação de mecânica matricial da mecânica quântica. Em 1º de maio de 1926, Heisenberg começou seu cargo como professor universitário e assistente de Bohr em Copenhague. Foi em Copenhague, em 1927, que Heisenberg desenvolveu seu princípio da incerteza, enquanto trabalhava nos fundamentos matemáticos da mecânica quântica. Em 23 de fevereiro, Heisenberg escreveu uma carta ao colega físico Wolfgang Pauli, na qual descreveu pela primeira vez seu novo princípio. Em seu artigo sobre o princípio, Heisenberg usou a palavra "Ungenauigkeit" imprecisão, não incerteza, para descrevê-lo.
Em 1927, Heisenberg foi nomeado professor ordinário de física teórica e chefe do departamento de física da Universidade de Leipzig; ele fez sua palestra inaugural lá em 1º de fevereiro de 1928. Em seu primeiro artigo publicado de Leipzig, Heisenberg usou o princípio de exclusão de Pauli para resolver o mistério do ferromagnetismo.
Durante a permanência de Heisenberg em Leipzig, a alta qualidade dos alunos de doutorado e dos associados pós-graduados e de pesquisa que estudaram e trabalharam com ele é clara pelo reconhecimento que muitos posteriormente obtiveram. Em vários momentos, eles incluíram 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.
No início de 1929, Heisenberg e Pauli apresentaram o primeiro de dois artigos estabelecendo a base para a teoria quântica de campos relativística. Também em 1929, Heisenberg foi fazer uma turnê de palestras na China, Japão, Índia e Estados Unidos. Na primavera de 1929, ele foi professor visitante na Universidade de Chicago, onde ministrou palestras sobre mecânica quântica.
Em 1928, o físico matemático britânico Paul Dirac havia derivado sua equação de onda relativística da mecânica quântica, que implicava a existência de elétrons positivos, mais tarde nomeados pósitrons. Em 1932, a partir de uma fotografia de câmara de nuvem de raios cósmicos, o físico americano Carl David Anderson identificou um rastro como tendo sido feito por um pósitron. Em meados de 1933, Heisenberg apresentou sua teoria do pósitron. Seu pensamento sobre a teoria de Dirac e o desenvolvimento adicional da teoria foram apresentados em dois artigos. O primeiro, "Bemerkungen zur Diracschen Theorie des Positrons" "Observações sobre a teoria de Dirac do pósitron" foi publicado em 1934, e o segundo, "Folgerungen aus der Diracschen Theorie des Positrons" "Consequências da Teoria de Dirac do Pósitron", foi publicado em 1936. Nestes artigos, Heisenberg foi o primeiro a reinterpretar a equação de Dirac como uma equação de campo "clássica" para qualquer partícula pontual de spin ħ/2, ela mesma sujeita a condições de quantização envolvendo anticomutadores. Reinterpretando-a como uma equação de campo quântico descrevendo com precisão elétrons, Heisenberg colocou a matéria no mesmo pé que o eletromagnetismo: como sendo descrita por equações de campo quântico relativísticas que permitiam a possibilidade de criação e destruição de partículas. Hermann Weyl já havia descrito isso em uma carta de 1929 a Albert Einstein.
Mecânica matricial e o Prêmio Nobel
O artigo de Heisenberg estabelecendo a mecânica quântica confundiu físicos e historiadores. Seus métodos assumem que o leitor está familiarizado com os cálculos de probabilidade de transição de Kramers-Heisenberg. A ideia principal nova, matrizes não comutativas, é justificada apenas pela rejeição de quantidades inobserváveis. Introduz a multiplicação não comutativa de matrizes por raciocínio físico, baseado no princípio de correspondência, apesar do fato de que Heisenberg não estava familiarizado com a teoria matemática de matrizes na época. O caminho que levou a esses resultados foi reconstruído em MacKinnon, 1977, e os cálculos detalhados são desenvolvidos em Aitchison et al.
Em Copenhague, Heisenberg e Hans Kramers colaboraram em um artigo sobre dispersão, ou a dispersão de átomos de radiação cujo comprimento de onda é maior do que os átomos. Eles mostraram que a fórmula bem-sucedida que Kramers havia desenvolvido anteriormente não poderia ser baseada em órbitas de Bohr, porque as frequências de transição são baseadas em espaçamentos de níveis que não são constantes. As frequências que ocorrem na transformada de Fourier de órbitas clássicas agudas, por contraste, são igualmente espaçadas. Mas esses resultados poderiam ser explicados por um modelo de estado virtual semi-clássico: a radiação incidente excita o elétron de valência, ou externo, para um estado virtual do qual ele decai. Em um artigo subsequente, Heisenberg mostrou que esse modelo de oscilador virtual também poderia explicar a polarização da radiação fluorescente.
Esses dois sucessos, e o fracasso contínuo do modelo de Bohr–Sommerfeld em explicar o problema notável do efeito Zeeman anômalo, levaram Heisenberg a usar o modelo de oscilador virtual para tentar calcular frequências espectrais. O método se mostrou muito difícil de aplicar imediatamente a problemas realistas, então Heisenberg se voltou para um exemplo mais simples, o oscilador anarmônico.
O oscilador de dipolo consiste em um oscilador harmônico simples, que é pensado como uma partícula carregada em uma mola, perturbado por uma força externa, como uma carga externa. O movimento da carga oscilante pode ser expresso como uma série de Fourier na frequência do oscilador. Heisenberg resolveu o comportamento quântico por dois métodos diferentes. Primeiro, ele tratou o sistema com o método do oscilador virtual, calculando as transições entre os níveis que seriam produzidos pela fonte externa.
Ele então resolveu o mesmo problema tratando o termo de potencial anarmônico como uma perturbação do oscilador harmônico e usando os métodos de perturbação que ele e Born haviam desenvolvido. Ambos os métodos levaram aos mesmos resultados para o primeiro e o muito complicado segundo termo de correção de ordem. Isso sugeriu que por trás dos cálculos muito complicados havia um esquema consistente.
Então Heisenberg se propôs a formular esses resultados sem nenhuma dependência explícita do modelo de oscilador virtual. Para fazer isso, ele substituiu as expansões de Fourier para as coordenadas espaciais por matrizes, matrizes que correspondiam aos coeficientes de transição no método do oscilador virtual. Ele justificou essa substituição por um apelo ao princípio de correspondência de Bohr e à doutrina de Pauli de que a mecânica quântica deve ser limitada aos observáveis.
Em 9 de julho, Heisenberg deu a Born este artigo para revisar e enviar para publicação. Quando Born leu o artigo, reconheceu a formulação como uma que poderia ser transcrita e estendida para a linguagem sistemática de matrizes, que ele havia aprendido com seus estudos sob Jakob Rosanes na Universidade de Breslau. Born, com a ajuda de seu assistente e ex-aluno Pascual Jordan, imediatamente começou a fazer a transcrição e extensão, e enviaram seus resultados para publicação; o artigo foi recebido para publicação apenas 60 dias após o artigo de Heisenberg. Um artigo de acompanhamento foi enviado para publicação antes do final do ano pelos três autores.
Até esse momento, matrizes raramente eram usadas por físicos; eram consideradas pertencer ao reino da matemática pura. Gustav Mie havia usado em um artigo sobre eletrodinâmica em 1912 e Born havia usado em seu trabalho sobre teoria do reticulado de cristais em 1921. Embora matrizes fossem usadas nesses casos, a álgebra de matrizes com sua multiplicação não entrou em cena como fizeram na formulação matricial da mecânica quântica.
Em 1928, Albert Einstein nomeou Heisenberg, Born e Jordan para o Prêmio Nobel de Física. O anúncio do Prêmio Nobel
