Werner Karl Heisenberg Alman teorik fizikçi ve kuantum mekaniğinin önemli öncülerinden biriydi. Çalışmasını 1925'te çığır açan bir makalede yayınladı. Max Born ve Pascual Jordan ile aynı yıl içinde yazılan ardışık makalelerde, kuantum mekaniğinin bu matris formülasyonu önemli ölçüde detaylandırıldı. Belirsizlik ilkesiyle tanınır ve bunu 1927'de yayınladı. Heisenberg'e 1932 Nobel Fizik Ödülü "kuantum mekaniğinin yaratılması için" verildi.
Heisenberg ayrıca türbülanslı akışların hidrodinamiği, atom çekirdeği, ferromanyetizm, kozmik ışınlar ve subatomik parçacıklar teorilerine önemli katkılarda bulundu. İkinci Dünya Savaşı sırasında Alman nükleer silahlar programında ana bilim insanıydı. Ayrıca 1957'de Karlsruhe'deki ilk Batı Alman nükleer reaktörünün ve München'deki araştırma reaktörünün planlanmasında etkili rol oynamıştır.
İkinci Dünya Savaşı'ndan sonra Kaiser Wilhelm Fizik Enstitüsü müdürü olarak atandı; enstitü kısa süre sonra Max Planck Fizik Enstitüsü olarak yeniden adlandırıldı. 1958'de Münih'e taşınana kadar enstitünün müdürü olarak kaldı. Daha sonra 1960'dan 1970'e kadar Max Planck Astrofizik Enstitüsü'nün müdürü oldu.
Heisenberg ayrıca Alman Araştırma Konseyi başkanı, Atomik Fizik Komisyonu başkanı, Nükleer Fizik Çalışma Grubu başkanı ve Alexander von Humboldt Vakfı başkanı görevlerinde bulundu.
Erken yaşam ve eğitim
Erken yıllar
Werner Karl Heisenberg, Almanya'nın Würzburg şehrinde doğdu; babası Kaspar Ernst August Heisenberg, klasik dilleri öğreten bir ortaokul öğretmeni olup üniversite sisteminde Orta Çağ ve modern Yunanca çalışmalarının Almanya'nın tek ordentlicher Professor ordinarius profesörü olmuştur; annesi ise Annie Wecklein idi.
Heisenberg Luthyer Hristiyan olarak yetiştirildi ve yaşadı. Otobiyografisi genç Heisenberg'in geç ergenlik yıllarında Bavyera Alpları'nda yürürken Platon'un Timaeus'unu okumasıyla başlar. Heisenberg, München, Göttingen ve Kopenhag'da bilimsel eğitim alırken arkadaş ve öğretmenleriyle atom hakkında anlayışa ilişkin felsefi konuşmaları anlattı. Heisenberg daha sonra "Benim aklım felsefe, Platon ve benzeri şeyler çalışarak oluşturuldu" diyecek ve "Modern fizik kesinlikle Platon'un lehine karar verdi. Aslında maddenin en küçük birimleri sıradan anlamda fiziksel nesneler değildir; onlar matematiksel dil ile açık bir şekilde ifade edilebilen formlar, fikirlerdir" demiştir.
Heisenberg, bir yıl önce kurulan Bavyera Sovyet Cumhuriyeti'yle savaşmak için Freikorps'un üyesi olarak 1919'da Münih'e geldi. Elli yıl sonra o günleri "polis ve hırsızlar oynamak gibi gençlik eğlencesi" olarak hatırladı; "hiçbir ciddi şey değildi."
Habilitasyon
1920'den 1923'e kadar Ludwig Maximilian Münih Üniversitesi ve Georg-August Göttingen Üniversitesi'nde fizik ve matematik okudu. Münih'te Arnold Sommerfeld ve Wilhelm Wien'in, Göttingen'de ise Max Born ve James Franck'ın fizik, David Hilbert'in matematik derslerini aldı. 1923'te Sommerfeld'in danışmanlığında Münih'ten doktora derecesi aldı. Göttingen'de Born'un danışmanlığında 1924'te anomalous Zeeman etkisine ilişkin bir Habilitationsschrift habilitation tezi ile habilitasyonunu tamamladı.
Sommerfeld öğrencilerine samimi bir ilgi gösterdiği ve Heisenberg'in Niels Bohr'un atom fiziği teorilerine ilgisini bildiği için, Sommerfeld Heisenberg'i Haziran 1922'nin Bohr Festival'ine katılmak için Göttingen'e götürdü. Olay sırasında Bohr misafir öğretim görevliydi ve kuantum atom fiziği hakkında kapsamlı bir dizi ders verdi. Heisenberg burada Bohr ile ilk kez tanıştı ve bu ona önemli ve devam eden bir etki yaptı.
Heisenberg'in doktora tezi, konusu Sommerfeld tarafından önerildi, türbülans hakkındaydı; tez laminer akışın stabilitesini ve türbülanslı akışın doğasını tartışıyordu. Stabilite problemi Orr–Sommerfeld denklemi kullanılarak araştırıldı; bu laminer akıştan küçük bozulmaların dördüncü dereceden doğrusal diferansiyel denklemidir. İkinci Dünya Savaşı'ndan sonra bu konuya kısaca geri döndü.
Gençliğinde Alman Gençlik Hareketi'nin bir parçası olan Alman İzci Derneği Neupfadfinder'ın üyesi ve İzci Lideriydi. Ağustos 1923'te Robert Honsell ve Heisenberg, bu derneğin Münih'teki bir İzci grubuyla Finlandiya'ya bir yolculuk organize ettiler.
Kişisel yaşam
Heisenberg klasik müziği seviyordu ve yetenekli bir piyanistti. Müziğe olan ilgisi gelecekteki eşiyle tanışmasına neden oldu. Ocak 1937'de Heisenberg, Elisabeth Schumacher 1914–1998'i özel bir müzik konsserinde tanıştı. Elisabeth, ünlü bir Berlin iktisatçı profesörünün kızıydı ve erkek kardeşi "Küçük Güzel"in yazarı iktisatçı E. F. Schumacher'di. Heisenberg onunla 29 Nisan'da evlendi. Fraternal ikizler Maria ve Wolfgang Ocak 1938'de doğdu; bunun üzerine Wolfgang Pauli, Heisenberg'i "çift yaratım" konusunda tebrik etti—bu elementar parçacık fiziğinden bir çift üretim sürecinde oyun oynayan bir sözcüktür. Sonraki 12 yıl içinde beş çocuk daha sahibi oldular: Barbara, Christine, Jochen, Martin ve Verena. 1936'da ailesinin kendi yazlık evi almak için Güney Almanya'da Urfeld am Walchensee'de satın aldı.
Akademik kariyeri
Göttingen, Kopenhag ve Leipzig
1924'ten 1927'ye kadar Heisenberg Göttingen'de Privatdozent'ti, yani bir profesörlük olmadan bağımsız olarak ders verme ve sınav yapma yetkisine sahipti. 17 Eylül 1924'ten 1 Mayıs 1925'e kadar, Uluslararası Eğitim Kurulu Rockefeller Vakfı bursu kapsamında, Heisenberg Kopenhag Üniversitesi'ndeki Teorik Fizik Enstitüsü müdürü Niels Bohr'un yanında araştırma yapmak için gitti. Önemli makalesi "Über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen" "Kuantum teorik kinematik ve mekanik ilişkilerin yeniden yorumlanması", Eylül 1925'te yayınlandı. Göttingen'e geri döndü ve Max Born ve Pascual Jordan ile yaklaşık altı ayda kuantum mekaniğinin matris mekanik formülasyonunu geliştirdi. 1 Mayıs 1926'da Heisenberg Kopenhag'da üniversite öğretim görevlisi ve Bohr'un asistanı olarak görevine başladı. Kopenhag'da, 1927'de, kuantum mekaniğinin matematiksel temelleri üzerinde çalışırken Heisenberg belirsizlik ilkesini geliştirdi. 23 Şubat'ta Heisenberg meslektaş fizikçi Wolfgang Pauli'ye bir mektup yazdı ve ilk olarak yeni ilkesini tanımladı. İlkeyle ilgili makalesinde Heisenberg "Ungenauigkeit" belirsizlik değil, kesin olmama sözcüğünü kullandı.
1927'de Heisenberg Leipzig Üniversitesi'nde teorik fizik ordentlicher Professor profesör ordinarius ve fizik bölümü başkanı olarak atandı; açılış dersini orada 1 Şubat 1928'de verdi. Leipzig'ten yayınlanan ilk makalesinde Heisenberg ferromanyetizmin gizemini çözmek için Pauli dışlama ilkesini kullandı.
Heisenberg'in Leipzig'teki görev döneminde, onun yanında çalışan ve yüksek lisans yapan doktora öğrencileri ve araştırma görevlilerinin kalitesi birçoğunun sonradan elde ettiği başarıdan anlaşılmaktadır. Çeşitli zamanlarda bunlar arasında 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 ve Clarence Zener vardı.
1929'un başlarında Heisenberg ve Pauli göreceli kuantum alan teorisinin temeli için iki makalenin ilkini gönderdiler. Yine 1929'da Heisenberg Çin, Japonya, Hindistan ve Amerika Birleşik Devletleri'ne bir konferans turunun gitti. 1929'un baharında, Chicago Üniversitesi'nde misafir öğretim görevlisiydi ve burada kuantum mekaniği hakkında dersler verdi.
1928'de İngiliz matematikçi fizikçi Paul Dirac, kuantum mekaniğinin göreceli dalga denklemini türetmiş; bu denklemi pozitif elektronların, daha sonra pozitron olarak adlandırılacak parçacıkların varlığını ima ediyordu. 1932'de Amerika'lı fizikçi Carl David Anderson kozmik ışınlarla ilgili bir bulut odası fotografisinden bir izin pozitron tarafından yapıldığını tespit etti. 1933'ün ortalarında Heisenberg pozitron teorisini sundu. Dirac teorisi hakkındaki düşüncesi ve teorinin daha ileri geliştirilmesi iki makalede verildi. Birincisi "Bemerkungen zur Diracschen Theorie des Positrons" "Dirac'ın pozitron teorisine ilişkin notlar" 1934'te yayınlandı; ikincisi "Folgerungen aus der Diracschen Theorie des Positrons" "Dirac'ın Pozitron Teorisinin Sonuçları", 1936'da yayınlandı. Bu makalelerde Heisenberg Dirac denklemini ilk olarak spin ħ/2 olan herhangi bir nokta parçacığı için "klasik" alan denklemi olarak yeniden yorumladı; bu kendisi anti-değiştirgenleri içeren nicemlenme koşullarına tabi. Böylelikle bunu kuantum alan denklemi olarak yeniden yorumlamak, elektronları tam olarak tanımlamak, Heisenberg maddeyi elektromanyetizma ile aynı temelinde tuttu: göreceli kuantum alan denklemleriyle tanımlanan ve parçacık yaratma ve yok etme olanağını izin veren şey. Hermann Weyl bunu 1929'da Albert Einstein'e yazdığı bir mektupta zaten tanımlanmıştı.
Matris mekanik ve Nobel Ödülü
Heisenberg'in kuantum mekaniği kuran makalesi fizikçileri ve tarihçileri şaşırttı. Onun yöntemleri okuyucunun Kramers-Heisenberg geçiş olasılığı hesaplamalarına aşina olmasını kabul ediyor. Ana yeni fikir, değişmeyen matrisler, sadece gözlenemez nicelikler reddi ile haklı. Matris çarpmasının değişme özelliğine dayalı dokunma ilkesi tarafından, fiziksel akıl yürütmeye giriş, Heisenberg bu zaman matris matematiksel teorisine tanıdık değildir. Bu sonuçlara giden yol MacKinnon, 1977, ve detaylı hesaplamalar Aitchison et al.'de çalışılmıştır.
Kopenhag'da Heisenberg ve Hans Kramers dispersyon hakkında işbirliği yaptılar; yani atomlar tarafından sapıtılan radyasyon dalgaboyu atomlardan daha büyük. Kramers'in daha önce geliştirmiş olduğu başarılı formül Bohr yörüngeleri temelinde olamayacağını gösterdiler; çünkü geçiş frekansları sabit olmayan seviye aralıklarına dayanıyordu. Keskin klasik yörüngelerin Fourier dönüşümünde meydana gelen frekanslar bunun aksine eşit aralıklıdır. Ancak bu sonuçlar yarı-klasik sanal durum modeli tarafından açıklanabiliyordu: gelen radyasyon değerlik, ya da dış, elektron, kendisinin kayıp verdiği bir sanal duruma heyecanlandırır. Sonraki bir makalede Heisenberg bu sanal osilatör modeli de fluoresen radyasyonun polarizasyonunu açıklayabileceğini gösterdi.
Bu iki başarı ve anomalous Zeeman etkisinin olağanüstün problemini açıklamak Bohr–Sommerfeld modeli'nin devam eden başarısızlığı Heisenberg'i spektral frekansları hesaplamak için sanal osilatör modelini kullanmaya sevk ettiler. Yöntem gerçekçi problemlere hemen uygulamak için çok zordu; Heisenberg daha basit bir örnek olan anharmonik osilatöre döndü.
Dipol osilatörü basit harmonik osilatörden oluşur; bu dış bir yükü aşağıdan harici kuvvetle perturbed olan yayda yüklü parçacık olarak düşünülür. Salınan yükün hareketi osilatör frekansında Fourier serisi olarak ifade edilebilir. Heisenberg iki farklı yöntemle kuantum davranışını çözdü. İlk olarak o sistemi sanal osilatör yöntemiyle ele aldı; dış kaynakla üretilecek seviyeleri hesaplamak.
Daha sonra anharmonik potansiyel terimi harmonik osilatöre pertürbasyon olarak ele alarak aynı problemi çözdü ve o ve Born'un geliştirdikleri pertürbasyon yöntemlerini kullandı. Her iki yöntem de ilk ve çok karmaşık ikinci derecesi düzeltme terimlerinde aynı sonuçları verdi. Bu çok karmaşık hesaplamaların arkasında tutarlı bir plan yattığını önerdi.
Öyleyse Heisenberg bu sonuçları sanal osilatör modeline açık bağımlılık olmadan formüle etmek için koydu. Bunu yapmak için, mekansal koordinatların Fourier açılımlarını matrislerle değiştirdi; sanal osilatör yöntemindeki geçiş katsayılarına karşılık gelen matrisler. Bohr'un mektep ilkesi ve kuantum mekaniğinin gözlemlenebilirlere sınırlı olması gerektiği Pauli doktrinini başvurması ile bu değiştirmeyi haklı çıkardı.
9 Temmuz'da Heisenberg Born'a bu makaleyi gözden geçir ve yayın için sunması için verdi. Born makaleyi okuduğunda onu matrisler sistematik dili ile çift yazılı ve genişletilmek için bir formülasyon tanıdı; he Breslau Üniversitesi'nde Jakob Rosanes'in altında kendi araştırması tarafından öğrenmiş olmuştu. Born, asistanı ve eski öğrencisi Pascual Jordan'ın yardımı ile, hemen çift yazı ve genişletme yapmaya başladı ve yayın için sonuçlarını sundu; kağıt Heisenberg'in makalesinden sadece 60 gün sonra yayın için alındı. Yılın sonundan önce üç yazarın hepsi tarafından takip eden makale yayın için sunuldu.
Bu zamana kadar matrisler fizikçiler tarafından nadiren kullanıldı; saf matematik alanına ait olduğu düşünülüyordu. Gustav Mie 1912'de elektrodinamikler hakkında bir makalede kullanmıştı ve Born 1921'de kristal kafes teorisi hakkındaki çalışmasında kullanmıştı. Matrisler bu durumlarda kullanılmış olsa da, matrisler kuantum mekaniğinin matris formülasyonunda olduğu gibi çarpmasız cebir resme girmedi.
1928'de Albert Einstein, Heisenberg, Born ve Jordan'ı Fizik Nobel Ödülü için aday gösterdi. Nobe'nin duyurusu
