Вернер Карл Хайзенберг (Werner Karl Heisenberg)
5 декември 1901 г. – 1 февруари 1976 г.
Нобелова награда за физика, 1932 г.
(За създаване на квантовата механика, чието прилагане довежда до откриване на алотропните форми на водорода.)
Немският физик Вернер Карл Хайзенберг е роден в Дуйсбург в семейството на Август Хайзенберг, професор по старогръцки език в Мюнхенския университет, и Ани Веклейн. Детските години на Хайзенберг преминават в Дуйсбург, където учи в гимназията "Максимилиан". През 1920 г. постъпва в Мюнхенския университет, където изучава физика под ръководството на знаменития Арнолд Зомерфелд. Хайзенберг е забележителен студент и още през 1923 година защитава докторската си дисертация. Тя е посветена на някои аспекти на квантовата теория. През следващата година той работи в Гьотингенския университет като асистент на Макс Борн, а след това, като получава стипендия от Рокфелеровия фонд, отива при Нилс Бор в Копенхаген, където стои до 1927 г., ако не се смятат продължителните му посещения в Гьотинген.
Най-голям интерес у Хайзенберг предизвикват нерешените проблеми, свързани със строежа на атома, и все по-нарастващото несъответствие на атомния модел, предложен от Бор. През 1925 г. по време на кратковременен отдих след пристъп на сенна хрема Хайзенберг в порив на вдъхновение вижда съвсем нов подход, позволяващ да се приложи квантовата теория за разрешаване на всички трудности в модела на Бор. След няколко седмици той представя своите идеи в статия. Макс Планк слага началото на квантовата теория през 1900 г. Той обяснява съотношението между температурата на тялото и излъчването, като изгражда хипотеза, според която енергията се излъчва на малки дискретни порции. Енергията на всяка такава порция, или квант, както предложил да се нарича Алберт Айнщайн, е пропорционална на честотата на излъчването. Понятието квант енергия било радикално ново, защото още през миналото столетие било доказано, че излъчването, например на светлина, се разпространява във вид на непрекъснати вълни.
През 1905 година Айнщайн използва квантите, за да обясни загадъчните свойства на фотоелектрическия ефект - излъчване на електрони от метална повърхност, облъчена с ултравиолетова светлина. По-интензивното излъчване води до увеличаване на броя на излъчваните от повърхността електрони, но не и на тяхната енергия. Айнщайн предполага, че всеки квант (светлина или всякаква друга лъчева енергия), получил по-късно названието фотон, предава енергията си на един електрон. Известна част от енергията се използва за освобождаването на електрона, а останалата се превръща в кинетична енергия, иначе казано - проявява се като скорост на електрона. Потокът на падащия върху повърхността на метала по-интензивно излъчване съдържа повече фотони, които освобождават и по-голям брой електрони, но енергията на всеки фотон остава фиксирана, с което се установява предел за скоростта на електроните.
Към 1913 г. Бор предлага свой модел на атома: около плътно централно ядро по орбита с различен радиус се движат електрони. Изучавайки квантовата теория, той доказва, че атомът, възбуден при горене или при електрически разряд, излъчва енергия на няколко характерни честоти. Според Бор са разрешени само напълно определени електронни орбити. Когато електронът "прескача" от една орбита на друга, с по-малка енергия, излишъкът ѝ се преобразува в квант излъчване с честота, определена, според теорията на Планк, от разликата в енергиите на равнищата. Моделът на Бор бил отначало много успешен, но скоро в него трябвало да се правят поправки, за да се отстранят разлики между теорията и експерименталните данни. Много учени сочели, че въпреки мнимата простота, той не може да служи за основа на изследователския подход за решаване на много задачи на квантовата физика.
Блестящата идея, хрумнала на Хайзенберг, се състои в това да се разглеждат квантовите събития като явления на съвсем друго равнище от разглеждането им в класическата физика. Той пристъпва към тях като към явление, недопускащи точна нагледна представа, например картина на движещи се по орбита електрони. Вместо нагледни образи Хайзенберг предлага абстрактна, чисто математическа представа, основаваща се на използването на "принципно наблюдаеми" величини, такива като честотите на спектралните линии. Изведените от Хайзенберг уравнения са свързани с таблици от набюдаеми величини: честоти, пространствени координати и импулси. Той посочва правилата, позволяващи да се извършват с тези таблици различни математически операции. Борн разпознава в таблиците на Хайзенберг отдавна известни математически матрици и доказва, че операциите с тях могат да се осъществяват по правилата на матричната алгебра - добре разработена математическа област, но малко известна по това време на физиците. Борн, неговият студент Паскуал Джордан и Хайзенберг развиват концепцията в матрична механика и създават метод, позволяващ да се използва квантовата теория за изследване на структурата на атома.
След няколко месеца Ервин Шрьодингер предлага друга формулировка на квантовата механика, описваща явленията на езика на вълновите понятия. Подходът на Шрьодингер води началото си от разработките на Луи дьо Бройл, който предлага хипотезата за така наречените вълни на материята: както светлината, традиционно смятаща се за вълни, може да притежава корпускулярни свойства (фотони, или кванти излъчване), така и частиците могат да притежават вълнови свойства. По-късно е доказано, че матричната и вълновата механика са по същество еквивалентни. Взети заедно, те образуват това, което днес наричаме квантова механика. Скоро квантовата механика е разширена от П. А. М. Дирак, който включва във вълновото уравнение елементи от теорията за относителността на Айнщайн.
През 1927 г. Хайзенберг става професор по теоретична физика в Лайпцигския университет. През същата година публикува изследване, в което е формулиран принципът за неопределеността. Своя принцип Хайзенберг извежда като следствие от умножаването на матриците. При умножаването на обикновени числа редът на съмножителите е несъществен, а при умножаването на матриците е много важен. При умножаване на някои двойки величини, например импулса на частицата и нейната пространствена координата, отговорът в матричната механика ще зависи от това коя от величините (импулсът или пространствената координата) са на първо място. Понятието подреденост на величините се оказва много съществено. То означава, че точното определение на едната величина влияе на значението на другата, защото значението на двете величини едновременно не могат да се знаят с абсолютна точност. Физическите величини обикновено стават известни в резултат от измервания. Всяко измерване съдържа известна грешка, но експериментаторът винаги се надява да я намали с помощта на по-добро оборудване или на по-съвършена методика. Принципът за неопределеността установява предел за точността на измерванията. Той твърди, че произведението на грешните измервания на две величини не може да бъде по-малко от известно фиксирано число - постоянна на Планк. Това число буквално преминава през цялата квантова теория, защото енергията на квант излъчване е равна на произведението от постоянната на Планк и честотата.
Когато грешките в измеренията на две величини са относително големи, както във всекидневния живот, принципът за неопределеността е малко ефективен, но на атомно равнище е много важен. Например колкото по-точно може да бъде фиксирано положението на електрона в пространството, толкова по-неопределена става неговата скорост. Дори теоретически на електрона не може да му се припише едновременно абсолютно точно известна пространствена координата и абсолютно точно известна скорост. Хайзенберг предлага следния поясняващ пример: за да "видим" един електрон с хипотетичен свръхмикроскоп, към него трябва да се насочи "светлина" с дължина на вълната, сравнима с размерите на електрона. От квантовата теория следва, че квант такава светлина трябва да притежава толкова голяма енергия, че при сблъскването с електрона да го изтласка встрани. Наблюдението внася смущения и изменения в това, което се наблюдава. Според копенхагенската интерпретация (наречена така в чест на Нилс Бор, който се занимава усърдно с този проблем в Копенхаген), получила най-голямо признание в съвременната физика, принципът за неопределеността ограничава квантовомеханичното описание на твърденията за относителните вероятни изходи от експериментите и не предсказва точните числени значения на измерваните физически величини.
Още един успех на новата квантова механика става предсказанието за съществуването на две форми водородни молекули. В обикновения водород всяка молекула се състои от два свързани атома (ядрото на всеки атом се състои от един протон). Предполага се, че ядрото обикаля около собствената си ос като пумпал (квантовата механика отхвърля една толкова проста картина, но запазва понятието спин, или ъглов момент, характеризиращо въртенето на ядрото около оста си). Тъй като протонът има положителен електрически заряд, спинът му има характер на електрически ток и създава магнитно поле, взаимодействащо си с другите заредени частици и магнитни полета. В едната форма на водородната молекула спиновете на двете ядра са насочени еднакво (по часовниковата стрелка или обратно на нея). При другата форма спиновете на ядрата са насочени противоположно. Скоро това е доказано от наблюденията на линейните спектри. Тъй като относителната ориентация на спиновете влияе върху положението на енергетичните равнища, преходите между леко различните равнища се съпровожда с излъчване на различни честоти. Това експериментално потвърждение на предположението на Хайзенберг потвърждава теоретичните му изследвания.
В Лайпцигския университет Хайзенберг остава до 1941 г. За времето на престоя си в Лайпциг той работи върху важни въпроси, свързани с феромагнетизма (вид магнетизъм, характерен за силно магнитни материали като желязото) и квантовата електродинамика (в съавторство с Волфганг Паули). Веднага след като Джеймс Чадуик открива неутрона през 1932 г. Хайзенберг изказва хипотеза, според която атомните ядра трябва да се състоят от протони и неутрони, задържани от силите на ядреното обемно взаимодействие.
През 1941 г. Хайзенберг е назначен за професор по физика в Берлинския университет и за директор на Физическия институт "Кайзер Вилхелм". Макар да не е привърженик на нацисткия режим, Хайзенберг оглавява германския проект за атомни изследвания. Американските физици, които знаят способностите на Хайзенберг, се опасяват, че може да създаде за германците бомба, над каквато работят в САЩ. Хайзенберг се надява да получи ядрена енергия, но некомпетентността на правителството, неговата недалновидност, прогонването на учените евреи и отчуждението от страна на много други създават толкова сериозни препятствия по пътя на изследователите, че участниците в германския атомен проект не успяват да построят дори атомен реактор. След края на войната Хайзенберг заедно с други немски физици е пленен и интерниран във Великобритания. В Германия се връща през 1946 г- и заема поста професор по физика в Гьотингенския университет и директор на института "Макс Планк" (бившия Физически институт "Кайзер Вилхелм"). Заемайки тези високи длъжности, Хайзенберг участва в програма за получаване на ядрена енергия. Той критикува публично кайзера на ФРГ Конрад Аденауер за неадекватното финансиране на ядрената технология от правителството. Хайзенберг е сред учените, които предупреждават света за опасността от ядрена война. Той е сред противниците на въоръжаването на бундесвера с ядрено оръжие. Хайзенберг прави също така редица изследвания, свързани с теорията за хидродинамичната турболентност, свръхпроводимостта и теорията за елементарните частици.
През 1937 г. Хайзенберг се жени за Елизабет Шумахер. Семейството има четири дъщери и трима сина. Изтънчен пианист, Хайзенберг често свири в камерни ансамбли с членовете на своето семейство. Умира в Мюнхен.
Хайзенберг е награден със златния медал Бернард "За
изключителни научни заслуги" на Колумбийския университет (1929 г.),
със златния медал
Матеучи на Националната академия на науките на Италия (1929 г.),
с медала Макс Планк на Германското физическо дружество (1933
г.), с бронзовия медал на Националната академия на науките на САЩ (1964
г.), с международния златен медал Нилс Бор на Датското дружество
на инженерите строители, електротехници и механици (1970 г.). Удостоен е с
почетните степени на университетите в Брюксел, Будапеща, Копенхаген,
Загреб и на Техническия университет в Карлсруе, член е на академията на
науките на Норвегия, Гьотинген, Испания, Германия и Румъния, а също и на
Лондонското кралско дружество, на Американското физическо дружество, на
Нюйоркската академия на науките, на Кралската ирландска академия и на
Японската академия.
Превод от руски: Павел Б. Николов
