Гейзенберг (Хайзенберг) (Heisenberg) Вернер (1901-1976), немец­кий физик-теоретик, один из создателей квантовой механики. Предложил (1925) матричный вариант квантовой механики; сформулировал (1927) принцип неопределенности; ввел концепцию матрицы рассеяния

Отец Вернера, Август Гейзенберг, женатый на Анне Векдяйн, дочери ди­ректора Королевской Максимилиановской гимназии в Мюнхене, препода­вал классические языки и историю в старой гимназии п Вюрцбурге и одно­временно занимал должность приват-доцента Вюрцбургского университета по отделению средневековой и современной греческой филологии. В 1910 г., он получил в Мюнхенском университете кафедру классической филологии и византинистики (единственную тогда в Германии), и семья переехала в Мюнхен. Вернер рос в доме, где сам воздух, казалось, был пропитан класси­ческими гуманитарными традициями. Его отец был убежденным сторонни­ком разностороннего образования. В 1911 г. Вернер, прошедший к тому вре­мени начальное обучение, поступает в Максимилиановскую гимназию, где больше всего его привлекала математика и языки, в том числе санскрит, и отец во всем поддерживает его. Когда через два года Вернер заинтересовался дифференциальным исчислением и попросил отца принести ему книги по математике из университетской библиотеки, тот принес ему трактат Кронекера на латинском языке. Изучение математики (кстати, книга очень увлек­ла Вернера) и языка шло параллельно. Гимназиста Гейзенберга восхищал и поражал тот факт, что математика, в частности геометрия, находятся в соот­ветствии с природой. Через всю жизнь Гейзенберг пронес убежденность в том, что великая европейская культура, в том числе и наука, связана корнями с античной философией и с христианством.

После Максимилиановской гимназии Вернер становится студентом уни­верситета в Мюнхене, где среди его учителей были такие физики, как Ар­нольд Зоммерфельд и Вильгельм Вин. Перейдя затем в Геттинген, он начина­ет работать под руководством Макса Борна, больше, чем другие учителя, дав­шего выдающемуся ученику. В 1923 г. Гейзенберг после защиты докторской диссертации, посвященной вопросу о переносе энергии, становится ассистен­том Борна. Незадолго до этого он на полгода отправляется в Копенгаген в институт к Нильсу Бору в качестве стипендиата-исследователя, а позже, ког­да освободилась вакансия, — доцента теоретической физики. Работа у Бора имела для Гейзенберга решающее значение.

Поистине, это время можно назвать «эпохой бури и натиска» в квантовой теории, а институт Бора в Копенгагене — эпицентром этой бури. Квантовая теория после блистательных успехов оказалась в полосе затруднений. «Кван­тование по Бору» привело к возникновению определенно внутренне противо­речивого образа атома. Атом рисовался маленьким подобием Солнечной сис­темы, где роль Солнца играло ядро, в котором была сконцентрирована почти вся масса атома, а вокруг ядра, подобно планетам, двигались по орбитам элек­троны. Каждый из электронов представлялся материальной точкой, движущей­ся по законам классической механики, но, хотя и несшей электрический заряд, почему-то, вопреки классической электродинамике, не излучающей электромагнитных волн, несмотря на наличие ускорения. Правда, такое движение «раз­решалось» не по любым орбитам, а только по тем, которые отвечали «услови­ям квантования»; их приходилось постулировать. Излучение же и поглоще­ние волн, как - то также постулировал Бор, происходит лишь при «перескакива­нии» электронов с одной стационарной орбиты на другую.

Положение еще более; осложнилось, когда де Бройль выдвинул идею о корпускулярно-волновой, двуединой природе материи. Опыты по дифракции электронов убедительно подтвердили наличие корпускулярно-волнового дуализма, что еще усложнило картину. «Я вспоминаю, — писал позднее Гейзенберг, — о многочислен­ных дискуссиях с Бором, которые длились до поздней ночи и которые мы заканчи­вали в полном отчаянии. И если после таких дискуссий один отправлялся на корот­кую прогулку в соседний парк, то повторял снова и снова вопрос о том, может ли природа действительно быть такой абсурдной, какой она представляется нам в этих атомных экспериментах». Трудно представить себе более плодотворное сочетание: несравненная, почти мистическая физическая интуиция Бора и непредвзятость, гибкость и глубина мысли его гениального молодого «стажера», обладавшего, кро­ме всего прочего, блистательной математической подготовкой. Они идеально до­полняли друг друга, и этому во многом обязано появление того, что 1изывают совре­менной квантовой теорией. Но чтобы это появление стало возможным, потребова­лось выработать принципиально новые теоретико-познавательные концепции.

Новая концепция в физике

Не будет преувеличением сказать, что со времени своего возникновения физика всегда оперировала наглядными и, по возможности, простыми моде­лями — сначала это были системы из классических материальных точек, а по­том к ним добавилось электромагнитное поле, которое, в сущности, использо­вало также представления из арсенала механики сплошных сред. Дискуссии между Бором и Гейзенбергом привели к осознанию необходимости подверг­нуть ревизии те образы, те понятия, которыми оперирует теория, дабы выде­лить из них, действительно, лишь те, которые выступают на опыте. Что такое, например, орбита электрона, можно ли ее наблюдать? Если учесть двойствен­ную, корпускулярно-волновую природу электрона, то можно ли говорить о его траектории вообще? Можно ли построить такую теорию, в которой рассмат­ривались бы только действительно наблюдаемые на опыте величины?

Эту задачу решил в 1925 г. двадцатичетырехлетний Гейзенберг, предложив так называемую матричную механику (Нобелевская премия 1932). Вскоре после этого Эрвином Шредингером был предложен другой, «волновой» ва­риант квантовой теории, эквивалентный «матричному». У квантовой теории появилась новая математическая база, но физическая и теоретико-познава­тельная стороны дела еще нуждались в анализе.

Результатом такого анализа явились соотношения неопределенностей Гейзенберга и принцип дополнительности Бора. Проанализировав процедуры измере­ния координат и импульсов, Гейзенберг пришел к выводу, что получить для них одновременно и точно определенные значения координат и импульсов прин­ципиально невозможно. Если координатах определяется с разбросом Δх, а про­екции импульса на ось х — с разбросом Δр, то эти разбросы (или «неопределен­ности») связаны соотношением ΔхΔр > ħ/ 2, где ħ — постоянная Планка. Ука­жем еще одно соотношение ΔEΔt≥ ħ , связывающее неопределенность энергии ΔЕ состояния с продолжительностью Δt его существования.

В квантовой теории физическим величинам ставятся в соответствие «опе­раторы», т. с. символы, обозначающие определенные математические дей­ствия («операции»). Если порядок действия пары операторов переставим, то соответствующие им физические величины можно определить одновремен­но, если же операторы непереставимы, то это невозможно, и чем точнее опре­деляется одна из таких «дополнительных» величин, тем больше неопреде­ленность в определении второй.

Соотношения неопределенностей подчеркивают принципиальное отличие описания состояния систем в классической и в квантовой теории и необхо­димость статистического, т.е. вероятностного описания в последней. Появ­ление идеи дополнительности ознаменовало качественно новый шаг в тео­рии познания.

Осенью 1927 г. Гейзенберг получил приглашение стать профессором те­оретической физики в Лейпцигском университете. Он проработал там до 1941 г. Его работы по квантовой теории приобрели мировую известность, его многократно приглашали для чтения лекций во многие страны. Мно­гочисленные поездки не снизили, однако, его научной активности. В 1929 г. Гейзенберг совместно с Дираком выдвинул идею специфически-кванто­вого обменного взаимодействия, опубликовал важные работы по кванто­вой теории ферромагнетизма, основанной на обменном взаимодействии электронов (одновременно и независимо близкие идеи развивал и Я. И. Френкель в СССР). В следующем году Гейзенберг обратился к рассмот­рению общей схемы квантования полей, в том числе и электромагнитного поля. После появления релятивистской теории электронов Дирака Гей­зенберг занимался развитием теории дырок, в частности, рассматривал эффект поляризации электронно-позитронного вакуума и его возможные экспериментальные проявления.

К 1932 г. относятся важные работы Гейзенберга в новой для него облас­ти — физике атомного ядра. Вопрос о том, из чего состоят ядра атомов, к тому времени приобрел особую остроту: первоначальная идея об элект­ронно-протонном их составе была окончательно отвергнута именно бла­годаря соотношению неопределенностей Гейзенберга: размеры ядра (а зна­чит, и разброс координат электрона, если он в нем находится) так малы, что квантовый разброс импульсов (и энергий, соответственно) должен быть настолько велик, что удержаться внутри ядра было бы для электрона невозможно. Поэтому, когда Джеймс Чедвик в 1930 г. открыл частицу, мас­са которой лишь немногим меньше массы протона, а электрический заряд отсутствует, почти одновременно, по крайней мере, в двух местах -— Гейзенберг в Германии и Д. Д. Иваненко в СССР выдвинули в 1932 г. протонно-нейтронную модель ядра. Гейзенберг ввел также понятие изотопичес­кого спина и идею о насыщении ядерных сил.

Позже Гейзенберг (с 1941 по 1945 гг.) был назначен директором института физики кайзера Вильгельма и профессором Берлинского университета.

В эти годы Гейзенберг возвращается к ядерной физике. Над немецким ядер­ным проектом он работал вместе с Отто Ганном.

После разгрома гитлеровской Германии он в 1946-1958 гг. являлся дирек­тором физического института и профессором университета в Геттингене, а после 1958 г. — директором института физики и астрофизики и профессором университета в Мюнхене. На эти годы приходятся его активные поиски уни­версального единого описания всех видов материи. Это была грандиозная программа, хотя и нельзя признать, что Гейзенбергу удалось ее реализовать. С юных лет проникнутый идеями античной философии, особенно идеями Платона, Гейзенберг пытался найти такое всеохватывающее уравнение, ко­торое бы относилось к «праматерии», частными проявлениями которой и являются, по мысли Гейзенберга, все наблюдаемые частицы.