Heisenberg Werner Karl

Heisenberg

[hạⁱznb^rk]

Werner Karl , ur. 5 XII 1901, Würzburg, zm. 1 II 1976, Monachium,

niemiecki fizyk teoretyk.

Urodził się 5 XII 1901 w Würzburgu. Współtwórca mechaniki kwantowej, elektrodynamiki kwantowej, teorii ferromagnetyzmu, teorii pola, teorii sił jądrowych, cząstek elementarnych.

Ojciec Wernera, August Heisenberg, był profesorem filologii starożytnej na uniwersytecie w Monachium. Werner już w szkole wykazywał zainteresowanie matematyką, a pod wpływem lektur — teorią atomu. Studiował fizykę m.in. pod kierunkiem Arnolda Sommerfelda w Monachium, Maxa Borna w Getyndze. W 1923 otrzymał stopień doktora (z dziedziny hydrodynamiki) na uniwersytecie w Monachium. W latach 1924–25 pracował u Nielsa Bohra w Kopenhadze. W 1927, mając zaledwie 26 lat, został profesorem fizyki teoretycznej na uniwersytecie w Lipsku. W 1939 przebywał w Stanach Zjednoczonych, wygłaszając tam wykłady. Po powrocie do Niemiec, od 1941, jako profesor uniwersytetu w Berlinie i równocześnie dyrektor Kaiser-Wilhelm-Institut für Physik tamże, kierował pracami nad skonstruowaniem bomby jądrowej, które jednak nie doprowadziły do zamierzonego skutku (prawdopodobnie celowo spowalniane przez fizyków niemieckich, a być może także z braku środków technicznych). Pod koniec II wojny światowej był internowany przez 6 miesięcy przez Amerykanów w Wielkiej Brytanii. W 1946 powrócił do swego kraju i objął kierownictwo Kaiser Wilhelm-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften (od 1948 Max-Planck-Institut für Physik und Astrophysik) w Getyndze. W 1970 zrezygnował ze stanowiska w Max-Planck-Institut für Physik und Astrophysik. Za stworzenie podstaw mechaniki kwantowej 1932 otrzymał Nagrodę Nobla. Opublikował m.in.: Die physikalischen Prinzipen der Quantentheorie (1930), Physik der Atomkerne (1943), Fizyka i filozofia (1959, wydanie polskie 1965), Schritte über Grenzen (1971, wydanie polskie pod tytułem Poza granicami 1979), Część i całość (1969, wydanie polskie 1987).

Heisenberg zmarł 1 II 1976 w Monachium.

Główne prace

Prace Heisenberga mają podstawowe znaczenie dla całej współczesnej fizyki teoretycznej. Nie mogąc wyjaśnić położenia linii spektralnych atomu wodoru za pomocą modelu budowy atomu wodoru zaproponowanego przez Bohra, Heisenberg uznał, że do opisu ruchu elektronu w atomie nie można stosować mechaniki klasycznej. W 1925 sformułował tzw. macierzową reprezentację mechaniki kwantowej (równoważną postać mechaniki kwantowej podał także Paul Adrien Maurice Dirac, który posłużył się innym formalizmem matematycznym). W 1927 podał fundamentalną zasadę mechaniki kwantowej, zwaną Heisenberga zasadą nieoznaczoności, czym walnie przyczynił się do sukcesów mechaniki kwantowej.

W 1932, po odkryciu neutronu przez Jamesa Chadwicka, wysunął (niezależnie od Dmitrija Iwanienki) koncepcję jądra atomowego składającego się z protonów i neutronów — model protonowo-neutronowy (dotąd sądzono, że jądro składa się z protonów i elektronów); podał hipotezę, że siłami wiążącymi protony i neutrony w jądrze są siły wymiany (teorię tę rozwinął następnie Ettore Majorana i zmodyfikował 1935 Hideki Yukawa). Na podstawie hipotezy sił wymiany 1928 wyjaśnił istotę ferromagnetyzmu (podał kwantową teorię ferromagnetyzmu). W 1932 Heisenberg wprowadził pojęcie spinu izotopowego (izospinu) dla cząstek różniących się jedynie ładunkiem elektrycznym lub — w przypadku elektronu — dla rozróżnienia w polu magnetycznym jego odmian (orto i para).

Heisenberg próbował też (1958) sformułować jednolitą teorię pola, tzw. nieliniową teorię pola. Uczony interesował się też problematyką związaną z filozoficzną interpretacją podstaw fizyki współczesnej i wypowiadał się często na ten temat.

Zasada nieoznaczoności (nieokreśloności)

Zasada ta głosi, że istnieje ograniczenie na dokładność jednoczesnego pomiaru pewnych wielkości fizycznych (np. położenia x i pędu p, lub czasu t i energii E); w wypadku nieoznaczoności położenia i pędu cząstki: ΔxΔp ≥ ℏ/2, Δx reprezentuje niedokładność pomiaru współrzędnej położenia cząstki, Δp — niedokładność pomiaru odpowiedniej składowej pędu cząstki, a ℏ = h/2π, h jest stałą Plancka. W wypadku nieoznaczoności czasu i energii: ΔEΔt ≥ ℏ/2 interpretacja nierówności może być dwojaka: określa ona niedokładność pomiaru energii ΔE, jeśli pomiar trwa Δt, lub wiąże nieoznaczoność energii wypromieniowanej przez układ z nieoznaczonością czasu, w którym proces ten zachodził.

Zasada nieoznaczoności mówi, że przy badaniu układów kwantowych jest dostępna jedynie część informacji koniecznych do pełnego opisu sytuacji — poznanie świata nie może być z fundamentalnych przyczyn pełne. Jej konsekwencją jest fakt, że dowolne badanie jakiegokolwiek układu zaburza analizowany układ; zaburzenie to nie może być mniejsze od pewnej fundamentalnej wielkości (określonej przez stałą Plancka), np. aby znaleźć położenie cząstki, należy ją w jakiś sposób zaobserwować (oświetlić). Niech cząstką tą będzie elektron, do oświetlania zaś jest używany foton o długości fali λ. Oznacza to, że położenie elektronu można określić z dokładnością do λ. Foton musiał jednak w jakiś sposób oddziaływać z badanym elektronem, przekazując mu w trakcie tego procesu pewną, niekontrolowaną część swojego pędu. Ponieważ pęd fotonu jest odwrotnie proporcjonalny do jego długości fali, przekazany elektronowi pęd będzie tym mniejszy, im większa jest długość fali. Z drugiej strony, im większa długość fali, z tym mniejszą dokładnością można określić, gdzie znajduje się elektron. Tak więc, im dokładniejsza lokalizacja elektronu, tym jego pęd po wykonaniu pomiaru staje się bardziej nieokreślony, i na odwrót.

Od momentu powstania sens i znaczenie zasady nieoznaczoności są tematem debaty, która do dziś nie doczekała się ostatecznej konkluzji. Niektórzy fizycy — w tym Albert Einstein — sądzili, że świadczy ona o niepełności zrozumienia mechaniki kwantowej, inni, m.in. Bohr, uważali ją za jedno z najważniejszych osiągnięć mechaniki kwantowej. W 1927 Heisenberg podał tę zasadę w odniesieniu do elektronu.