Гельмут Рейхенберг: "Вернер Гейзенберг: Колумб квантовой механики"

Предисловие переводчика.

5 декабря 2001 года исполнилось 100 лет со дня рождения великого немецкого физика Вернера Карла Гейзенберга (Werner Karl Heisenberg) — ученого, наряду с Альбертом Эйнштейном и Нильсом Бором определившего магистральный путь развития физической науки века XX-ого и, без всякого сомнения, создавшего фундамент физики века XXI-ого.

Вклад Вернера Гейзенберга в создание теории микромира — квантовой механики — и в физическое осмысление ее математического аппарата является решающим. Гейзенберг открыл матричное представление квантовой механики (1925 г.), вывел соотношение неопределенности (1927 г.) и вместе с Нильсом Бором разработал Копенгагенскую интерпретацию математического формализма нерелятивистской квантовой теории (начиная с 1927 г.). Велик вклад немецкого ученого в такие разделы современной микрофизики как физика ядра, квантовая теория поля и физика элементарных частиц. Достаточно сказать, что именно Гейзенберг ввел в научный обиход понятия изотопического спина (1932 г.) и матрицы рассеяния (1942 г.), без которых не мыслима современная релятивистская теория элементарных частиц. Кроме того, В. Гейзенберг добился заметных успехов в процессе теоретического исследования турбулентности, ферромагнетизма и физики космических лучей.

На русский язык переведены все значимые труды Вернера Гейзенберга, в том числе и мемуары знаменитого физика [3*], [4*]. Однако, нет ни одной сколько-нибудь подробной биографии ученого. Ниже в настоящей заметке мы попробуем частично заполнить биографический пробел, и предлагаем читателям литературный перевод статьи известного историка науки Гельмута Рейхенберга (Helmut Rechenberg) из Мюнхенского института физики им. Макса Планка, посвященной столетнему юбилею В. Гейзенберга. Статья опубликована в международном журнале по физике высоких энергий "CERN Courier", Vol.41, N10, pp.18-20, 2001. Г. Рейхенберг был последним аспирантом Вернера Гейзенберга. Он является одним из редакторов собрания научных трудов Гейзенберга и одним из авторов фундаментальнейшей пятитомной монографии по истории квантовой механики "История развития квантовой теории". Эта монография в 2001-ом году вновь переиздана крупнейшим немецким научным издательством "Springer".

Н. Никитин

В этом году 5 декабря исполняется 100 лет со дня рождения Вернера Гейзенберга. Именно ему мы обязаны первым крупным достижением современной атомной теории — открытием квантовой механики. Его знаменитое соотношение неопределенности занимает главное место в физической интерпретации этой теории. Он также развил несколько важных прикладных направлений квантовой механики и одним из первых распространил квантовую теорию в область физики высоких энергий.

Вернер Гейзенберг родился в городе Вюрцбург (Wurzburg) в профессорской семье. Когда ребенок подрос, семья переехала в Мюнхен, где Вернер в 1920 году с отличием окончил классическую гимназию. Далее он учился в Мюнхенском университете у Арнольда Зоммерфельда, получил диплом (PhD) в июле 1923 и перешел работать к Максу Борну в Геттинген. В 1924 году Нильс Бор пригласил Гейзенберга в Копенгаген. Там молодой немецкий ученый стал членом удивительного международного сообщества физиков теоретиков, после окончания Первой мировой войны работавших в области атомной и квантовой физики. Это сообщество включало в себя такие выдающиеся таланты как Поль Дирак, Энрико Ферми, Фридрих Хунд, Паскуаль Йордан, Оскар Клейн, Хендрик Крамерс, Вольфганг Паули и Георг Вентцель.

В первом семестре Зоммерфельд сразу дал Гейзенбергу сложную задачу: объяснить аномальный эффект Зеемана для спектральных линий натрия. Первокурсник нашел красивое решение, в котором, правда, возникли необычные полуцелые квантовые числа (Н.Н. — заметим, что в начале 20-х годов прошлого века физики еще ничего не знали о спине электрона и предполагали, что если квантовые процессы и подчиняются какой либо "магии чисел", то числа должны обязательно быть ЦЕЛЫМИ). Одновременно с решением квантовой задачи он занимался изучением проблемы турбулентности в классической гидродинамике. После публикации первой статьи Гейзенберга в 1922 году Зоммерфельд написал его отцу: "Вы сами принадлежите к безупречной семье филологов, но теперь Вы имеете несчастье видеть внезапное появление в вашей семье физико-математического гения". В своей дипломной работе Гейзенберг предложил первый метод нахождения критического числа Рейнольдса, определяющего переход ламинарного течения в турбулентное. В противоположность своей блестящей экспериментальной работе, Гейзенберг провалил сдачу экспериментальной части выпускного экзамена у Вильгельма Вина (Н.Н. — помните закон смещения Вина для излучения абсолютно черного тела?).

Прорыв

В 1923 году тогдашняя атомная теория находилась в глубоком кризисе. Чтобы найти выход из сложившейся ситуации, Паули в Копенгагене а также Борн и Гейзенберг в Геттингене предложили для предсказания результатов экспериментов в области квантовой физики заменить полуклассические дифференциальное выражения Бора и Зоммерфельда соответствующими конечными разностями. Например, этим методом в 1925 году была получена формула Крамерса-Гейзенберга, которая предсказала эффект Рамана (Н.Н. — чтобы уяснить смысл двух последних достаточно скомканных фраз Г. Рейхенберга, заинтересованным читателям рекомендуется обратиться к книге [5*], стр. 109-111). Гейзенберг и Паули поняли, что основное предположение старой теории о реальности электронных орбит в атоме должно быть полностью отброшено.

В мае 1925 год в Геттингене Гейзенберг попытался описать поведение атомной системы только в терминах экспериментально наблюдаемых величин (так называемые "квантово-теоретические" ряды Фурье). Им было найдено, что обычные физические величины, такие как координата электрона q и его импульс p не коммутируют между собой и удовлетворяют следующему соотношению: pq-qp=h/2ip. В июне 1925 года на острове Гельголанд Гейзенберг предпринял серьезную атаку на квантовую проблему и обнаружил, что в рамках своего формализма он может удовлетворить закону сохранения энергии в атомных процессах. Подход Гейзенберга, который можно назвать "реформацией квантовой теории", заложил основы современной квантовой механики. Вскоре Борн и Йордан переформулировали данный подход в терминах матриц ("матричная механика"), а Поль Дирак разработал "теорию q-чисел". В рамках матричного формализма Гейзенберг и Паули успешно решили различные задачи атомной физики.

В начале 1926 года Эрвин Шредингер создал волновую механику, формально эквивалентную матричной, но работающую с дифференциальными уравнениями и непрерывными волновыми функциями. Шредингер утверждал, что в природе не существует никаких "квантовых скачков". С весны 1926 года Гейзенберг активно спорит со Шредингером, а в начале 1927 года получает основной результат, необходимый для физической интерпретации квантовой механики: точность одновременного измерения импульса и положения атомной частицы ограничивается знаменитым соотношением неопределенности: Dp*Dq~h. Данное соотношение имеет важное следствие: классический закон причинности или, в более общем виде, попытка прямого разделения объекта и субъекта не возможна в квантовой физике.

В конце 1927 года Гейзенберг становится профессором теоретической физики в Лейпциге. Вместе с Питером Дебаем и Фридрихом Хундом он основывает там новый центр атомной физики. Вместе со своими первыми студентами Феликсом Блохом и Рудольфом Пайерлсом Гейзенберг ведет пионерские исследования в области физики твердого тела (ферромагнетизм, металлы и полупроводники).

Физика высоких энергий и физика элементарных частиц

Однако основной интерес Гейзенберга был направлен на релятивистское обобщение квантовой механики. Совместно с Паули он формулирует лагранжев подход к квантовой теории поля (1929). Они безуспешно пытались справиться с возникшими в теории расходимостями, хотя и достигли некоторого прогресса при формулировании процедуры перенормировок (Гейзенберг 1934; Вайскопф 1934). Это позволило предположить, что квантовая механика не применима при высоких энергиях. Тем не менее, после открытия нейтрона в 1932 году, Гейзенберг предложил новую квантовомеханическую теорию атомных ядер, основанную на концепции так называемых обменных сил.

В 1930-е годы теоретическая ядерная физика достигла огромного прогресса. В основном за счет работ ученых из США и Японии (необходимо особо выделить мезонную теорию ядерных сил Хидэки Юкавы), а позже и физиков из Лейпцига (вопреки нацистскому режиму, который притеснял способных студентов и сотрудников Гейзенберга после 1933 года).

С 1932 года Гейзенберг обратил свое внимание на результаты наблюдений в физике космических лучей. Он предложил несколько новых идей. Например, идею "каскадного ливня". В 1938 году Гейзенберг совместно со своим студентом Гансом Эйлером решает проблему так называемой "тяжелой компоненты" космических лучей (нестабильные "мезотроны") (Н.Н. — то есть Гейзенберг доказывает существование мюонной компоненты космических лучей, которую, правда, ошибочно отождествляет с юкавовским квантом сильного взаимодействия; только после Второй мировой войны станет ясно, что мюон не имеет отношения к теории сильных взаимодействий). Все эти попытки подчинены одной честолюбивой цели, которую Гейзенберг и Паули представляли себе следующим образом: создание единой квантовой теории поля, описывающей все элементарные частицы и их взаимодействия без всяких расходимостей и позволяющей предсказать все свойства элементарных частиц (такие, как их массы и константы взаимодействий) на основе вычислений. Эта цель не достигнута и по сей день.

Однако, в процессе работы над единой теорией, Гейзенберг и Паули выдвинули ряд концепций, которые используются в современной физике высоких энергий. Это идея изотопического спина (Гейзенберг, 1932), теорема о связи спина со статистикой (Паули и Фирц с 1937 по 1941) и спонтанное нарушение симметрии, обусловленное вырождением вакуума (Гейзенберг и Паули, 1958). Кроме того, в 1942 году Гейзенберг предложил так называемую "теорию S-матрицы", которая широко обсуждалась после Второй мировой войны как основа для создания квантовой электродинамики и теории сильных взаимодействий. Еще одним заслуживающим внимания результатом является доказательство логарифмического роста сечения рассеяния частиц при высоких энергиях (Гейзенберг, 1954).

Наука, политика и международные отношения

Во время Третьего Рейха (1933-1945) жизнь и работа Гейзенберга стали весьма сложны. Не только потому, что фашисты подвергли гонениям его учителей, сотрудников и студентов еврейской национальности, но также и из-за прямых атак на самого Гейзенберга и его научную работу. Нацисты рассматривали квантовую механику и теорию относительности как проявления "ущербной еврейской физики", защитники которой "должны истребляться наравне с евреями". Вопреки этим атакам, вопреки настойчивым предложениям занять престижные кафедры в университетах США, Гейзенберг остался в Германии. Он полагал, что в это сложное время не имеет морального права покинуть своих студентов и свою страну.

Во время Второй мировой войны Гейзенберг был рекрутирован на работу над секретным германским атомным проектом. Он работал над реактором и не имел никакого отношения к попыткам создания собственно атомной бомбы. В 1942 году Гейзенберг переехал в Берлин и возглавил Институт физики им. кайзера Вильгельма (который ныне носит имя Макса Планка).

После войны Гейзенберг успешно способствовал возрождению науки в Федеральной Республике Германии и возобновлению международных связей с помощью многочисленных друзей в Европе и за ее пределами. Так, он стал соучредителем CERNа, его горячим сторонником и первым председателем комиссии по научной политике CERNа. Он рассматривал международное сотрудничество, особенно в области фундаментальных наук (таких как физика высоких энергий), в качестве "основного инструмента для улучшения понимания между людьми". Как президент фонда Александра фон Гумбольдта, он пригласил сотни молодых исследователей стипендиатов со всего мира на работу в немецкие университеты и научные институты. Финансирование физики высоких энергий составило существенную часть от этих денежных фондов.

Вернер Гейзенберг скончался 1 февраля 1976 года в Мюнхене. Во время празднования 80-ти летия со дня рождения Гейзенберга, Институту физики им. Макса Планка (который в 1958 году переехал из Геттингена в Мюнхен) было присвоено дополнительное название "Институт им. Вернера Гейзенберга".

К столетию Вернера Гейзенберга состоится несколько специальных мероприятий. С 26 по 30 сентября (Н.Н. — естественно, 2001 года) в фонде Александра фон Гумбольдта в Бамберге состоится конференция "100 лет со дня рождения Вернера Гейзенберга". С 4-го по 7-е декабря во время празднования столетия Гейзенберга Институт им.Макса Планка и Университет Людвига-Максимилиана (Н.Н. — Гейзенберг заканчивал мюнхенскую классическую максимилиановскую гимназию; возможно, в настоящее время она превратилась в университет?) в Мюнхене проведут двухдневный симпозиум, на который пригласят девять основных докладчиков из зарубежа. А с 3-го декабря по январь 2002 года в Лейпциге и Мюнхене пройдут выставки, посвященные Вернеру Гейзенбергу.

Литература

1. D.Cassidy, "Uncertainty: the life and science of Werner Heisenberg" (Freeman).
2. J.Mehra and H.Rechenberg, "The Historical Development of Quantum Theory", 5 volumes (Springer).
3*. В. Гейзенберг, "Шаги за горизонт", М. "Прогресс", 1987.
4*. В. Гейзенберг, "Физика и философия. Часть и целое", М. "Наука", 1989.
5*. Ф. Хунд, "История квантовой теории", К. "Наукова думка", 1980.

Звездочкой отмечена литература, добавленная переводчиком.

Фотографии 1. В начале статьи помещена фотография молодого Вернера Гейзенберга, каким он был сразу после создания матричной механики и открытия соотношения неопределенности в конце 1920-х годов.

2. 1960-е годы, CERN. Вернер Гейзенберг (справа) беседует с Джузеппе Фидекаро (слева) и Эдуардо Амальди.

3. 1971 год, CERN. В. Гейзенберг произносит речь во время церемонии пуска ускорителя ISR (Intersecting Storage Rings). На трибуне рядом с Гейзенбергом сидят руководители CERNa.

Обозрение Николая Никитина "Неизбежность странного микромира"