В этом году отмечается 100-летие со дня рождения Вернера Гейзенберга, пионера квантовой механики и теоретической физики высоких энергий. Хельмут Рехенберг, бывший аспирант Гейзенберга, один из редакторов собрания его трудов и соавтор многотомного опуса "Историческое развитие квантовой теории", прослеживает жизненный путь ключевой фигуры квантовой теории.

Судьба через неопределенность: пионер квантовой механики Вернер Гейзенберг в 20-х годах.

5 декабря этого года отмечается 100-летие со дня рождения Вернера Гейзенберга. Именно ему мы обязаны первым прорывом современной атомной теории - изобретением квантовой механики. Его прославленные соотношения неопределенности явились сердцевиной ее интерпретации. Он также заложил основы нескольких фундаментальных приложений квантовой механики и являлся пионером распространения теории на физику высоких энергий.
   Вернер Гейзенберг, родившийся в Вирцбурге, вышел из академической семьи, а после 1910 года рос в Мюнхене, где с отличием окончил в 1920 году высшую школу. Он учился под руководством Арнольда Зоммерфельда в Мюнхенском университете, получил ученую степень (PhD) в июле 1923 года и затем продолжил свою работу в Геттингене под руководством Макса Борна. В 1924 году Нильс Бор пригласил его в Копенгаген. Так он стал членом возникшего после Первой мировой войны великого интернационального сообщества квантовых и атомных теоретиков, включавшего такие яркие дарования как Поль Дирак, Энрико Ферми, Фридрих Хунд, Паскуаль Иордан, Оскар Клейн, Хендрик Крамерс, Вольфганг Паули и Грегор Вентцель.
   В первом же семестре Зоммерфельд дал Гейзенбергу трудную задачу: объяснить аномальный эффект Зеемана для спектральных линий натрия. Новичок нашел совершенное решение, использовав, однако, необычные полуцелые квантовые числа и странное поведение атомного ядра. Одновременно он изучал классическую проблему турбулентности в гидродинамике. При публикации первой статьи Гейзенберга в этой области в 1922 году Зоммерфельд заметил отцу Гейзенберга: "Вы принадлежите к несравненной семье филологов, а теперь Вы имеете несчастье видеть внезапное появление в своей семье физико-математического гения." В своей диссертации Гейзенберг предложил первый метод вывода критического числа Рейнольдса, характеризующего переход от ламинарного к турбулентному движению. Несмотря на эту прекрасную работу он почти провалил экспериментальную часть докторского экзамена Вилли Вину.

Прорыв
В 1923 году атомная физика была в глубоком кризисе. Как выход из положения Паули, который работал в Копенгагене, и Борн и Гейзенберг, работавшие в Геттингене, предложили заменить полуклассические дифференциальные выражения Бора и Зоммерфельда соответствующими дискретными разностными членами, чтобы предсказывать экспериментальные квантовые результаты (например, формула Крамерса-Гейзенберга 1925 года, предсказавшая эффект Рамана). Гейзенберг и Паули утверждали, что фундаментальные понятия старой теории, а именно, электронные орбиты, должны быть полностью отвергнуты.
  
Вернер Гейзенберг (справа) в ЦЕРНе с Джузеппе Фидекаро (слева) и Эдуардо Амальди, 1960

В мае 1925 года в Геттингене Гейзенберг начал описывать атомные системы только наблюдаемыми ("квантово-теоретическими" рядами Фурье). При этом обычные физические величины, такие как координата q и импульс p электрона, не коммутируют, а удовлетворяют вместо этого соотношению pq - qp = h/2pi. В июне 1925 года, когда Гейзенберг выздоравливал от сильного приступа сенной лихорадки на острове Гельголанд, он заметил, что может удовлетворить необходимому требованию сохранения энергии в атомных процессах. Его "квантово-теоретическая переформулировка" была прорывом в современную квантовую механику. Вскоре Борн и Иордан переформулировали ее как "матричную механику", а Поль Дирак - как "теорию q-чисел", и с успехом применили ее, как и Гейзенберг и Паули, к различным атомным проблемам. В 1926 году Эрвин Шредингер создал волновую механику, формально эквивалентную матричной механике, но имеющую дело с дифференциальными уравнениями и непрерывными волновыми функциями. Шредингер утверждал, что природа совсем не делает "квантовых скачков". Гейзенберг, который начиная с весны 1926 года стал лектором и главным ассистентом Бора в Копенгагене, не соглашался с этим и в начале 1927 года получил центральный для физической интерпретации результат: одновременные измерения импульса и координаты атомной частицы ограничены прославленным теперь соотношением неопределенности: Dp. Dq ~ h. Это соотношение ведет к радикальным следствиям - классический закон причинности, или выражаясь с большей общностью, возможность строгого разделения объекта и субъекта, в квантовой науке перестает выполняться. Осенью 1927 года Гейзенберг стал профессором теоретической физики в Лейпциге. Вместе с Петером Дебаем и Фридрихом Хундом он основал там новый центр атомной физики. Его первые студенты, Феликс Блох и Рудольф Пайерлс, стали вместе с ним пионерами квантовой теории твердого тела (ферромагнетизм, металлы и полупроводники).

Физика высоких энергий и элементарных частиц

Гейзенберг выступает на запуске Пересекающихся Накопительных Колец (ISR) в ЦЕРНе в 1971 году. На подиуме также находятся (слева направо) Эдуардо Амальди, бывший главный директор ЦЕРНа Виктор Вайскопф, государственный секретарь Франции Марсель Антониоц (Marcel Anthonioz) и главный директор ЦЕРНа Виллибальд Енцке (Willibald Jentschke)

Однако, главный интерес для Гейзенберга представляла физика высоких энергий и элементарных частиц, релятивистское обобщение квантовой механики: вместе с Паули он сформулировал лагранжеву квантовую теорию поля (1929). Они пытались разобраться с появившимися трудностями из-за расходимостей, достигнув некоторого прогресса в процедурах "перенормировки" (Гейзенберг, 1934, Вайскопф, 1934). Первоначально они предполагали, что квантовая механика при высоких энергиях неприложима. Однако после открытия в 1932 году нейтрона Гейзенберг предложил квантово-механическую теорию атомного ядра, основанную на новых обменных силах. За 30-е годы теория ядра добилась огромных успехов, в основном, благодаря исследованиям в США и Японии (а именно, Хидеки Юкаве и его мезонной теории), а затем и в Лейпциге (несмотря на нацистское правительство, лишившее Гейзенберга отличных студентов и сотрудников после 1933 года).
   С 1932 года Гейзенберг обратил свое внимание также на проявления физики высоких энергий в космических лучах. Он предложил несколько новых идей, таких как "взрывные ливни" ("explosive showers"), и в 1938 году вместе со своим студентом Гансом Эйлером он решил проблему так называемой "жесткой компоненты" (нестабильных "мезотронов"). Эти усилия имели своей целью исключительно амбициозную задачу, которую поставили они вместе с Паули: построить объединенную квантовую теорию поля, описывающую все элементарные частицы и их взаимодействия, без расходимостей, позволяющую вычислять все свойства этих частиц (такие как массы и константы взаимодействий). Спустя более чем 30 лет они так и не достигли этой цели.
   Однако в процессе этой работы Гейзенберг и Паули создали много новых понятий современной физики высоких энергий, таких как изотопический спин (Гейзенберг, 1932), теория связи спина со статистикой (Паули и Фирц, с 1937 по 1941) и нарушение симметрии, порожденное вырожденным вакуумом (Гейзенберг и Паули, 1958). Кроме того, в 1942 году Гейзенберг предложил так называемую "теорию S-матрицы", которая широко обсуждалась после Второй мировой войны как феноменологический подход к квантовой электродинамике и теории сильных взаимодействий. Другим стоящим упоминания результатом был логарифмический рост полных сечений взаимодействий частиц при высоких энергиях (Гейзенберг, 1954).

Наука, политика и международные связи
Во времена Третьего Рейха (1933-1945) жизнь и работа для Гейзенберга стали трудными, не только из-за расизма, направленного против его еврейских учителей, коллег и студентов, но также вследствие неприкрытых атак на него самого и на его научную работу. Нацисты считали квантовую и релятивистскую теории "вырожденческой еврейской физикой", защитники которой "должны исчезнуть как и евреи". Несмотря на эти атаки и несмотря на щедрые приглашения занять престижные кафедры в США, Гейзенберг оставался в Германии, веря, что он не имеет морального права бросить своих студентов и свою страну в такое трудное время.
   Во время Второй мировой войны он был вовлечен в секретный германский проект в области атомной энергии, работал над атомным реактором, но не над бомбой. В 1942 году он переехал в Берлин, чтобы стать директором Физического института кайзера Вильгельма (который потом стал Институтом Макса Планка).
   После войны он с успехом помогал возрождать науку в ФРГ и восстанавливать международные научные связи, в чем его поддерживали многочисленные друзья в Европе и за ее пределами. Так он стал со-основателем и горячим сторонником ЦЕРНа (и первым председателем его комитета по научной политике). Он считал международное сотрудничество, особенно в наиболее фундаментальных областях науки (таких как физика высоких энергий), "основным средством достижения взаимопонимания между народами". Как президент фонда Александра Гумбольта он приглашал сотни молодых ученых со всего мира работать в германских университетах и научных институтах, и физика высоких энергий составляла существенную часть этих стипендий.
   Вернер Гейзенберг умер 1 февраля 1976 года в Мюнхене. В честь его 80-летия Институт физики имени Макса Планка (переведенный им в 1958 году из Геттингена в Мюнхен) получил еще одно имя - "Институт Вернера Гейзенберга".
   Столетие отмечается несколькими событиями. 26-30 сентября фондом Александра Гумбольта в Бамберге (Bamberg) была проведена конференция названная "100 лет Вернера Гейзенберга"; 4-7 декабря отмечалось столетие Гейзенберга в Институте Макса Планка и Университете Людвига Максимилиана (Ludwig-Maximilians University) в Мюнхене, включавшее двухдневный симпозиум с участием девяти выдающихся докладчиков из-за рубежа; с 3 декабря по январь 2002 года проводится посвященная Гейзенбергу выставка в Лейпцигском университете и в Макс-Планк-Хаус (Max-Planck-Haus), в Мюнхене. Дополнительную информацию по этой теме можно найти в Интернете: http://www.heisenberg-centennial.de.

Читайте также:
David Cassidy, 1992 Uncertainty: the life and science of Werner Heisenberg (Freeman).
Jagdish Mehra and Helmut Rechenberg The Historical Development of Quantum Theory 5 volumes (Springer).

Автор:
Хельмут Рехенберг, Институт физики имени Макса Планка, Мюнхен.

Previous article | Next article