Hver var Werner Heisenberg og hvert var hans framlag til vísindanna?

Þýski eðlisfræðingurinn Werner Heisenberg (f. 5.12. 1901 í Würzburg, d. 1.2. 1976 í München) var einn af brautryðjendum skammtafræðinnar og meðal fremstu vísindamanna á sinni tíð. Hann hlaut Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði árið 1932. Svonefnt óvissulögmál sem hann setti fram árið 1927 og við hann er kennt lýsir takmörkunum á sammælanleika tveggja mælistærða eins og staðsetningar og hraða vegna skammtahrifa. Lögmálið er einn af hornsteinum skammtafræðinnar, en sú grein eðlisfræðinnar skýrir hegðun smásærra agna eins og atóma og sameinda og er meðal annars undirstaða allrar nútíma rafeindatækni.

Heisenberg stundaði nám í eðlisfræði við háskólann í München og lauk þar doktorsprófi árið 1923. Aðalkennari hans var Arnold Sommerfeld sem hafði lagt mikið af mörkum við að þróa og alhæfa atómlíkan danska eðlisfræðingsins Níelsar Bohrs frá 1913. Sommerfeld var höfundur áhrifamikils rits um litróf atóma sem kom út í fjórum útgáfum á árunum 1919-1924.

Werner Heisenber (1901-1976). Myndin er tekin árið 1926.

Í líkani Bohrs og alhæfingum þess var skammtahugmynd Max Plancks frá aldamótaárinu 1900 um samband tíðni og orku rafsegulgeislunar beitt á hreyfingar efnisagna. Bohr setti fram þá tilgátu að í atómum hreyfðust rafeindir umhverfis atómkjarna líkt og reikistjörnur umhverfis sólu en að hverfiþungi þeirra gæti aðeins verið heilt margfeldi af Planck-fastanum $h$. Með því mátti skýra stöðugleika atóma og einnig hvers vegna þau senda frá sér ljós með skörpum litrófslínum fremur en samfellt róf eins og sígild eðlisfræði sagði fyrir um.

Doktorsritgerð Heisenbergs fjallaði ekki um atómeðlisfræði heldur um iðustrauma í vökvum. En sumarið 1922 dvaldist Heisenberg við háskólann í Göttingen og kynntist þá Bohr sem flutti þar röð fyrirlestra um stöðu atómeðlisfræðinnar. Þótt hugmyndir Bohrs með viðbótum Sommerfelds gætu úskýrt fjölmörg smátriði í litrófi atóma var ljóst að þær voru enn fjarri heilsteyptri kenningu sem tæki yfir öll þekkt fyrirbæri í eðlisfræði smásærra agna.

Heisenberg gerðist aðstoðarmaður Max Born í Göttingen árið 1924 og einbeitti sér að rannsóknum í atómeðlisfræði. Vorið 1925 þjáðist Heisenberg af frjóofnæmi og dvaldist í lækningarskyni nokkrar vikur á eyjunni Helgoland í Norðursjó undan strönd Þýskalands, fjarri öðrum eðlisfræðingum. Þessi dvöl varð afdrifarík því að þar kviknuðu afar róttækar og frumlegar hugmyndir Heisenbergs sem marka upphaf nútíma skammtafræði.

Samkvæmt þessum hugmyndum eiga sígildar mælistærðir eins og staðsetning og hraði sér skammtafræðilegar samsvaranir sem hlíta ákveðnum algebrulegum reiknireglum. Það sem skilur á milli skammtafræðilegu stærðanna og þeirra sígildu er margfeldisregla, þar sem röð þáttanna skiptir máli og bæði fasti Plancks, $h$, og talan ${\mathrm i}=\sqrt {-1}$ koma við sögu. Ef $q$ táknar staðsetningu og $p$ skriðþunga (margfeldi massa og hraða) gildir í skammtafræði reglan $$qp-pq={\mathrm i}h/(2\pi)$$ fremur en $qp=pq$ eins og í sígildri eðlisfræði. Slíkar óvíxlnar margföldunarreglur voru þekktar í stærðfræði fyrir svonefnd fylki og er þessi framsetning einnig nefnd fylkjaskammtafræði (e. matrix mechanics).

Heisenberg þekkti reyndar ekkert til fylkjareikings þegar hann setti fyrst fram hugmyndir sínar, en eftir heimkomu Heisenbergs frá Helgoland 1925 birtust auk fyrstu greinar hans um þetta efni tvær greinar til viðbótar. Sú fyrri var eftir Max Born, sem var vel kunnugur fylkjareikningi, og annan aðstoðarmann hans, Pascual Jordan, en sú síðari eftir þá alla þrjá, Heisenberg, Born og Jordan. Þar voru hugmyndir Heisenbergs klæddar í endanlegan stærðfræðilegan búning.

Heisenberg dvaldist í Kaupmannahöfn á árumum 1926 og '27 sem aðstoðarmaður Níelsar Bohr og unnu þeir náið saman að frekari framþróun skammtafræðinnar, ekki síst að túlkun hugtakakerfis hennar, sem er býsna framandlegt frá sjónarmiði sígildrar eðlisfræði. Óvissulögmálið sem Heisenberg setti fram í Kaupmannahöfn 1927 markar glögg skil milli skammtafræði og sígildrar eðlisfræði. Þetta lögmál segir að margfeldi óvissunnar $\Delta q$ um staðsetningu agnar og óvissunnar $\Delta p$ um skriðþunga hennar geti aldrei verið minna en $h/(4\pi)$.

Í grein sinni rakti Heisenberg óvissulögmálið til óhjákvæmilegra truflana vegna víxlverkana agnarinnar við mælitækin ef reynt er að mæla samtímis staðsetningu og skriðþunga. Lögmálið má hins vegar einnig túlka á annan hátt og er sú túlkun algengust nú á dögum. Þá fjallar lögmálið ekki nauðsynlega um samtíma mælingar og ekki um óvissu (e. uncertainty) heldur fremur óákveðni (e. indeterminacy) mæligilda sem dreifast kringum tiltekið meðaltal ef gerðar eru margar ítrekaðar mælingar, ávallt við sömu aðstæður. Samkvæmt þessari túlkun má mæla $\Delta q$ í dag og $\Delta p$ á morgun (eða öfugt), en margfeldið verður alltaf stærra en $h/(4\pi)$. Í þessari mynd er auðvelt að leiða lögmálið beint út frá víxlunarreglunni $qp-pq={\mathrm i}h/(2\pi)$.

Um líkt leyti og Heisenberg, Born og Jordan lögðu grunninn að fylkjaframsetningu skammtafræðinnar var austurríski eðlisfræðingurinn Erwin Schrödinger að þróa hugmyndir sem við fyrstu sýn virtust af gjörólíkum toga. Í stað fylkjareiknings setti Schrödinger árið 1926 fram hlutafleiðujöfnu sem við hann er kennd og rakti litróf atóma til sveiflutíðna bylgjufalla sem hlíta jöfnunni. Síðar á sama ári sýndi Schrödinger svo að þessi aðferð var í raun jafngild fylkjaframsetningunni. Lykillinn að þeirri sönnun er sú staðreynd að margföldun bylgjufalls með hnitinu $q$ og diffrun eftir sama hniti hlíta einmitt víxlunarreglum á sama hátt og fylkin $q$ og $p$ í framsetningu Heisenbergs, Borns og Jordans. Nú á dögum eru báðar þessar aðferðir til að fást við skammtafræðileg kerfi notaðar jöfnum höndum, auk enn almennari stærðfræðilegs ramma sem breski eðlisfræðingurinn P. A. M. Dirac setti fram um svipað leyti.

Heisenberg varð prófessor við háskólann í Leipzig árið 1927. Þar vann hann að margs konar hagnýtingum skammtafræði, meðal annars til að skýra seguleiginleika málma, auk þess að stunda rannsóknir í skammtasviðsfræði, kjarneðlisfræði og á geimgeislum. Hann hafði fjölda stúdenta og samstarfsmanna sem urðu síðar mjög vel þekktir, þar á meðal Edward Teller sem nefndur hefur verið faðir vetnissprengjunnar.

Valdataka nasista í Þýskalandi árið 1933 olli miklum usla í þýskum háskólum þar sem kennarar af gyðingaættum voru hraktir úr stöðum sínum. Ýmsir þekktir prófessorar, þar á meðal Schrödinger, kusu að yfirgefa þýska ríkið af sjálfsdáðum þótt þeir væru ekki gyðingar. Heisenberg fór hvergi en átti í nokkrum útistöðum við nasista sem vildu að hann afneitaði verkum gyðinga, en það gerði hann aldrei. Stjórnvöld tóku hann í sátt árið 1938 og árið 1942 varð hann forstöðumaður Kaiser-Wilhelm stofnunarinnar í eðlisfræði í Berlín.

Mynd sem líklega er tekin árið 1937, vegna ráðstefnu Nóbelsverðlaunahafa. Lengst til vinstri, í fremstu röð, situr Níels Bohr, við hliðina á honum er Werner Heisenberg, svo Wolfgang Pauli, Otto Stern og Lise Meitner.

Í seinni heimstyrjöldinni leiddi Heisenberg hóp þýskra vísindamanna sem unnu við kjarnorkurannsóknir. Framganga Heisenbergs í því verkefni er umdeild en áætlunin virðist hafa verið of veikburða til að raunhæfir möguleikar væru á því að nasistar eignuðust kjarnorkuvopn. Heisenberg og samstarfsmenn hans komust aldrei lengra en að smíða kjarnakljúf sem náði ekki að komast í gang fyrir stríðslok. Eftir lok heimstyrjaldarinnar var Heisenberg ásamt öðrum sem unnið höfðu að verkefninu haldið sem stríðsföngum á sveitasetrinu Farm Hall á Englandi til ársloka 1945. Samtöl fanganna voru hleruð og eru nú merk sagnfræðileg heimild.

Heisenberg sneri aftur til Þýskalands úr bresku fangavistinni 1946 og varð sama ár á ný forstöðumaður Kaiser-Wilhelm stofnunarinnar í eðlisfræði sem var endurreist í Göttingen. Nafni hennar var skömmu síðar breytt og hefur hún síðan verið kennd við Max Planck. Hann gegndi því starfi til 1958 þegar stofnunin flutti til München og svo aftur frá 1960 til 1970 þegar hann lét af embætti.

Á stríðsárunum stundaði Heisenberg ekki eingöngu kjarnorkurannsóknir og 1942 birti hann merkar greinar um dreififræði (e. scattering theory) öreinda. Eftir stríð beindust rannsóknir hans meðal annars að geimgeislum, ofurleiðni, eðlisfræði rafgasa, og ekki síst tilraun hans til að skapa heilsteypta kenningu sem tæki yfir alla öreindafræði, en það verkefni var honum hugstætt allt frá 1953 fram á síðustu æviár. Hann var þar helst til snemma á ferðinni og tilraunin mistókst. Öreindafræði nútímans þurfti á öðrum hugmyndum að halda sem kviknuðu á áttunda áratug aldarinnar og Heisenberg átti ekki þátt í að móta.

Heisenberg sinnti eftir stríð mörgum trúnaðarstörfum og beitti sér á opinberum vettvangi. Hann var einn átján þýskra vísindamanna sem undirrituðu 1957 yfirlýsingu gegn áformum Kondrads Adenauers, fyrsta kanslara Þýska sambandslýðveldisins, um kjarnorkuvopnavæðingu vestur-þýska hersins.

Heisenberg var fjölskyldumaður, sjö barna faðir og átti mörg áhugamál. Hann stundaði löngum útisvist og fjallgöngur og var ágætur píanóleikari. Heimspeki var honum einnig hugstæð og hann var höfundur bókar um heimspeki skammtafræðinnar. Þótt tilraun hans til að skapa sameinaða kenningu fyrir alla öreindafræði bæri ekki þann árangur sem hann vonaðist eftir var hann einn af stórmennum skammtafræðinnar sem öreindafræðin hvílir á.

Frekara lesefni:

Cassidy, David C., Uncertainty: The Life and Science of Werner Heisenberg, New York, NY: Freeman, 1992.
Bernstein, Jeremy, Hitler's Uranium Club: The Secret Recordings at Farm Hall. New York, NY: Copernicus Books, 2001.
Papenfuß, Dietrich (útg.), 100 Years Werner Heisenberg: Works and Impact, Weinheim: Wiley-VCH, 2002.
Heisenberg, Werner, Der Teil und das Ganze : Gespräche im Umkreis der Atomphysik, München: Piper, 1981.

Myndir: