Александр Фомин - 100 знаменитых ученых
В 1910 году Августу Гейзенбергу предложили возглавить единственную в Германии кафедру классической филологии и византинистики Мюнхенского университета, и через некоторое время семья переехала в Мюнхен. Отец Вернера старался дать сыну разностороннее образование и всячески поддерживал его интересы в различных областях науки. Мальчик проявил склонность и к музыке, он прекрасно играл на пианино.
После того как Вернер прошел курс начального обучения, в сентябре 1911 года, в возрасте десяти лет, он поступил в Максимилиановскую гимназию, где проучился десять лет. В гимназии Гейзенберг заинтересовался изучением языков, в частности санскрита и латыни, а также математикой. На третьем году учебы Вернер увлекся дифференциальным исчислением.
После поражения Германии в Первой мировой войне Гейзенберг некоторое время был членом народной милиции, в функции которой входило поддержание порядка в Мюнхене в смутное время.
В 1920 году Вернер успешно окончил гимназию и поступил в Мюнхенский университет. Будучи студентом кафедры математики, он хотел посещать семинар по проблемам высшей математики, но получил отказ. Тогда он добился своего перевода на кафедру теоретической физики. В то время Мюнхен был одним из центров теоретической физики. Учителями Гейзенберга были такие известные физики, как Арнольд Зоммерфельд и Вильгельм Вин.
Гейзенберг был талантливейшим студентом. Он окончил университетскую программу всего за три года – минимально разрешенное время. В 1923 году Вернер защитил докторскую диссертацию по теме «О стабильности и турбулентности потоков жидкости», где применил некоторые аспекты квантовой теории.
После защиты диссертации Гейзенберг в течение полугода работал стипендиатом-исследователем в Геттингенском университете под руководством Макса Борна, и после того как освободилось место доцента теоретической физики, занял его. Вместе с Борном Гейзенберг проработал в Геттингенском университете до 1927 года.
Совместная работа в Геттингене пошла на пользу обоим знаменитым физикам. Вместе с Максом Борном и Паскуалем Йорданом Гейзенберг заложил основы квантовой механики.
В то время физики были восхищены работой и идеями Нильса Бора, который предложил новую модель атома. Все большее число ученых занимались исследованием строения атома. Проблема строения атома заинтересовала и молодого Вернера Гейзенберга.
Еще в 1900 году Макс Планк предположил, что энергия испускается малыми дискретными порциями – квантами. Энергия каждого кванта пропорциональна частоте излучения. Хотя Макс Планк и сам не полностью осознал важность своего открытия, он заложил первый кирпичик в основание построенной Гейзенбергом, Шрёдингером, Дираком и Бором квантовой теории.
Вместе со своим маститым учителем Максом Борном Гейзенберг начал разработку математического аппарата квантовой теории.
В мае 1925 года с Гейзенбергом случилось несчастье – у него был острый приступ сенной лихорадки. Ученый был вынужден провести несколько месяцев на маленьком островке Гельголанд, полностью изолированном от внешнего, в том числе и научного мира. И вот тут полностью оправдала себя поговорка «не было бы счастья, да несчастье помогло». За время, проведенное на острове, ученый разработал метод, который позволял разрешить проблемные моменты в модели атома Нильса Бора. По Гейзенбергу, квантовые события следовало рассматривать на другом уровне, отличном от классической физики.
Метод Гейзенберга давал возможность вычислить интенсивность спектральных линий, испускаемых простейшей квантовой системой – линейным осциллятором. Немецкий ученый произвел квантовомеханический расчет атома гелия и показал возможность его существования в двух различных состояниях. В строгом математическом представлении Гейзенберга использовались таблицы наблюдаемых величин: частот, пространственных координат и импульсов. Также Гейзенберг выработал правила, которые позволяли производить над таблицами различные математические операции.
Теория, разработанная молодым ученым, оказалась настолько сложной, что он и сам не смог полностью разобраться в ее математических основаниях. По возвращении в Геттинген Гейзенберг представил свой труд Борну, и тот, вместе с другим своим талантливым учеником – Паскуалем Йорданом, усовершенствовал его работу.
Ученые проанализировали таблицы Гейзенберга и показали, что над ними можно проводить операции, типичные для матричной алгебры. В то время матричная алгебра была уже хорошо разработана, но в физике она еще никогда не применялась.
В сентябре 1925 года Борн опубликовал статью «О квантовой механике», где представил результаты исследований и ввел термин «квантовая механика», под которым подразумевал сложный математический аппарат квантовой теории.
Учившийся в те годы в Геттингене «отец кибернетики» Норберт Винер отмечал, что честь создания квантовой механики как самостоятельного раздела науки принадлежит Гейзенбергу, но кто знает, как бы развивались события, если бы Гейзенберг не был аспирантом Макса Борна, заложившего математические основы предположений и открытий Вернера.
Получив стипендию Рокфеллеровского фонда, в 1926 году Гейзенберг отправился в Копенгаген, где начал работать с Нильсом Бором. Гейзенберг часто ездил в Геттинген к Борну, но большую часть времени проводил в Копенгагене.
Наверное, трудно представить в мире науки более подходящих друг другу сотрудников, чем Бор и Гейзенберг. Опыт, фантастическую интуицию, глубокие знания Бора прекрасно дополняли точность, глубина мысли, блистательный математический кругозор Гейзенберга.
Развитие квантовой теории не стояло на месте.
Спустя несколько месяцев после открытия Гейзенберга Эрвин Шрёдингер развил волновую механику. Ее начало можно было разглядеть в работах Луи де Бройля, который предположил наличие волновых свойств у частиц и выдвинул идею корпускулярно-волновой природы материи. Сегодня физики-теоретики чаще используют представления волновой механики, поскольку ее аппарат легче, чем аппарат матричной механики Гейзенберга.
В сентябре 1926 года Шрёдингер прибыл в Копенгаген, пытаясь переубедить Бора и доказать правоту своей теории, но в результате дискуссии ни одна из сторон не добилась успеха. Ни одну из предложенных интерпретаций квантовой механики нельзя было считать вполне приемлемой.
Макс Борн доказал, что законы физики микромира являются статичными и что волновая функция должна пониматься как комплексная величина, квадрат которой выражает вероятность того, что соответствующая частица находится в той или иной точке пространства. Он сформулировал интерпретацию функции плотности вероятности в квантовомеханическом уравнении Шрёдингера, которая позже была названа «Копенгагенской интерпретацией». Спустя некоторое время Поль Дирак развил теорию квантовой механики, включив в волновое уравнение элементы теории относительности Эйнштейна.
