Презентация, доклад по физике на тему Вернер Гейзенберг

Гейзенберга, профессора средневековой и современной греческой филологии, и Анни Веклейн (Annie Wecklein), дочери директора мюнхенской гимназии Максимилиана (Maximilian Gymnasium). Он был вторым ребёнком в семье, его старший брат Эрвин (1900—1965) впоследствии стал учёным-химиком. В 1910 году семья переехала в Мюнхен, где Вернер учился в школе, делая успехи в математике, физике и грамматике. Его учёба была прервана весной 1918 года, когда его и других 16-летних подростков отправили на ферму для выполнения вспомогательных работ. В это время он серьезно увлёкся философией, читал Платона и Канта. После окончания Первой мировой войны страна и город оказались в неопределённой ситуации, власть переходила от одной политической группы к другой. Весной 1919 года Гейзенберг некоторое время служил вестовым, помогая вступившим в город войскам нового баварского правительства. Затем он принимал участие в молодёжном движении, участники которого были недовольны существующим порядком вещей, старыми традициями и предрассудками.
Однако главный интерес для него в это время представляла не политика, философия или музыка (Гейзенберг был одарённым пианистом и, по воспоминаниям Феликса Блоха, мог часами упражняться в игре на инструменте), а математика и физика. Он изучал их преимущественно самостоятельно, и его знания, выходящие далеко за рамки школьного курса, были особо отмечены по результатам заключительных экзаменов в гимназии. Во время долгой болезни он прочитал книгу Германа Вейля «Пространство, время и материя», был впечатлён мощью математических методов и их приложений и решил изучать математику в Мюнхенском университете, куда поступил летом 1920 года. Однако профессор математики Фердинанд фон Линдеман отказался сделать новичка участником своего семинара, и по совету отца Гейзенберг обратился к известному физику-теоретику Арнольду Зоммерфельду.

Юные годы

квантовой теории». Зиму 1922—1923 года Зоммерфельд провёл в Висконсинском университете (США), рекомендовав своему ученику поработать в Гёттингене под руководством Макса Борна. Так началось плодотворное сотрудничество двух учёных. Нужно отметить, что Гейзенберг уже посещал Гёттинген в июне 1922 года во время так называемого «Боровского фестиваля», серии лекций о новой атомной физике, прочитанных Нильсом Бором. Молодому физику даже удалось познакомиться со знаменитым датчанином и побеседовать с ним во время одной из прогулок. Как впоследствии вспоминал сам Гейзенберг, этот разговор оказал большое влияние на формирование его взглядов и подхода к решению научных проблем. Он следующим образом определил роль различных влияний в его жизни: «У Зоммерфельда я научился оптимизму, у гёттингенцев — математике, а у Бора — физике».
Гейзенберг вернулся в Мюнхен на летний семестр 1923 года. К этому времени он подготовил диссертацию, посвящённую некоторым фундаментальным проблемам гидродинамики. Эта тема была предложена Зоммерфельдом, который полагал, что более классическая тематика упростит защиту. Однако, помимо диссертации, для получения степени доктора философии было необходимо сдать устный экзамен по трём предметам. Особенно трудным оказалось испытание по экспериментальной физике, которой Гейзенберг не уделял особого внимания. В итоге он не смог ответить ни на один вопрос профессора Вильгельма Вина (о разрешающей силе интерферометра Фабри—Перо, микроскопа, телескопа и о принципе работы свинцового аккумулятора), но благодаря заступничеству Зоммерфельда ему всё же поставили наинизшую оценку, достаточную для присуждения степени.
В Гёттингене молодой учёный продолжил свою работу над теорией эффекта Зеемана и другими квантовыми проблемами, а в следующем году прошёл процедуру хабилитации, получив официальное право читать лекции. Осенью 1924 года Гейзенберг впервые приехал в Копенгаген, чтобы поработать под руководством Нильса Бора. Он также начал тесно сотрудничать с Хендриком Крамерсом, написав совместную статью по квантовой теории дисперсии.
Весной 1925 года Гейзенберг вернулся в Гёттинген и в течение нескольких последующих месяцев добился решающего прогресса в построении первой логически согласованной квантовой теории — матричной механики. В дальнейшем формализм теории был доведён до совершенства при участии Борна и Паскуаля Йордана.

Мюнхен‒Гёттинген‒Копенгаген

на должность профессора, поступившие из Лейпцига и Цюриха. Учёный выбрал Лейпциг, где директором физического института при университете работал Петер Дебай, и в октябре 1927 года занял пост профессора теоретической физики. Другими его коллегами были Грегор Венцель (англ. Gregor Wentzel) и Фридрих Хунд, а первым ассистентом стал Гвидо Бек. Гейзенберг выполнял многочисленные обязанности на факультете, читал лекции по теоретической физике, организовал еженедельный семинар по атомной теории, который сопровождался не только интенсивным обсуждением научных проблем, но также дружескими чаепитиями и порой плавно перетекал в соревнования по настольному теннису (молодой профессор играл очень хорошо и с большим азартом).
В 1933 году Гейзенберг был награждён Нобелевской премией по физике за предыдущий год с формулировкой «за создание квантовой механики, приложения которой, в числе прочего, привели к открытию аллотропных форм водорода». Несмотря на радость, учёный выразил недоумение в связи с тем фактом, что его коллеги Поль Дирак и Эрвин Шрёдингер получили одну премию (за 1933 год) на двоих, а Макс Борн и вовсе был обойдён вниманием Нобелевского комитета. В январе 1937 года он познакомился с молодой девушкой Элизабет Шумахер (Elisabeth Schumacher), дочерью берлинского профессора экономики, и в апреле женился на ней. В следующем году у них родились близнецы Вольфганг и Анна-Мария. Всего у них было семь детей, некоторые из них также проявили интерес к науке: Мартин (англ. Martin Heisenberg) стал генетиком, Йохен (англ. Jochen Heisenberg) — физиком, а Анна-Мария и Верена — физиологами.

Лейпциг‒Берлин

года полковник Блаунт (B. K. Blount), член научного отдела военного правительства британской оккупационной зоны, пригласил Гейзенберга и Отто Гана в Гёттинген, с которого должно было начаться возрождение науки в разрушенной Германии. Учёные много внимания уделяли организационной работе сначала в рамках Совета по науке, а затем Общества Макса Планка, пришедшего на смену Обществу кайзера Вильгельма. В 1949 году, после создания ФРГ, Гейзенберг стал первым президентом Немецкого научно-исследовательского сообщества, которое должно было осуществлять содействие научной работе в стране. В качестве главы Комитета по атомной физике он стал одним из инициаторов начала работ по ядерным реакторам в Германии. В то же время Гейзенберг выступал против приобретения страной ядерного оружия, которое планировалось правительством Аденауэра. В 1955 году он сыграл активную роль в появлении так называемой Декларации Майнау (англ. Mainau Declaration), подписанной шестнадцатью нобелевскими лауреатами, а спустя два года — Гёттингенского манифеста (англ. Göttingen Manifesto) восемнадцати немецких учёных. В 1958 году он подписал обращение с призывом запретить ядерные испытания, инициированное Лайнусом Полингом и адресованное генеральному секретарю ООН. Отдаленным итогом этой деятельности стало присоединение ФРГ к Договору о нераспространении ядерного оружия.
Гейзенберг активно поддерживал создание ЦЕРН, участвуя в работе ряда его комитетов. В частности, он был первым председателем Комитета по научной политике и занимался определением направлений развития ЦЕРН. Одновременно Гейзенберг занимал должность директора Физического института Общества Макса Планка, который в 1958 году переехал из Гёттингена в Мюнхен и был переименован в Институт физики и астрофизики (нем. Max-Planck-Institut für Physik‎). Учёный возглавлял это учреждение до выхода в отставку в 1970 году.
После выхода в отставку Гейзенберг выступал в основном по общим или философским вопросам естествознания. В 1975 году его здоровье стало ухудшаться, и 1 февраля 1976 года учёный скончался.

Послевоенный период

«старой квантовой теории», в основе которой первоначально лежали идеи Нильса Бора, получившие развитие в работах Зоммерфельда и других учёных. Одним из основных методов получения новых результатов был боровский принцип соответствия. Несмотря на ряд успехов, многие вопросы ещё не были решены удовлетворительным образом, в частности задача о нескольких взаимодействующих частицах или проблема пространственного квантования. Кроме того, сама теория была непоследовательной: классические законы Ньютона можно было применять лишь к стационарным орбитам электрона, тогда как переход между ними нельзя было описывать на этой основе.
Зоммерфельд, хорошо осведомленный обо всех этих трудностях, подключил Гейзенберга к работе над теорией. Первая его статья, вышедшая в начале 1922 года, была посвящена феноменологической модели эффекта Зеемана. Эта работа, в которой предлагалась смелая модель атомного остова, взаимодействующего с валентными электронами, и вводились полуцелые квантовые числа, сразу же сделала молодого учёного одним из лидеров теоретической спектроскопии. В последующих работах на базе принципа соответствия обсуждались вопросы ширины и интенсивности спектральных линий и их зеемановских компонент. В статьях, написанных совместно с Максом Борном, рассматривались общие проблемы теории многоэлектронных атомов (в рамках классической теории возмущений), анализировалась теория молекул и предлагалась иерархия внутримолекулярных движений, различающихся своей энергией (молекулярные вращения и колебания, электронные возбуждения), оценивались величины атомных поляризуемостей и делался вывод о необходимости введения полуцелых квантовых чисел. Другая модификация квантовых соотношений, заключавшаяся в приписывании квантовым состояниям атома двух полуцелых значений квантовых чисел углового момента, следовала из рассмотрения аномального эффекта Зеемана (впоследствии эта

Старая квантовая теория

послужила в качестве Habilitationsschrift, то есть основания для хабилитации, полученной Гейзенбергом в возрасте 22 лет в Гёттингенском университете.
Совместная работа с Хендриком Крамерсом, написанная в Копенгагене, содержала формулировку теории дисперсии, обобщавшую недавние результаты Борна и самого Крамерса. Её итогом стало получение квантовотеоретических аналогов дисперсионных формул для поляризуемости атома в данном стационарном состоянии с учётом возможности переходов на более высокие и более низкие состояния. Эта важная работа, вышедшая в начале 1925 года, явилась непосредственным предшественником первой формулировки квантовой механики.

Старая квантовая теория (продолжение)

решения каждой конкретной задачи в рамках классической физики с последующим переводом на квантовый язык с помощью принципа соответствия. Такой подход не всегда давал результат и во многом зависел от интуиции исследователя. Стремясь получить строгий и логически согласованный формализм, весной 1925 года Гейзенберг решил отказаться от прежнего описания, заменив его описанием через так называемые наблюдаемые величины. Эта идея возникла под влиянием работ Альберта Эйнштейна, который дал релятивистское определение времени вместо ненаблюдаемого ньютоновского абсолютного времени. (Впрочем, уже в апреле 1926 года Эйнштейн в личном разговоре с Гейзенбергом заметил, что именно теория определяет, какие величины считать наблюдаемыми, а какие — нет.) Гейзенберг отказался от классических понятий положения и импульса электрона в атоме и рассмотрел частоту и амплитуду колебаний, которые можно определить из оптического эксперимента. Ему удалось представить эти величины в виде наборов комплексных чисел и дать правило их перемножения, которое оказалось некоммутативным, а затем применить разработанный метод к задаче об ангармоническом осцилляторе. При этом для частного случая гармонического осциллятора естественным образом следовало существование так называемой «нулевой энергии». Таким образом, принцип соответствия был включён в сами основы разработанной математической схемы.
Гейзенберг получил решение этой задачи в июне 1925 года на острове Гельголанд, где он выздоравливал от приступа сенной лихорадки. Вернувшись в Гёттинген, он описал свои результаты в статье «О квантовотеоретическом истолковании кинематических и механических соотношений» и послал её Вольфгангу Паули. Заручившись одобрением последнего, Гейзенберг передал работу Борну для опубликования в журнале Zeitschrift für Physik, где она была получена 29 июля 1925 года. Вскоре Борн осознал, что наборы чисел, представляющих физические величины, являются не чем иным

Создание матричной механики

матриц.
В целом матричную механику ждал довольно пассивный приём физического сообщества, которое было слабо знакомо с математическим формализмом матриц и которое отпугивала чрезвычайная абстрактность теории. Лишь некоторые учёные обратили пристальное внимание на статью Гейзенберга. Так, Нильс Бор сразу же высоко оценил её и заявил, что «началась новая эра взаимного стимулирования механики и математики». Первая строгая формулировка матричной механики была дана Борном и Паскуалем Йорданом в их совместной работе «О квантовой механике», законченной в сентябре 1925 года. Они получили фундаментальное перестановочное соотношение (квантовое условие) для матриц координаты и импульса. Вскоре Гейзенберг подключился к этим исследованиям, итогом которых стала знаменитая «работа трёх» (Drei-Männer Arbeit), завершённая в ноябре 1925 года. В ней был представлен общий метод решения задач в рамках матричной механики, в частности рассмотрены системы с произвольным числом степеней свободы, введены канонические преобразования, даны основы квантовомеханической теории возмущений, решена задача о квантовании углового момента, обсуждены правила отбора и ряд других вопросов.

Создание матричной механики (продолжение)

начале 1926 года из печати стали выходить работы Эрвина Шрёдингера по волновой механике, которая давала описание атомных процессов в привычной форме непрерывных дифференциальных уравнений и которая, как вскоре выяснилось, математически тождественна матричному формализму. Гейзенберг критически отнёсся к новой теории и, в особенности, к её первоначальной интерпретации как имеющей дело с реальными волнами, несущими электрический заряд. И даже появление борновской вероятностной трактовки волновой функции не решило проблему интерпретации самого формализма, то есть прояснения смысла используемых в нём понятий. Необходимость решения этого вопроса стала особенно ясной в сентябре 1926 года, после визита Шрёдингера в Копенгаген, где он в долгих дискуссиях с Бором и Гейзенбергом отстаивал картину непрерывности атомных явлений и критиковал представления о дискретности и квантовых скачках.
Исходным пунктом в анализе Гейзенберга стало осознание необходимости скорректировать классические понятия (такие, как «координата» и «импульс»), чтобы их можно было использовать в микрофизике, подобно тому, как теория относительности скорректировала понятия пространства и времени, придав тем самым смысл формализму преобразований Лоренца. Выход из ситуации он нашёл в наложении ограничения на использование классических понятий, выраженном математически в виде соотношения неопределённостей: «чем точнее определено положение, тем менее точно известен импульс, и наоборот». Свои выводы он продемонстрировал известным мысленным экспериментом с гамма-микроскопом. Полученные результаты Гейзенберг изложил в 14-страничном письме Паули, который высоко их оценил. Бор, вернувшийся из отпуска в Норвегии, был не вполне удовлетворён и высказал ряд замечаний, но Гейзенберг отказался вносить изменения в свой текст, упомянув о предложениях Бора в постскриптуме. Статья «О наглядном содержании квантовотеоретической кинематики и механики» с подробным изложением принципа неопределённости была получена редакцией Zeitschrift für Physik 23 марта 1927 года.

Соотношение неопределённостей

механики. Гейзенберг стоит третий справа
Принцип неопределённости не только сыграл важную роль в развитии интерпретации квантовой механики, но и поднял ряд философских проблем. Бор связал его с более общей концепцией дополнительности, развивавшейся им в это же время: он трактовал соотношения неопределённостей как математическое выражение того предела, до которого возможно использование взаимно исключающих (дополнительных) понятий. Кроме того, статья Гейзенберга привлекла внимание физиков и философов к концепции измерения, а также к новому, необычному пониманию причинности, предложенному автором: «… в сильной формулировке закона причинности: „если точно знать настоящее, можно предсказать будущее“, неверна предпосылка, а не заключение. Мы в принципе не можем узнать настоящее во всех деталях». Позже, в 1929 году, он ввёл в квантовую теорию термин «коллапс волнового пакета», ставший одним из основных понятий в рамках так называемой «копенгагенской интерпретации» квантовой механики.

Соотношение неопределённостей (продолжение)

сразу же признанной научным сообществом, стимулировало быстрый прогресс в развитии квантовых представлений, решении ряда конкретных проблем. Сам Гейзенберг в марте 1926 года закончил совместную с Йорданом статью, давшую объяснение аномального эффекта Зеемана с использованием гипотезы Гаудсмита и Уленбека о спине электрона. В последующих работах, написанных уже с использованием шрёдингеровского формализма, он рассмотрел системы нескольких частиц и показал важность соображений симметрии состояний для понимания особенностей спектров гелия (термы пара- и ортогелия), ионов лития, двухатомных молекул, что позволило сделать вывод о существовании двух аллотропных форм водорода — орто- и параводорода. Фактически Гейзенберг независимо пришёл к статистике Ферми — Дирака для систем, удовлетворяющих принципу Паули.
В 1928 году Гейзенберг заложил основы квантовой теории ферромагнетизма (модель Гейзенберга), использовав представление об обменных силах между электронами для объяснения так называемого «молекулярного поля», введённого Пьером Вейсом ещё в 1907 году. При этом ключевую роль играло относительное направление спинов электронов, которое определяло симметрию пространственной части волновой функции и, таким образом, влияло на пространственное распределение электронов и электростатическое взаимодействие между ними. Во второй половине 1940-х годов Гейзенберг предпринял неудачную попытку построения теории сверхпроводимости, в которой учитывалось только электростатическое взаимодействие между электронами.

Приложения квантовой механики

квантовой электродинамики, которая учитывала бы не только наличие квантованного электромагнитного поля, но и его взаимодействие с релятивистскими заряженными частицами. Уравнение Дирака для релятивистского электрона, появившееся в начале 1928 года, с одной стороны, указывало верный путь, но, с другой, породило ряд проблем, казавшихся неразрешимыми — проблему собственной энергии электрона, связанную с появлением бесконечно большой добавки к массе частицы, и проблему состояний с отрицательной энергией. Исследование, проводившееся Гейзенбергом совместно с Паули, зашло в тупик, и он на время бросил его, занявшись теорией ферромагнетизма. Лишь в начале 1929 года им удалось продвинуться дальше в построении общей схемы релятивистской теории, которая была изложена в статье, законченной в марте того же года. Предложенная схема была основана на процедуре квантования классической полевой теории, содержащей релятивистски-инвариантный лагранжиан. Учёные применили этот формализм к системе, включающей электромагнитное поле и волны материи, взаимодействующие между собой. В следующей статье, вышедшей в 1930 году, они значительно упростили теорию, использовав соображения симметрии, почерпнутые из общения с известным математиком Германом Вейлем. В первую очередь это касалось соображений калибровочной инвариантности, позволивших избавиться от некоторых искусственных построений первоначальной формулировки.
Хотя попытка Гейзенберга и Паули построить квантовую электродинамику существенно расширила границы атомной теории, включив ряд известных результатов, она оказалась неспособна устранить расходимости, связанные с бесконечной собственной энергией точечного электрона. Все предпринятые позже попытки решить эту проблему, в том числе такие радикальные, как квантование пространства (решёточная модель), не принесли успеха. Решение было найдено много

Квантовая электродинамика

внимания явлению космических лучей, которые, по его мнению, давали возможность серьёзной проверки теоретических представлений. Именно в космическом излучении Карл Андерсон обнаружил позитрон, предсказанный ранее Дираком («дырка» Дирака). В 1934 году Гейзенберг развил теорию дырок, включив позитроны в формализм квантовой электродинамики. При этом он, как и Дирак, постулировал существование явления поляризации вакуума и в 1936 году совместно с Гансом Генрихом Эйлером вычислил квантовые поправки к уравнениям Максвелла, связанные с этим эффектом.

Квантовая электродинамика (продолжение)

Гейзенберг стоит четвёртый слева
В 1932 году, вскоре после открытия нейтрона Джеймсом Чедвиком, Гейзенберг высказал идею о протон-нейтронном строении атомного ядра (несколько ранее она была независимо предложена Дмитрием Иваненко) и в трёх статьях попытался построить квантовомеханическую теорию такого ядра. Хотя эта гипотеза разрешила многие трудности предыдущей (протон-электронной) модели, оставалось неясным происхождение электронов, испускаемых в процессах бета-распада, некоторые особенности статистики ядерных частиц и природа сил между нуклонами. Гейзенберг попытался прояснить эти вопросы, предположив наличие обменных взаимодействий между протонами и нейтронами в ядре, которые аналогичны силам между протоном и атомом водорода, формирующими молекулярный ион водорода. Это взаимодействие, по предположению, должно осуществляться посредством электронов, которыми обмениваются нейтрон и протон, однако этим ядерным электронам пришлось приписать «неправильные» свойства (в частности, они должны быть бесспиновыми, то есть бозонами). Взаимодействие между нейтронами описывалось аналогично взаимодействию двух нейтральных атомов в молекуле водорода. Здесь же учёный впервые высказал идею изотопической инвариантности, связанной с обменом зарядом между нуклонами и с зарядовой независимостью ядерных сил. Дальнейшие усовершенствования в эту модель были внесены Этторе Майораной, обнаружившим эффект насыщения ядерных сил.

Ядерная физика

1944 года, Гейзенберг предложил радикальный способ избавления от расходимостей в квантовой теории поля. Идея фундаментальной длины (кванта пространства) побудила его отказаться от описания с помощью непрерывного уравнения Шрёдингера. Учёный вновь вернулся к концепции наблюдаемых величин, соотношения между которыми должны лежать в основе будущей теории. Для связи между этими величинами, к которым он однозначно относил энергии стационарных состояний и асимпотическое поведение волновой функции в процессах рассеяния, поглощения и испускания излучения, было введено (независимо от Джона Уилера, сделавшего это в 1937 г.) понятие об S-матрице (матрице рассеяния), то есть некотором операторе, превращающем функцию падающей волны в функцию рассеянной волны. По замыслу Гейзенберга, S-матрица должна была заменить гамильтониан в будущей теории. Несмотря на трудности обмена научной информацией в условиях войны, теория матрицы рассеяния вскоре была подхвачена рядом учёных (Эрнст Штюкельберг в Женеве, Хендрик Крамерс в Лейдене, Кристиан Мёллер в Копенгагене, Паули в Принстоне), которые взялись за дальнейшее развитие формализма и выяснение его физических аспектов. Однако со временем стало ясно, что эта теория в чистом виде не может стать альтернативой обычной квантовой теории поля, но может быть одним из полезных математических инструментов в её рамках. В частности, она используется (в модифицированном виде) в фейнмановском формализме квантовой электродинамики. Понятие S-матрицы, дополненное рядом условий, заняло центральное место в формулировке так называемой аксиоматической квантовой теории поля, а в дальнейшем в разработке теории струн.
В послевоенное время, в условиях нарастающего количества вновь открываемых элементарных частиц, встала проблема их описания при помощи как можно меньшего числа полей и взаимодействий, в простейшем случае — единственного поля (тогда можно говорить о «единой теории поля»). Начиная примерно с 1950 года, проблема поиска верного уравнения, описывающего это единое поле, стала основной в научном творчестве Гейзенберга. Его подход основывался на нелинейном обобщении уравнения Дирака и наличии некоторой фундаментальной длины (порядка классического радиуса электрона), ограничивающей применимость обычной квантовой механики. В целом это направление, сразу же столкнувшееся со сложнейшими математическими проблемами и необходимостью вместить в себя огромное количество экспериментальных данных, было скептически принято научным сообществом и разрабатывалось почти исключительно в группе Гейзенберга.

Квантовая теория поля

в первой статье сделав попытку, следуя Теодору фон Карману, определить параметры вихревого хвоста, который возникает за движущейся пластиной. В своей докторской диссертации он рассмотрел устойчивость ламинарного течения и природу турбулентности на примере потока жидкости между двумя плоскопараллельными пластинами. Ему удалось показать, что ламинарный поток, устойчивый при малых числах Рейнольдса (ниже критической величины), при увеличении этого параметра сначала становится неустойчивым, однако при очень больших значениях его стабильность повышается (неустойчивы только длинноволновые возмущения). Гейзенберг вернулся к проблеме турбулентности в 1945 году, когда был интернирован в Англии. Он разработал подход на основе статистической механики, который во многом был аналогичен идеям, развивавшимся Джеффри Тейлором, Андреем Колмогоровым и другими учёными. В частности, ему удалось показать, как происходит обмен энергией между вихрями различных размеров.

Гидродинамика

грубое вторжение политики в устоявшуюся университетскую жизнь, целью которого была «очистка» науки и образования от евреев и других нежелательных элементов. Гейзенберг, как и многие его коллеги, был шокирован столь явным антиинтеллектуализмом нового режима, который неминуемо должен был привести к ослаблению немецкой науки. Однако поначалу он всё же был склонен делать упор на положительных чертах изменений, происходивших в стране. По-видимому, нацистская риторика возрождения Германии и немецкой культуры привлекала его своей близостью к тем романтическим идеалам, которые разделяли участники молодёжного движения после Первой мировой войны. Кроме того, как отмечает биограф учёного Дэвид Кэссиди (David C. Cassidy), пассивность, с которой Гейзенберг и его коллеги воспринимали наступившие перемены, была, видимо, связана с традицией рассматривать науку как институт, стоящий вне политики.
Попытки Гейзенберга, Макса Планка и Макса фон Лауэ изменить политику в отношении учёных-евреев или хотя бы ослабить её последствия за счет личных связей и подачи петиций по официальным бюрократическим каналам не увенчались успехом. С осени 1933 года «неарийцы», женщины и люди левых убеждений лишались права преподавать, а с 1938 года будущие лекторы должны были доказывать свою политическую благонадёжность. В этой ситуации Гейзенберг и его коллеги, считая первоочередной задачей сохранение немецкой физики, предприняли попытки заместить освободившиеся позиции немецкими или даже иностранными учёными, что было негативно встречено в научном сообществе и также не достигло своей цели. В качестве последнего средства оставался уход в отставку в знак протеста, однако Планк отговорил Гейзенберга, указав на важность выживания физики несмотря на катастрофу, которая ожидает Германию в будущем.

Взаимоотношения с нацистским режимом

«фаустовской сделкой» (Faustian bargain). С одной стороны, успех в борьбе с «арийскими физиками» и публичная реабилитация учёного означали признание его важности (как и его коллег) для поддержания высокого уровня физического образования и научных исследований в стране. Другой стороной этого компромисса была готовность немецких учёных (в том числе и Гейзенберга) сотрудничать с властями и участвовать в военных разработках Третьего Рейха. Актуальность последних особенно возросла с началом Второй мировой войны не только для армии, но и для самих учёных, ибо сотрудничество с военными служило надёжной защитой от призыва на фронт.
Уже в сентябре 1939 года армейское руководство поддержало создание так называемого «Уранового клуба» (Uranverein) для более глубокого исследования перспектив применения деления ядер урана, открытого Отто Ганом и Фрицем Штрассманом в конце 1938 года. Гейзенберг был среди приглашенных на одно из первых обсуждений проблемы 26 сентября 1939 года, где был составлен план проекта и отмечена возможность военного применения ядерной энергии. Учёный должен был теоретически исследовать основы функционирования «урановой машины», как тогда называли ядерный реактор. В декабре 1939 года он представил первый секретный отчёт с теоретическим анализом возможности получения энергии за счёт ядерного деления. В этом отчёте в качестве замедлителей предлагались углерод и тяжёлая вода, однако с лета 1940 года было решено остановиться на последней как более экономичном и доступном варианте (соответствующее производство было уже налажено в оккупированной Норвегии).
Пожалуй, самым известным примером такой поездки стала встреча с Нильсом Бором в Копенгагене в сентябре 1941 года. Подробности беседы двух учёных не известны, а её трактовки сильно отличаются. По словам самого Гейзенберга, он хотел узнать мнение своего учителя о моральном аспекте создания нового оружия, однако, поскольку не мог говорить открыто, Бор его неправильно понял. Датчанин дал совсем иную интерпретацию этой встречи. У него создалось впечатление, что немцы интенсивно работают над урановой темой, а Гейзенберг хотел разузнать, что он об этом знает. Более того, Бор считал, что его гость предложил ему сотрудничать с нацистами. Взгляды датского учёного нашли отражение в черновиках писем, впервые опубликованных в 2002 году и широко обсуждавшихся в печати.

Начало уранового проекта. Поездка в Копенгаген

различные группы учёных в Германии сумели провести лабораторные эксперименты, давшие обнадеживающие результаты с точки зрения построения «урановой машины». В частности, в Лейпциге Роберт Дёпель сумел добиться положительного прироста числа нейтронов в сферической геометрии расположения слоёв урана, предложенной Гейзенбергом. Всего над урановой проблемой в Германии работало 70-100 учёных в составе различных групп, не объединённых единым руководством. Большое значение для дальнейшей судьбы проекта имела конференция, организованная военным научным советом в феврале 1942 года (с одной из лекций выступил и Гейзенберг). Хотя на этой встрече был признан военный потенциал ядерной энергии, однако с учётом текущего экономического и военного положения Германии было решено, что достичь её применения в разумный срок (порядка года) не удастся и потому это новое оружие не сможет оказать влияние на ход войны. Тем не менее, ядерные исследования были признаны важными для будущего (как в военном, так и в мирном смыслах) и их было решено по-прежнему продолжать финансировать, однако общее руководство перешло от военных к Имперскому исследовательскому совету. Это решение было подтверждено в июне 1942 года на встрече учёных с министром вооружений Альбертом Шпеером, а основной целью стало создание ядерного реактора.
В июле 1942 года с целью организации работ по «урановой машине» Институт физики в Берлине был возвращён в состав Общества кайзера Вильгельма, а его руководителем был назначен Гейзенберг (одновременно он получил пост профессора Берлинского университета). Поскольку формально директором института оставался Петер Дебай, не вернувшийся из США, название должности Гейзенберга звучало как «директор при институте». Несмотря на нехватку материалов, в последующие годы в Берлине было поставлено несколько экспериментов с целью получения самоподдерживающейся цепной реакции в ядерных котлах разных геометрий. Эта цель была почти достигнута в феврале 1945 года в последнем эксперименте, который проводился уже в эвакуации, в вырубленном в скале помещении в деревне Хайгерлох (сам институт расположился неподалеку, в Хехингене). Именно здесь учёные и установка были захвачены секретной миссией «Алсос» в апреле 1945 года.

Попытки создания реактора

после окончания мировой войны началась бурная дискуссия о причинах неудачи немецких физиков в создании атомной бомбы. В ноябре 1946 года в журнале Die Naturwissenschaften была опубликована статья Гейзенберга, посвящённая нацистскому ядерному проекту. Марк Уокер выделил несколько характерных неточностей в трактовке событий, данной немецким учёным: преуменьшение роли физиков, тесно связанных с военными кругами и не скрывавших этого (например, Курта Дибнера, Абрахама Эзау (англ. Abraham Esau) и Эриха Шумана (англ. Erich Schumann)); упор на экспериментальную ошибку, приведшую к выбору тяжёлой воды (а не графита) в качестве замедлителя, хотя этот выбор был обусловлен прежде всего экономическими соображениями; затушёвывание понимания немецкими учёными роли ядерного реактора для получения оружейного плутония; приписывание встрече ученых с министром Шпеером решающей роли в осознании невозможности создания ядерного оружия до окончания войны, хотя это было признано ещё ранее армейским руководством, решившим не переводить исследования на промышленный уровень и не тратить на него ценные ресурсы. В этой же статье Гейзенберга впервые появился намёк на то, что немецкие физики (во всяком случае, из окружения Гейзенберга) контролировали ход работы и по моральным соображениям старались увести её в сторону от разработки ядерного оружия.
Другую сторону дискуссии представлял Сэм Гаудсмит, служивший в конце войны научным руководителем миссии «Алсос» (в прежние времена они с Гейзенбергом были довольно близкими друзьями). В их эмоциональном споре, продолжавшемся несколько лет, Гаудсмит придерживался мнения, что препятствием для достижения успеха в Германии явились недостатки организации науки в тоталитарном обществе, однако при этом фактически обвинил немецких учёных в некомпетентности, считая, что они не в полной мере понимали физику бомбы. Гейзенберг резко возражал против последнего утверждения. По словам Уокера, «урон, нанесённый его репутации физика, возможно, больше беспокоил его, чем критика за службу нацистам».

Послевоенные дискуссии

уделял особое внимание философским основаниям науки, которым он посвятил ряд своих публикаций и выступлений. В конце 1950-х годов вышла его книга «Физика и философия», представлявшая собой текст Гиффордовских лекций в университете Сент-Эндрюс, а спустя десять лет — автобиографическое сочинение «Часть и целое», названное Карлом фон Вайцзеккером единственным платоновским диалогом нашего времени. С философией Платона Гейзенберг познакомился ещё учеником классической гимназии в Мюнхене, где получил качественное гуманитарное образование. Кроме того, большое влияние на него оказал отец, крупный учёный-филолог. Гейзенберг на протяжении всей жизни сохранял интерес к Платону и другим древним философам и даже считал, что «вряд ли можно продвинуться в современной атомной физике, не зная греческой философии».
Именно симметрии, определяющие свойства элементарных частиц, — а не сами частицы — Гейзенберг считал чем-то первичным, а один из критериев истинности теории, направленной на поиск этих симметрий и связанных с ними законов сохранения, видел в её красоте и логической стройности. Влияние философии Платона можно проследить и в более ранних работах учёного по квантовой механике. Другим источником вдохновения для Гейзенберга-мыслителя было творчество Иммануила Канта, в особенности его концепция априорного знания и его анализ экспериментального мышления, нашедшие отражение в интерпретации квантовой теории. Влияние Канта можно проследить как в гейзенберговском изменении смысла причинности, так и в его представлении о наблюдаемости физических величин, приведшем к установлению принципа неопределённости и формулировке проблемы измерения в микрофизике. Косвенное влияние на ранние работы учёного по квантовой механике оказали позитивистские идеи Эрнста Маха (посредством трудов Эйнштейна).

Философские взгляды

медаль Национальной академии наук США (1964);
Международная золотая медаль Нильса Бора (1970);
Баварский орден «За заслуги»;
Орден «За заслуги перед Федеративной Республикой Германия» (Grand Cross for Federal Services with Star);
Рыцарь ордена Pour le Mérite (гражданский класс, 1957);
Член Саксонской академии наук, Гёттингенской академии наук, Прусской академии наук, Баварской академии наук, академии наук Леопольдина;
Иностранный член Лондонского королевского общества (1955), Американской академии искусств и наук, Ирландской королевской академии, Шведской королевской академии наук, Нидерландской королевской академии наук, Папской академии наук, Национальной академии деи Линчеи, академий наук Норвегии, Испании, Румынии.

Награды и членства

Английский перевод: W. Heisenberg. The physical principles of the quantum theory. — Courier Dover Publications, 1930. — 183 p. Русский перевод: В. Гейзенберг. Физические принципы квантовой теории. — М.-Л., 1932.
W. Heisenberg. Wardlungen in den Grundlagen der Naturwissenschaft. — Stuttgart: Hirzel, 1935.
W. Heisenberg. Die Physik der Atomkerne. — Braumschweig: Vieweg & Sohn, 1943. Русский перевод: В. Гейзенберг. Физика атомного ядра. — М.-Л.: Гостехиздат, 1947.
В. Гейзенберг. Теория атомного ядра. — М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1953.
В. Гейзенберг. Философские проблемы атомной физики. — М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1953 и т. д.
Основные научные статьи:
W. Heisenberg. Über Stabilität und Turbulenz von Flüssigkeitsströmen (Diss.) // Annalen der Physik. — 1924. — Vol. 379 (74). — № 15. — P. 577—627.
H. A. Kramers, W. Heisenberg. Über die Streuung von Strahlung durch Atome // Zeitschrift für Physik. — 1925. — Vol. 31. — № 1. — P. 681—708.
W. Heisenberg. Über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen // Zeitschrift für Physik. — 1925. — Vol. 33. — № 1. — P. 879—893. Русский перевод: В. Гейзенберг. О квантовотеоретическом истолковании кинематических и механических соотношений // УФН. — 1977. — Т. 122, вып. 8. — С. 574—586.
M. Born, W. Heisenberg, P. Jordan. Zur Quantenmechanik. II // Zeitschrift für Physik. — 1926. — Vol. 35. — № 8—9. — P. 557—615.
W. Heisenberg. Über den anschaulichen Inhalt der quantentheoretischen Kinematik und Mechanik // Zeitschrift für Physik. — 1927. — Vol. 43. — № 3—4. — P. 172—198. Русский перевод: В. Гейзенберг. О наглядном содержании квантовотеоретической кинематики и механики // УФН. — 1977. — Т. 122, вып. 8. — С. 651—671 и т. д.

Сочинения

— Birkhäuser, 1984. — 170 p.
М. Джеммер. Эволюция понятий квантовой механики. — М.: Наука, 1985. — 384 с. — 8000 экз.
D. C. Cassidy. Uncertainty : the life and science of Werner Heisenberg. — New York: Freeman & Co., 1991. — 669 p. Рецензия: Я. А. Смородинский. Неопределенность: победы и поражения Вернера Гейзенберга // УФН. — 1992. — Т. 162, вып. 11. — С. 201—205.
M. Walker. German National Socialism and the Quest for Nuclear Power. — Cambridge: University Press, 1992. — 304 p. Рецензия: Р. Позе, Я. А. Смородинский. Фашистская Германия и ядерная энергетика // УФН. — 1992. — Т. 162, вып. 4. — С. 169—171.
T. Powers. Heisenberg's War: The Secret History of the German Bomb. — New York: Alfred A. Knopf, 1993 и т. д.
Статьи:
Professor Werner Heisenberg: A pioneer of quantum mechanics // The Times. — 1976.
E. P. Wigner. Werner K. Heisenberg (Obituary) // Physics Today. — 1976. — Vol. 29. — № 4. — P. 86—87.
F. Bloch. Heisenberg and the early days of quantum mechanics // Physics Today. — 1976. — Vol. 29. — № 12. — P. 23—27.
N. Mott, R. Peierls. Werner Heisenberg (1901—1976) // Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society. — 1977. — Vol. 23. — P. 212—251.
D. C. Cassidy. Heisenberg's first paper // Physics Today. — 1978. — Vol. 31. — № 7. — P. 23—28 и т. д.

Литература