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
Гельмут Рейхенберг
"ВЕРНЕР ГЕЙЗЕНБЕРГ: КОЛУМБ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ"
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"
