Вернер Карл Гейзенберг

Вернер Карл Гейзенберг (5 декабря 1901, Вюрцбург - 1 февраля 1976, Мюнхен) — немецкий физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Лауреат Нобелевской премии по физике (1932). Член ряда академий и научных обществ мира.
Детские годы Гейзенберга прошли в Дуйсбурге, где он учился в гимназии Максимилиана. В 1920г. он поступил в Мюнхенский университет, где изучал физику под руководством знаменитого Арнольда Зоммерфельда.
Гейзенберг был выдающимся студентом и уже в 1923г. защитил докторскую диссертацию. Она была посвящена некоторым аспектам квантовой теории. Следующий год он провел в Геттингенском университете ассистентом у Макса Борна, а затем, получив стипендию Рокфеллеровского фонда, отправился к Нильсу Бору в Копенгаген, где пробыл до 1927г., если не считать продолжительных визитов в Геттинген.
Наибольший интерес у Гейзенберга вызывали нерешенные проблемы строения атома и все возраставшее несоответствие модели, предложенной Бором, экспериментальным и теоретическим данным. В 1925г., во время кратковременного отдыха после приступа сенной лихорадки Гейзенберг в порыве вдохновения увидел совершенно новый подход, позволяющий применить квантовую теорию к разрешению всех трудностей в модели Бора.
Через несколько недель он изложил свои идеи в статье. Макс Планк положил начало квантовой теории в 1900г. Он объяснил соотношение между температурой тела и испускаемым им излучением, выдвинув гипотезу, согласно которой энергия испускается малыми дискретными порциями. Энергия каждой такой порции, или кванта, как предложил называть ее Альберт Эйнштейн, пропорциональна частоте излучения. Понятие кванта энергии было радикально новым, поскольку еще в прошлом столетии было доказано, что излучение, например свет, распространяется в виде непрерывных волн.
В 1905 г. Эйнштейн воспользовался квантами для объяснения фотоэлектрического эффекта - испускания электронов металлической поверхностью, освещаемой ультрафиолетовым светом. Более интенсивное излучение приводит к увеличению числа испущенных поверхностью электронов, но не их энергии.
Эйнштейн высказал предположение, согласно которому каждый квант (света или любой другой лучистой энергии), получивший впоследствии название фотона, передает энергию одному электрону. Некоторая доля энергии затрачивается на высвобождение электрона, а остальная переходит в кинетическую энергию, т.е. проявляется в виде скорости электрона. Поток падающего на поверхность металла более интенсивного излучения содержит большее число фотонов, которые высвобождают и большее число электронов, но энергия каждого фотона остается фиксированной, чем и устанавливается предел скорости электронов.
Около 1913г. Бор предложил свою модель атома: вокруг плотного центрального ядра по орбитам различного радиуса обращаются электроны. Используя квантовую теорию, он показал, что атом, возбужденный при горении вещества или электрическим разрядом, излучает энергию на некоторых характерных частотах. По Бору, разрешались только вполне определенные электронные орбиты. Когда электрон "перепрыгивает" с одной орбиты на другую, с меньшей энергией, излишек ее преобразуется в квант испускаемого излучения с частотой, определяемой, по теории Планка, разностью энергий между уровнями. Модель Бора сначала пользовалась большим успехом, но вскоре в нее понадобилось вводить поправки для устранения расхождений между теорией и экспериментальными данными. Многие ученые указывали на то, что, несмотря на кажущуюся простоту, она не может служить основой для последовательного подхода к решению многих задач квантовой физики.
 Блестящая идея, пришедшая в голову Гейзенберга, состояла в том, чтобы рассматривать квантовые события как явления на совершенно ином уровне, чем в классической физике. Он подошел к ним как к явлениям, не допускающим точного наглядного представления, например с помощью картины обращающихся по орбитам электронов. Вместо наглядных образов Гейзенберг предложил абстрактное, чисто математическое представление, основанное на использовании "принципиально наблюдаемых" величин, таких, как частоты спектральных линий. В выведенные Гейзенбергом уравнения входили таблицы наблюдаемых величин: частот, пространственных координат и импульсов. Он указал правила, позволяющие производить над этими таблицами различные математические операции. Борн распознал в таблицах Гейзенберга давно известные математикам матрицы и показал, что операции над ними можно производить по правилам матричной алгебры - хорошо разработанной области математики, но малоизвестной в то время физикам.
Борн, его студент Паскуаль Джордан и Гейзенберг развили эту концепцию в матричную механику и создали метод, позволяющий применять квантовую теорию в исследованиях структуры атома. Через несколько месяцев Эрвин Шредингер предложил другую формулировку квантовой механики, описывающей эти явления на языке волновых понятий.
Подход Шредингера берет начало в работах Луи де Бройля, высказавшего гипотезу о так называемых волнах материи: подобно тому, как свет, традиционно считавшийся волнами, может обладать корпускулярными свойствами (фотоны, или кванты излучения), частицы могут обладать волновыми свойствами. Позднее было доказано, что матричная и волновая механики, по существу, эквивалентны. Взятые вместе, они образуют то, что ныне называется квантовой механикой. Вскоре квантовая механика была расширена Полем Дираком, включившим в волновое уравнение элементы теории относительности Эйнштейна.
В 1927 г. Гейзенберг стал профессором теоретической физики Лейпцигского университета. В том же году он опубликовал работу, содержащую формулировку принципа неопределенности. Свой принцип Гейзенберг вывел как следствие умножения матриц. При умножении обычных чисел порядок сомножителей несуществен, а при умножении матриц он очень важен. При вычислении операции умножения над некоторыми парами величин, например импульсом частицы и ее пространственной координатой, ответ в матричной механике будет зависеть от того, какая из величин (импульс или пространственная координата) стоит на первом месте. Понятие упорядоченности величин оказалось весьма глубоким. Оно означало, что точное определение одной величины влияет на значение другой, поэтому значения двух величин одновременно невозможно знать с абсолютной точностью.
Физические величины обычно становятся известны в результате измерений. Каждое измерение содержит некоторую погрешность, но экспериментатор всегда надеется уменьшить ее с помощью лучшего оборудования или более совершенной методики. Принцип неопределенности устанавливает предел для точности измерений. Он утверждает, что произведение погрешностей измерений двух величин не может быть меньше некоторого фиксированного числа - постоянной Планка. Это число буквально пронизывает всю квантовую теорию, поскольку энергия кванта излучения равна произведению постоянной Планка и частоты.
Когда погрешности измерения обеих величин относительно велики, как в повседневной жизни, принцип неопределенности малоэффективен, но на атомном уровне он очень важен. Например, чем точнее может быть зафиксировано положение электрона в пространстве, тем более неопределенной становится его скорость. Даже теоретически электрону нельзя приписать одновременно абсолютно точно известную пространственную координату и абсолютно точно известную скорость. Гейзенберг предложил следующий поясняющий пример: чтобы "увидеть" электрон в гипотетический сверхмикроскоп, на него следует направить "свет" с длиной волны, сравнимой с размерами электрона.
Из квантовой теории следует, что квант такого света должен обладать столь большой энергией, что при столкновении с электроном он отбросит его в сторону. Наблюдение вносит возмущения и изменения в то, что наблюдается.
Согласно "копенгагенской" интерпретации (названа так в честь Нильса Бора, интенсивно занимавшегося этой проблемой в Копенгагене), получившей наибольшее признание в современной физике, принцип неопределенности ограничивает квантово-механическое описание утверждениями об относительных вероятностях исходов экспериментов и не предсказывает точные численные значения измеряемых физических величин.
Еще одним успехом новой квантовой механики стало предсказание существования двух форм молекулы водорода. В обычном водороде каждая молекула состоит из двух связанных атомов (ядро каждого атома состоит из одного протона). Предполагается, что ядро вращается вокруг собственной оси, как волчок (квантовая механика отвергает столь простую картину, но сохраняет такое понятие, как спин, или угловой момент, характеризующий вращение ядра вокруг собственной оси).
Поскольку протон несет положительный электрический заряд, его спин имеет характер электрического тока и порождает магнитное поле, взаимодействующее с другими заряженными частицами и магнитными полями. В одной форме молекулы водорода спины двух ядер направлены одинаково (по часовой стрелке или против нее). В другой же спины ядер направлены в противоположные стороны. Вскоре это было доказано благодаря наблюдениям линейчатых спектров. Так как относительная ориентация спинов влияет на положение энергетических уровней, переходы между слегка различными уровнями сопровождаются излучением с различными частотами. Это экспериментальное подтверждение предположения Гейзенберга подкрепило его теоретические исследования.
В 1933г. Гейзенбергу была вручена Нобелевская премия по физике 1932г. "за создание квантовой механики, применение которой привело помимо прочего к открытию аллотропических форм водорода".
В Лейпцигском университете Гейзенберга оставался до 1941г. За время своего пребывания в Лейпциге он выполнил важные работы по ферромагнетизму (виду магнетизма, свойственному таким сильно магнитным материалам, как железо) и квантовой электродинамике (последние - в соавторстве с Вольфгангом Паули). Сразу же после открытия Джеймсом Чедвиком нейтрона в 1932г. Гейзенберг высказал гипотезу, согласно которой атомные ядра должны состоять из протонов и нейтронов, удерживаемых силами ядерного обменного взаимодействия.
В 1941г. Гейзенберг был назначен профессором физики Берлинского университета и директором Физического института кайзера Вильгельма. Хотя он не был сторонником нацистского режима, он, тем не менее возглавил германский проект по атомным исследованиям. Американские физики, знавшие способности Гейзенберга, опасались, что он может создать для Германии бомбу, над которой они работали в США.
Гейзенберг надеялся получить ядерную энергию, но некомпетентность правительства, его недальновидность, изгнание ученых-евреев и отчужденность со стороны многих других создали настолько серьезные препятствия на пути исследований, что участники германского атомного проекта не смогли построить даже ядерный реактор.
После окончания войны Гейзенберг в числе других немецких физиков был взят в плен и интернирован в Великобританию. В Германию он вернулся в 1946 г. и занял пост профессора физики Геттингенского университета и директора Института Макса Планка (бывшего Физического института кайзера Вильгельма). Исполняя эти высокие обязанности, Гейзенберг участвовал в программе получения ядерной энергии. Он выступал с публичной критикой канцлера ФРГ Конрада Аденауэра за неадекватное финансирование ядерной технологии правительством. Гейзенберг был среди тех ученых, которые предупреждали мир об опасности ядерной войны. Он принадлежал к числу противников вооружения бундесвера ядерным оружием.
Гейзенберг выполнил также ряд исследований по теории гидродинамической турбулентности, сверхпроводимости и теории элементарных частиц.
В 1937г. Гейзенберг вступил в брак с Элизабет Шумахер. У них родилось четыре дочери и трое сыновей. Гейзенберг был большим любителем музыки и тонким пианистом. Он часто играл в камерных ансамблях с членами своей семьи. Гейзенберг скончался 1 февраля 1976г. в Мюнхене. Гейзенберг был награжден золотой медалью Барнарда "За выдающиеся научные заслуги" Колумбийского университета (1929), золотой медалью Маттеуччи Национальной академии наук Италии (1929), медалью Макса Планка Германского физического общества (1933), бронзовой медалью Национальной академии наук США (1964), международной золотой медалью Нильса Бора Датского общества инженеров-строителей, электриков и механиков (1970).
Он был удостоен почетных степеней университетов Брюсселя, Будапешта, Копенгагена, Загреба и Технического университета в Карлсруэ, состоял членом академий наук Норвегии, Геттингена, Испании, Германии и Румынии, а также Лондонского королевского общества, Американского философского общества, Нью-Йоркской академии наук. Королевской ирландской академии и Японской академии.