Вернер Гейзенберг
Вернер Карл Гейзенберг (1901-1976) вошёл в историю как один из создателей квантовой механики и автор принципа неопределённости, перевернувшего представления о природе реальности на атомном уровне. Нобелевский лауреат 1932 года, самый молодой ординарный профессор Германии, руководитель немецкой ядерной программы во Второй мировой войне и один из архитекторов послевоенной европейской науки.
Детство в Баварии
Вернер Карл Гейзенберг родился 5 декабря 1901 года в Вюрцбурге, в семье Эрнста Августа Гейзенберга, профессора классической филологии, и Анни Веккляйн, чей отец возглавлял одну из мюнхенских гимназий. Интеллектуальная семья с многолетними академическими традициями сформировала в мальчике вкус к строгому мышлению с самых ранних лет. У Вернера был старший брат Эрвин, впоследствии ставший промышленным химиком.
В 1910 году семья переехала в Мюнхен, где отец получил кафедру в местном университете. В 1911 году Вернер поступил в Максимилиановскую гимназию, прославленное учебное заведение, которое окончили многие выдающиеся немецкие учёные и политики. Там он проявил редкие способности к математике, но увлечений у него было несколько: иностранные языки, включая санскрит, и музыка. Гейзенберг серьёзно занимался фортепиано и на протяжении всей жизни оставался заядлым пианистом, нередко играя Баха и Моцарта перед коллегами-физиками.
В годы Первой мировой войны Вернер участвовал в молодёжном движении «Pfadfinder» («Следопыты») и к семнадцати годам возглавил одну из его групп. Привычка к коллективному труду и философским обобщениям осталась с ним на всю жизнь.
Университет и первые учителя
В 1920 году Гейзенберг поступил в Мюнхенский университет, намереваясь изучать математику. Однако прославленный профессор Фердинанд фон Линдеман, доказавший трансцендентность числа пи, отказал новичку в участии в семинаре, сославшись на то, что тот уже читал слишком «популярные» книги. Разочарованный Вернер обратился к Арнольду Зоммерфельду, одному из ведущих немецких физиков-теоретиков. Зоммерфельд мгновенно оценил дарование студента и принял его в свою группу, где уже работал молодой Вольфганг Паули, ставший ближайшим другом и постоянным собеседником Гейзенберга на десятилетия вперёд.
Уже в 1921 году, на первом году обучения, Гейзенберг опубликовал работу об аномальном эффекте Зеемана, то есть о расщеплении спектральных линий атомов в магнитном поле. Эта загадка оставалась нерешённой, и попытка двадцатилетнего студента предложить нестандартный подход произвела впечатление на научное сообщество. В 1922-1923 годах он стажировался в Гёттингенском университете у Макса Борна, одного из основателей квантовой теории, а затем в Копенгагене у Нильса Бора. Бор стал для Гейзенберга интеллектуальным отцом: их многолетний диалог, полный взаимного восхищения и острых разногласий, во многом определил облик современной физики. Докторская степень была получена в Мюнхене в 1923 году; диссертация была посвящена задаче гидродинамической турбулентности.
Рождение матричной механики
К середине 1920-х годов классическая физика окончательно зашла в тупик при описании атомных явлений. Модель атома Бора давала верные предсказания лишь для водорода и не объясняла интенсивность спектральных линий. Летом 1925 года, страдая от сильного приступа сенной лихорадки, Гейзенберг уехал на продуваемый морскими ветрами скалистый остров Гельголанд в Северном море. Там, вдали от коллег и суеты, в ночь с 7 на 8 июня 1925 года он нашёл математический аппарат, позволявший описывать квантовые переходы без обращения к классическим траекториям. Сам учёный позднее вспоминал, что увидел перед собой «поверхность математической красоты» и не мог не ощутить, что перед ним нечто фундаментальное.
Результатом стала статья «Zur quantentheoretischen Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen» («К квантовотеоретической переинтерпретации кинематических и механических соотношений»), опубликованная в сентябре 1925 года. Ключевой идеей было то, что наблюдаемые физические величины, такие как координата и импульс, не коммутируют между собой: порядок операций с ними имеет значение. Макс Борн распознал в этой идее математическую структуру матриц и вместе с Гейзенбергом и Паскалем Йорданом в течение нескольких месяцев достроил полную теорию. Так родилась матричная механика, первый последовательный математический формализм квантовой теории. Параллельно Эрвин Шрёдингер разработал волновую механику в другом математическом языке, а Поль Дирак доказал, что обе формулировки математически эквивалентны.
Принцип неопределённости
В 1927 году, работая ассистентом Нильса Бора в Копенгагенском институте теоретической физики, Гейзенберг сформулировал соотношение, вошедшее в историю под его именем. Ещё 23 февраля 1927 года он изложил ключевую идею в письме Паули: точные одновременные измерения положения и импульса частицы принципиально невозможны. Чем точнее определено положение, тем менее определён импульс, и наоборот. Произведение погрешностей этих двух измерений не может быть меньше половины постоянной Планка.
Принцип неопределённости перевернул саму логику физического описания. Это не ограничение несовершенных приборов, а фундаментальное свойство природы: микрочастица не обладает одновременно точными значениями дополнительных характеристик. Гейзенберг вместе с Бором разработал «копенгагенскую интерпретацию» квантовой механики, согласно которой волновая функция описывает лишь вероятности исходов измерений, а не объективную реальность как таковую. Эта интерпретация поныне остаётся наиболее распространённой среди физиков, хотя дискуссия о её философских основах не утихает и сегодня. Принцип неопределённости стал центральным понятием в дебатах между Гейзенбергом и Эйнштейном, который до конца жизни не принял вероятностную природу квантовой механики, произнеся знаменитую фразу: «Бог не играет в кости».
В том же 1927 году, в возрасте 25 лет, Гейзенберг был избран ординарным профессором теоретической физики Лейпцигского университета, став самым молодым обладателем такой должности в Германии. Его лейпцигская школа на протяжении следующего десятилетия воспитала несколько поколений выдающихся физиков.
Нобелевская премия и расцвет карьеры
В 1932 году Нобелевский комитет присудил Гейзенбергу премию по физике «за создание квантовой механики, применение которой, в частности, привело к открытию аллотропных форм водорода». Речь шла о работах, объяснивших существование орто- и парагидрогена, двух форм молекулы водорода с разными спинами ядер. Церемонию вручения провели в 1933 году одновременно с Эрвином Шрёдингером и Полем Дираком, получившими премию того же года.
В Лейпциге под руководством Гейзенберга работали Феликс Блох, Рудольф Пайерлс, Карл Фридрих фон Вайцзекер. После 1933 года, когда нацисты начали «чистки» в университетах, Гейзенберг не уехал из Германии. В 1935-1937 годах нацистские «физики-арийцы» во главе с Йоханнесом Штарком и Филиппом Ленардом объявили квантовую физику «еврейской наукой» и назвали Гейзенберга «белым евреем». Кампания прекратилась лишь после личного вмешательства Генриха Гиммлера в 1938 году, к которому обратилась мать учёного, однако Гейзенбергу запретили упоминать имя Эйнштейна в лекциях.
Немецкий ядерный проект
Сразу после начала Второй мировой войны, 26 сентября 1939 года, Гейзенберг был призван на совещание в Управление армейских вооружений Германии. Так он стал участником проекта «Урановый клуб» (Uranverein), немецкой ядерной программы. В 1942 году он был назначен директором Института физики Общества кайзера Вильгельма в Берлине и ординарным профессором Берлинского университета, фактически возглавив всё немецкое ядерное исследование.
В июне 1942 года Гейзенберг докладывал рейхсминистру вооружений Альберту Шпееру: атомная бомба в принципе осуществима, но потребует нескольких лет и колоссальных ресурсов, недоступных воюющей Германии. Программа была переориентирована на создание ядерного реактора для производства энергии. До конца войны немецким физикам так и не удалось запустить работающий реактор.
Одним из самых обсуждаемых эпизодов этого периода стала встреча Гейзенберга с Нильсом Бором в оккупированном Копенгагене в сентябре 1941 года. Содержание их разговора так и осталось неизвестным в точности: версии Гейзенберга и Бора расходились кардинально. По словам Гейзенберга, он хотел убедить Бора в том, что физики по обе стороны фронта должны коллективно саботировать работы по созданию бомбы. Бор, напротив, был убеждён, что собеседник пытался выведать, насколько далеко продвинулись союзники. Встреча разрушила их многолетнюю дружбу. Переписка Бора, рассекреченная после его смерти, подтвердила, что он вышел из этого разговора растерянным и подавленным.
В мае 1945 года американские и британские спецслужбы в рамках операции «Алсос» захватили Гейзенберга и девятерых других немецких ядерных физиков. С июля по декабрь 1945 года они содержались на вилле Фарм-Холл в Великобритании под скрытым наблюдением. Когда 6 августа 1945 года учёным объявили о бомбардировке Хиросимы, Гейзенберг поначалу отказывался верить в произошедшее. Рассекреченные в 1992 году «протоколы Фарм-Холл» стали главным источником в многолетней полемике: одни историки считают, что Гейзенберг намеренно тормозил проект, другие объясняют провал немецкой программы техническими и организационными просчётами.
Послевоенная деятельность
В начале 1946 года Гейзенберг вернулся в Германию и возглавил воссозданный Институт физики Общества Макса Планка в Гёттингене, пришедшего на смену Обществу кайзера Вильгельма. Он стал одним из ключевых организаторов возрождения западногерманской науки в условиях оккупационного режима и послевоенной разрухи. В 1953 году он активно участвовал в создании ЦЕРН, подписав учредительную конвенцию европейской ядерной лаборатории 1 июля 1953 года. С того же года он возглавил Фонд Александра фон Гумбольдта, способствовавший международным научным обменам.
В 1958 году институт переехал в Мюнхен под названием Институт физики и астрофизики Общества Макса Планка, и Гейзенберг руководил им до 1970 года. В эти годы он работал над единой теорией поля, которую сам называл «мировой формулой», хотя программа не получила широкого признания. Его книга «Физика и философия» (1958) стала одной из наиболее читаемых работ о концептуальных основаниях квантовой теории и сделала его имя известным далеко за пределами физики.
Личная жизнь
Лишь в тридцать пять лет Гейзенберг женился на Элизабет Шумахер, дочери берлинского профессора экономики. Свадьба состоялась 29 апреля 1937 года. В браке родилось семеро детей: первыми в январе 1938 года появились разнояйцевые близнецы Мария и Вольфганг, затем Барбара, Кристина, Йохен, Мартин и Верена. Мартин стал нейробиологом, Йохен получил профессуру по физике. Гейзенберг до конца жизни занимался фортепиано и совершал ежегодные альпийские походы. Элизабет после смерти мужа написала воспоминания «Внутренняя и внешняя жизнь» и пережила его на 22 года.
Последние годы и наследие
В начале 1970-х годов у Гейзенберга был диагностирован рак почек. Болезнь прогрессировала, и 1 февраля 1976 года он скончался в Мюнхене в возрасте 74 лет. Местом его погребения стало мюнхенское кладбище Вальдфридхоф. Его жена Элизабет пережила мужа на 22 года.
Принцип неопределённости вошёл в широкую культуру: его упоминают философы, писатели и социологи, нередко в метафорическом смысле. Матричная механика заложила фундамент, на котором выросли полупроводниковая электроника, лазерные технологии и современная химия. Без квантовой теории Гейзенберга не было бы ни транзистора, ни МРТ-томографа. Копенгагенская интерпретация по сей день остаётся стандартным языком квантовой физики в университетских курсах по всему миру. Имя Гейзенберга носят кратеры на Луне и Марсе, а также астероид 1978 Heisenberg.