Казка про фізику Вернер Гейзенберг, який нічого не знав напевно

Природний прискорювач елементарних частинок і плазми: викинуте з Сонця 31 серпня 2012 року речовина рухається зі швидкістю 1,5 тис. Км / с.

Вернер Карл Гейзенберг. 1933 рік. Фото: German Federal Archives / Wikimedia Commons / CC-BY-SA-3.0.

Мюнхенський університет, альма-матер Вернера Гейзенберга. Фото: Diago Delso / Wikimedia Commons / CC-BY-SA-3.0.

Професор Арнольд Зоммерфельд. 1935 рік. Фото: GFHund / Wikimedia Commons / CC-BY-SA-3.0.

Молодий професор Вернер Гейзенберг. 1927 рік. Фото: Wikimedia Commons / PD.

Містечко Зюдельфельд в Південній Баварії, де професор А. Зоммерфельд здійснював лижні прогулянки зі своїми учнями. Фото: LepoRello / Wikimedia Commons / CC-BY-SA-3.0.

Нільс Бор і Вернер Гейзенберг. Фото: Fermilab, US Departament of Energy / Wikimedia Commons / PD.

Макс Борн. Фото: Wikimedia Commons / PD.

Марка ФРН із зображенням Вернера Гейзенберга і його знаменитого співвідношення невизначеностей. Фото: Wikimedia Commons / PD.

<

>

- Вечірні гори сіпається прохолодним туманом, по зеленим пологим пасовищах бродили корови, побрязкуючи шийними дзвіночками і похрустивая свіжою травою. На лузі височіли копиці сіна, заготовлені на зиму. В одному з стогів лежав світловолосий підліток і читав книгу німецького філософа Іммануїла Канта. Десь вдалині стріляли гармати і рвалися снаряди, а хлопчик читав про зірки, про процеси пізнання, розмірковував над проблемами буття, моральності та етики. Він не знав, що чекає попереду його самого, його країну і весь світ. Не знав, що Перша світова війна скоро скінчиться і що вона буде далеко не останньою; що в найближчі десятиліття світ зміниться до невпізнання, в тому числі і завдяки тому, що хлопчик на ім'я Вернер Гейзенберг лежить на лузі і читає Канта для власного задоволення. Це був особливий хлопчик, не схожий на інших.

- З цього і треба було почати, - зауважила Галатея.

- Що ж, з цього і почнемо, - відповіла принцеса Дзінтарі, і її діти, Галатея і Андрій, приготувалися слухати чергову вечірню казку.

- Отже, на початку ХХ століття жив-був в Німеччині хлопчик ... Його батько, Август Гейзенберг, займався самим тихим заняттям, яке тільки можна уявити: вивчав стародавні візантійські рукописи, написані давньогрецькою мовою. Він їздив до Італії та Греції для їх дослідження і викладав історію студентам в Мюнхенському університеті. У нього було два сини: Ервін, який став хіміком, і Вернер. І треба ж було такому статися, щоб в сім'ї людини, найбільше цінив класичні уявлення про світ, виріс бунтар, який відкинув існуючі погляди на час і простір і запропонував нові підходи до їх розуміння.

- Як же це вийшло? - запитав Андрій.

- Ще будучи школярем, Вернер під час довгої хвороби прочитав книгу Германа Вейля «Простір. Час. Матерія », і його вразила міць описаних в ній математичних методів. З цього моменту Гейзенберг захопився математикою. Видатні знання молодої людини відзначили на випускному іспиті в гімназії.

Юність Вернера припала на бурхливий революційний період в історії Німеччини. Навесні 1918 року його разом з іншими 16-річними школярами відправили працювати на ферму - допомагати воюючою Німеччини. Гейзенберг був не схожий на своїх однолітків. Вечорами він поспішав усамітнитися і з захопленням читав філософські праці Платона і Канта.

Після Першої світової війни в Німеччині настав період політичної нестабільності, громадського бродіння і протестних виступів. Вернер відвідував збори молодіжного руху, де слухав гарячі виступи проти громадських традицій і забобонів. Але навіть тоді головний інтерес для нього представляли не політика і філософія, найбільше його захоплювали фізика і математика.

У 1920 році Гейзенберг вступив до Мюнхенського університету, став учнем професора Арнольда Зоммерфельда і занурився в світ теоретичної фізики. Через три роки він підготував дисертацію з теоретичної гідродинаміки, але не врахував, що для отримання наукового ступеня необхідно скласти усний іспит і з експериментальної фізики. Вернер не зміг відповісти на питання прискіпливого професора Вільгельма Вина і мало не провалився. Тільки заступництво Арнольда Зоммерфельда врятувало дисертанта від повного провалу.

Отримавши ступінь, Гейзенберг зайнявся новою квантовою фізикою. Разом з Вольфгангом Паулі він став асистентом Макса Борна - директора фізичного інституту Геттінгенського університету. Борн писав про Гейзенберга: «Він був схожий на простого селянського хлопця, з коротким світлим волоссям, ясними живими очима і чарівним виразом обличчя. Він виконував свої обов'язки асистента більш серйозно, ніж Паулі, і надавав мені велику допомогу. Його незбагненна швидкість і гострота розуміння завжди дозволяли йому проробляти колосальну кількість роботи без особливих зусиль ».

Гейзенберг попрацював і у Нільса Бора (див. «Наука і життя» № 1, 2016 р стаття «Казка про суперсищіке Нільса Бору, розшукати зв'язок між атомом Резерфорда, лініями Фраунгофера і кривої Планка» ). Вони познайомилися в 1922 році під час так званого Боровського фестивалю. Гейзенберг розмовляв зі знаменитим данцем, і ця розмова багато в чому вплинув на його погляди і підходи до вирішення наукових проблем. «У Зоммерфельда я навчився оптимізму, у гёттінгенцев - математики, а у Бора - фізики», - писав він.

У 1925 році, у віці 23 років, Вернер створив нову квантову механіку на основі математичних матриць. Вона була незалежна від класичної фізики і стала віхою в квантової наукової революції.

- А що таке матриці?

- матрицями називають прямокутні таблиці чисел. Гейзенберг припустив, що будь-якої фізичної величини, яку можна спостерігати в експерименті, відповідає своя матриця. Він зумів описати квантові стрибки в атомі Бора і будь-які зміни в стані квантомеханические систем за допомогою математичних операцій над матрицями. Через півтора року Гейзенберг вивів квантове співвідношення невизначеностей, що стало знаковим для сучасної науки. Співвідношення наголошувала, що наш світ принципово не точний: ми не можемо знати одночасно з хорошою точністю імпульс і положення будь-якого об'єкта, наприклад електрона. Якщо ми точно виміряємо імпульс електрона, то втратимо інформацію про його стан, а якщо точно виміряємо його координати, то втратимо можливість визначити імпульс або швидкість.

- Значить, вчені нічого не можуть знати напевно? - Здивувалася Галатея. - Як би вони не старалися, в їх вимірах завжди будуть помилки?

- На жаль, це так. Невизначеність в координатах електрона, помножена на помилку в його імпульсі, дорівнює постійної Планка (див. «Наука і життя» № 7, 2015 року, стаття «Казка про Макса Планка, який в світлі електролампи знайшов свою постійну» ), - і це співвідношення невизначеностей Гейзенберга прекрасно доповнило концепцію де Бройля (див. «Наука і життя» № 2, 2016 р стаття «Казка про герцога де Бройля, який відкрив найдивніші хвилі в світі» ) Про частки як про хвилях. Якщо ми спробуємо захопити частку в хитру пастку, тобто точно зафіксуємо її місце розташування, помилка у визначенні імпульсу частинки стане нескінченно великою.

- Інформація йде крізь пальці як хвиля, - усміхнулася Галатея.

- Дуже схоже, - втрутився Андрій, - що Галатея теж підкоряється цьому співвідношенню невизначеностей: її ніколи не буває в потрібному місці в потрібний час!

Дзінтарі посміхнулася, дивлячись на обурену дочка, і продовжила:

- Співвідношення невизначеностей Гейзенберга трактують і так: для вимірювання параметрів квантової системи потрібно інструментальне втручання, і це втручання настільки сильно спотворює її характеристики, що система «забуває» своє початкове стан, і ми втрачаємо можливість дізнатися, яким воно було.

Галатея, вдаючи, що не помічає брата, звернулася до матері:

- Мама, судячи по історіях, які ти нам розповіла, теоретики роблять відкриття в дуже молодому віці. Але ж з роками досвід і знання ростуть і відкриттів має бути більше.

- Давно помічено, що найбільш плідний вік для теоретичних відкриттів - перші кілька років після закінчення університету, адже важливі не тільки досвід і знання, а й свіжий погляд і сміливість молодості. У літньому віці вчений насилу погоджується з нехтуванням істин, з якими він довго жив.

Успіхи Вернера Гейзенберга не залишилися непоміченими. Університети навперебій запрошували його зайняти професорську посаду. У віці 25 років Вернер став професором теоретичної фізики в Лейпцігському університеті.

- Тепер його ніхто не міг дорікнути в незнанні фізики! - задоволено відзначила Галатея.

- Всі, хто з ним працював, згадували, що Гейзенберг був демократичним і веселою людиною. Після наукових занять він, наприклад, з азартом грав в настільний теніс. Біографи - його учні Невілл Мотт, лауреат Нобелівської премії з фізики за 1977 рік, і Рудольф Пайерлс - в книзі, присвяченій великому вченому, писали про той період життя Гейзенберга, коли він створив квантову механіку і став молодим професором: «Ніхто не осудив би його , якби він почав сприймати себе серйозно і став злегка бундючним після того як зробив принаймні два вирішальних крок, змінили обличчя фізики, і після отримання в такому юному віці статусу професора, що змушувало і багатьох старіших і менш значних люд їй відчувати себе важливими, але він залишився таким, яким і був, - неофіційним і веселим у зверненні, майже хлоп'ячим і володіє скромністю, що межує з сором'язливістю ».

Нобелівську премію з фізики «За створення квантової механіки» Гейзенберг отримав в неповних 32 роки. Він, безумовно, був радий, але, будучи скромним і справедливим, висловив здивування, що його колеги по створенню квантової механіки Ервін Шредінгер і Поль Дірак отримали одну Нобелівську премію на двох, а Макс Борн взагалі нею обійдений.

- Гейзенберг так багато працював, але чи була у нього дівчина чи сім'я? - запитала Галатея. - Або він займався однією наукою?

- У 35 років Вернер одружився на Елізабет Шумахер, дочки берлінського професора-економіста. Вони жили довго і щасливо і у них було семеро дітей. Дочки Гейзенберга Анна-Марія і Верена стали фізіологами, син Мартін - генетиком, а Йохен пішов по стопах батька, він був фізиком-ядерником.

Гейзенберг помер в 1976 році. Юджин Вігнер, лауреат Нобелівської премії з фізики за 1963 рік, написав тоді: «Немає такого живе фізика-теоретика, який зробив більший внесок в нашу науку, ніж він. У той же час він був доброзичливий з усіма, позбавлений зарозумілості і становив приємну компанію ». А його перший учень Фелікс Блох, став лауреатом Нобелівської премії з фізики в 1952 році, згадував: «Якщо я повинен вибрати єдине з його великих якостей як вчителя, то це було б його надзвичайно позитивне ставлення до будь-якого прогресу ... Однією з найбільш дивовижних особливостей Гейзенберга була майже безпомилкова інтуїція, яку він виявляв у своєму підході до фізичної проблеми, і феноменальний спосіб, за допомогою якого рішення як ніби падали з неба ».

***

Вернер Карл Гейзенберг (1901-1976) - німецький фізик-теоретик, один із засновників квантової механіки. Лауреат Нобелівської премії з фізики 1932 року.

Герман Вейль (1885-1955) - німецький математик і фізик-теоретик. Автор знаменитої книги «Простір. Час. Матерія »- одного з перших викладів загальної теорії відносності Ейнштейна.

Арнольд Йоганнес Вільгельм Зоммерфельд (1868-1951) - німецький фізик-теоретик і математик. Учитель і науковий керівник Вернера Гейзенберга.

Макс Борн (1882-1970) - німецький і британський фізик-теоретик, один із творців квантової механіки. Лауреат Нобелівської премії з фізики 1954 року.

Фелікс Блох (1905-1983) - швейцарський фізик, учень Вернера Гейзенберга. Лауреат Нобелівської премії з фізики 1952 року.

Невілл Франсіс Мотт (1905-1996) - англійський фізик. Лауреат Нобелівської премії з фізики 1977, яку він отримав разом з Філіпом Андерсоном і Джоном ван Флек.