Werner Karl Heisenberg был немецким теоретическим физиком и одним из ключевых пионеров квантовой механики. Он опубликовал свою работу в 1925 году в прорывной статье. В последующей серии статей с Max Born и Pascual Jordan в том же году эта матричная формулировка квантовой механики была существенно разработана. Он известен принципом неопределённости, который опубликовал в 1927 году. Heisenberg получил Нобелевскую премию по физике 1932 года «за создание квантовой механики».
Heisenberg также внёс важные вклады в теории гидродинамики турбулентных потоков, атомного ядра, ферромагнетизма, космических лучей и субатомных частиц. Он был главным учёным в германской программе ядерного оружия во время Второй мировой войны. Он также играл ключевую роль в планировании первого ядерного реактора Западной Германии в Karlsruhe вместе с исследовательским реактором в Munich в 1957 году.
После Второй мировой войны он был назначен директором Института физики имени Kaiser Wilhelm, который вскоре был переименован в Институт физики имени Max Planck. Он возглавлял институт до его переноса в Munich в 1958 году. Затем он стал директором Института астрофизики имени Max Planck с 1960 по 1970 год.
Heisenberg также был президентом Немецкого научного совета, председателем Комиссии по атомной физике, председателем Рабочей группы по ядерной физике и президентом Фонда имени Alexander von Humboldt.
Ранняя жизнь и учёба
Ранние годы
Werner Karl Heisenberg родился в Würzburg, Германия, в семье Kaspar Ernst August Heisenberg, учителя классических языков в средней школе, ставшего единственным ordentlicher Professor ordinarius профессором средневековых и современных греческих исследований в университетской системе Германии, и его жены Annie Wecklein.
Heisenberg был воспитан и жил как лютеранский христианин. Его автобиография начинается с молодого Heisenberg в его поздние подростковые годы, читающего Платона Timaeus во время пешего похода в Bavarian Alps. Heisenberg вспоминал философские беседы со своими однокурсниками и учителями о понимании атома, получая своё научное образование в Munich, Göttingen и Copenhagen. Heisenberg позже заявил, что «Мой ум был сформирован изучением философии, Платона и всего такого», и что «Современная физика определённо решила в пользу Платона. Фактически, наименьшие единицы вещества — это не физические объекты в обычном смысле; это формы, идеи, которые могут быть выражены однозначно только на математическом языке».
Heisenberg прибыл в Munich в 1919 году как член Freikorps, чтобы сражаться против Bavarian Soviet Republic, установленной годом ранее. Пять десятилетий спустя он вспоминал те дни как молодёжное веселье, как «играть в полицейских и грабителей и так далее; это было совершенно несерьёзно».
Хабилитация
Он изучал физику и математику с 1920 по 1923 год в Ludwig Maximilian University of Munich и Georg-August University of Göttingen. В Munich он занимался под руководством Arnold Sommerfeld и Wilhelm Wien. В Göttingen он изучал физику у Max Born и James Franck и математику у David Hilbert. Он получил докторскую степень в 1923 году в Munich под руководством Sommerfeld. В Göttingen, под руководством Born, он завершил свою хабилитацию в 1924 году с диссертацией Habilitationsschrift об аномальном эффекте Zeeman.
Поскольку Sommerfeld имел искреннее интерес к своим студентам и знал об интересе Heisenberg к теориям Niels Bohr об атомной физике, Sommerfeld взял Heisenberg в Göttingen, чтобы посетить Bohr Festival июня 1922 года. На мероприятии Bohr был приглашённым лектором и дал серию всеобъемлющих лекций по квантовой атомной физике. Там Heisenberg встретил Bohr в первый раз, и это имело значительное и продолжающееся воздействие на него.
Докторская диссертация Heisenberg, тема которой была предложена Sommerfeld, была о турбулентности; диссертация обсуждала как стабильность ламинарного потока, так и природу турбулентного потока. Проблема стабильности была исследована с помощью уравнения Orr–Sommerfeld, дифференциального уравнения четвёртого порядка для малых возмущений от ламинарного потока. Он кратко вернулся к этой теме после Второй мировой войны.
В молодости он был членом и скаутским лидером Neupfadfinder, немецкой ассоциации скаутов и части немецкого молодёжного движения. В августе 1923 года Robert Honsell и Heisenberg организовали поездку в Finland со скаутской группой этой ассоциации из Munich.
Личная жизнь
Heisenberg любил классическую музыку и был опытным пианистом. Его интерес к музыке привёл к встрече с его будущей женой. В январе 1937 года Heisenberg встретил Elisabeth Schumacher 1914–1998 на частном музыкальном концерте. Elisabeth была дочерью известного берлинского профессора экономики, и её брат был экономистом E. F. Schumacher, автором Small Is Beautiful. Heisenberg женился на ней 29 апреля. Однояйцевые близнецы Maria и Wolfgang родились в январе 1938 года, после чего Wolfgang Pauli поздравил Heisenberg с его «парообразованием» — игрой слов по физическому процессу рождения пар. За следующие 12 лет у них было ещё пять детей: Barbara, Christine, Jochen, Martin и Verena. В 1936 году он купил летний дом для своей семьи в Urfeld am Walchensee в южной Германии.
Академическая карьера
Göttingen, Copenhagen и Leipzig
С 1924 по 1927 год Heisenberg был Privatdozent в Göttingen, то есть он был квалифицирован преподавать и экзаменовать независимо, без наличия кафедры. С 17 сентября 1924 по 1 мая 1925 года, в соответствии со стипендией International Education Board Rockefeller Foundation, Heisenberg занимался исследованиями с Niels Bohr, директором Института теоретической физики при University of Copenhagen. Его семинальная статья, «Über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen» «Квантово-теоретическое переинтерпретирование кинематических и механических отношений», была опубликована в сентябре 1925 года. Он вернулся в Göttingen и вместе с Max Born и Pascual Jordan в течение примерно шести месяцев разработал матричную механику квантовой механики. 1 мая 1926 года Heisenberg начал свою должность университетского лектора и ассистента Bohr в Copenhagen. Именно в Copenhagen в 1927 году Heisenberg разработал свой принцип неопределённости, работая над математическими основаниями квантовой механики. 23 февраля Heisenberg написал письмо коллеге-физику Wolfgang Pauli, в котором он впервые описал свой новый принцип. В своей статье о принципе Heisenberg использовал слово «Ungenauigkeit» неточность, а не неопределённость, чтобы описать его.
В 1927 году Heisenberg был назначен ordentlicher Professor профессором теоретической физики и главой кафедры физики в University of Leipzig; он дал свою вступительную лекцию там 1 февраля 1928 года. В первой статье, опубликованной из Leipzig, Heisenberg использовал принцип исключения Pauli, чтобы решить загадку ферромагнетизма.
Во время пребывания Heisenberg в Leipzig высокое качество докторских студентов, постдокторантов и научных сотрудников, которые занимались и работали с ним, очевидно из признания, которое многие позже получили. В разные времена они включали 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 и Clarence Zener.
В начале 1929 года Heisenberg и Pauli представили первую из двух статей, закладывающих основу для релятивистской квантовой теории поля. Также в 1929 году Heisenberg совершил лекционный тур по China, Japan, India и United States. Весной 1929 года он был приглашённым лектором в University of Chicago, где читал лекции по квантовой механике.
В 1928 году британский математический физик Paul Dirac вывел его релятивистское волновое уравнение квантовой механики, которое подразумевало существование положительных электронов, позже названных позитронами. В 1932 году американский физик Carl David Anderson из фотографии камеры Вильсона космических лучей определил след как сделанный позитроном. В середине 1933 года Heisenberg представил свою теорию позитрона. Его размышления о теории Dirac и дальнейшее развитие теории были изложены в двух статьях. Первая, «Bemerkungen zur Diracschen Theorie des Positrons» «Замечания о теории позитрона Dirac» была опубликована в 1934 году, а вторая, «Folgerungen aus der Diracschen Theorie des Positrons» «Следствия из теории позитрона Dirac», была опубликована в 1936 году. В этих статьях Heisenberg первым переинтерпретировал уравнение Dirac как «классическое» полевое уравнение для любой точечной частицы спина ħ/2, само подчиняющееся условиям квантования, включающим антикоммутаторы. Таким образом переинтерпретировав его как квантовое полевое уравнение, точно описывающее электроны, Heisenberg поставил вещество на одно и то же основание с электромагнетизмом: описываемым релятивистскими квантовыми полевыми уравнениями, которые позволяют возможность рождения и уничтожения частиц. Hermann Weyl уже описал это в письме 1929 года Albert Einstein.
Матричная механика и Нобелевская премия
Статья Heisenberg, устанавливающая квантовую механику, озадачила физиков и историков. Его методы предполагают, что читатель знаком с расчётами вероятности переходов Kramers-Heisenberg. Главная новая идея, некоммутирующие матрицы, оправдывается только отрицанием ненаблюдаемых величин. Она вводит некоммутативное умножение матриц физическим рассуждением, основанным на принципе соответствия, несмотря на то, что Heisenberg тогда не был знаком с математической теорией матриц. Путь, приведший к этим результатам, был реконструирован в MacKinnon, 1977, и подробные расчёты разработаны в Aitchison et al.
В Copenhagen Heisenberg и Hans Kramers сотрудничали над статьёй о дисперсии или рассеянии излучения атомами, длина волны которого больше, чем атомы. Они показали, что успешная формула, разработанная Kramers ранее, не могла быть основана на орбитах Bohr, потому что частоты переходов основаны на интервалах уровней, которые не постоянны. Частоты, которые встречаются в преобразовании Fourier резких классических орбит, напротив, равномерно распределены. Но эти результаты могли быть объяснены полуклассической моделью виртуального состояния: входящее излучение возбуждает валентный или внешний электрон в виртуальное состояние, из которого он распадается. В последующей статье Heisenberg показал, что эта модель виртуального осциллятора также могла объяснить поляризацию флуоресцентного излучения.
Эти два успеха и продолжающийся отказ модели Bohr–Sommerfeld объяснить выдающуюся проблему аномального эффекта Zeeman привели Heisenberg к использованию модели виртуального осциллятора, чтобы попытаться вычислить спектральные частоты. Метод оказался слишком сложным для немедленного применения к реальным проблемам, поэтому Heisenberg обратился к более простому примеру, ангармоническому осциллятору.
Диполь-осциллятор состоит из простого гармонического осциллятора, который рассматривается как заряженная частица на пружине, возбуждённая внешней силой, такой как внешний заряд. Движение колеблющегося заряда может быть выражено как ряд Fourier на частоте осциллятора. Heisenberg решил квантовое поведение двумя различными методами. Сначала он обработал систему методом виртуального осциллятора, вычисляя переходы между уровнями, которые были бы произведены внешним источником.
Затем он решил ту же проблему, обработав ангармоническое потенциальное слагаемое как возмущение гармонического осциллятора и используя методы возмущения, которые он и Born разработали. Оба метода привели к одинаковым результатам для первого и очень сложного второго порядка членов коррекции. Это предположило, что за очень сложными расчётами лежит согласованная схема.
Таким образом, Heisenberg решил сформулировать эти результаты без какой-либо явной зависимости от модели виртуального осциллятора. Чтобы сделать это, он заменил разложения Fourier для пространственных координат матрицами, матрицами, которые соответствовали коэффициентам переходов в методе виртуального осциллятора. Он оправдал это замещение обращением к принципу соответствия Bohr и доктрине Pauli, что квантовая механика должна быть ограничена наблюдаемыми.
9 июля Heisenberg передал Born эту статью для проверки и отправки на публикацию. Когда Born прочитал статью, он узнал формулировку как ту, которая может быть переписана и расширена на систематический язык матриц, который он выучил из своего исследования под руководством Jakob Rosanes в Breslau University. Born с помощью своего ассистента и бывшего студента Pascual Jordan немедленно начал делать переписывание и расширение, и они представили свои результаты на публикацию; статья была получена на публикацию ровно через 60 дней после статьи Heisenberg. Последующая статья была представлена на публикацию перед концом года всеми тремя авторами.
До этого времени матрицы редко использовались физиками; они считались принадлежащими к области чистой математики. Gustav Mie использовал их в статье об электродинамике в 1912 году и Born использовал их в своей работе о решётчатой теории кристаллов в 1921 году. Хотя матрицы использовались в этих случаях, алгебра матриц с их умножением не вошла в картину так, как это произошло в матричной формулировке квантовой механики.
В 1928 году Albert Einstein номинировал Heisenberg, Born и Jordan на Нобелевскую премию по физике. Объявление Nobe
