مروری بر زندگی پر فراز و نشیب فیزیکدان بزرگ ورنر هایزنبرگ

ورنر کارل هایزنبرگ در 5 دسامبر 1901 در شهر وورزبورگ در ایالت باواریا در جنوب آلمان به دنیا آمد. والدین او دکتر آگوست هایزنبرگ و آنا (آنی) هایزنبرگ، در سال 1899 پس از اینکه آنا از کاتولیک به مذهب لوتری آگوست گروید ازدواج کردند. آگوست متخصص فیزیولوژی یونانی میانه و جدید و آنی دختر یکی از مدیران ژیمناستیک و مسئول تراژدی یونان بود. ورنر پسر دوم آن‌ها بود. اولین پسر آن‌ها، اروین، در سال 1900 به دنیا آمد که بعدها شیمی‌دان شد.

در این مقاله از مجموعه مقالات دانشگاه کسب و کار می‌خواهیم مروری بر زندگی فیزیکدان بزرگ هایزنبرگ داشته باشیم، همراه ما انتهای این مقاله بمانید.

سال‌های ابتدایی زندگی هایزنبرگ

در زمان تولد ورنر، آلمان در دهه‌های آخر سلطنت بود که در پایان جنگ جهانی اول فروپاشید. معلمان و اساتید در آلمان قبل از جنگ از موقعیت اجتماعی بالایی برخوردار بودند و خانواده هایزنبرگ که یک خانواده دانشگاهی بودند نیز شامل این موضوع می‌شدند. آن‌ها از نظر مالی وضع خوبی داشتند و در دیدگاه‌های فرهنگی و موهبت‌های اجتماعی طبقه متوسط ​​روبه‌بالای آلمان مشارکت داشتند.

هایزنبرگ در سن پنج سالگی وارد مدرسه ابتدایی در وورزبورگ شد. او ابتدا خجالتی و حساس بود؛ اما خیلی زود اعتماد به نفس پیدا کرد. در خانه پدرش که معلم بود رقابت دائمی را با برادر بزرگ‌ترش شروع کرد. همان‌طور که این دو پسر با هم بزرگ شدند، رقابت ادامه یافت. ظاهراً یکی از دلایلی است که ورنر همیشه در مدرسه از هم‌کلاسی‌های خود جلوتر بود، همین موضوع بود.

نقل مکان ورنر به موریخ

در سال 1910، زمانی که ورنر هشت‌ساله بود، پدرش به عنوان استاد مطالعات یونانی قرون وسطی و جدید در دانشگاه مونیخ منصوب شد. ورنر با خانواده‌اش به مونیخ نقل مکان کرد و در بخش فرهنگی و هنری شوابینگ ساکن شد. ورنر آخرین سال دبستان خود را در آنجا به پایان رساند. در سپتامبر 1911 وارد ژیمناسیم ماکسیمیلیانس شد، جایی که پدربزرگ مادری‌اش مدیر آن بود. Gymnasium مدرسه‌ای نه‌ ساله بود که دانش‌آموزان را برای ورود به دانشگاه قبل از ادامه مشاغل حرفه‌ای مانند پزشکی، حقوق یا دانشگاه آماده می‌کرد.

دوران دانش‌آموزی هایزنبرگ

هایزنبرگ در سپتامبر 1911 وارد مدرسه ماکسیمیلیانس در مونیخ شد. او نه سال بعد در کلاس خود فارغ‌التحصیل شد و در سال 1920 وارد دانشگاه مونیخ شد.

هایزنبرگ از همان ابتدا معلمان خود را نه تنها با انگیزه و جاه طلبی، بلکه با هوش محض خود تحت تأثیر قرار داد. یکی از معلمان او در گزارش نمره خود نوشت: این دانش‌آموز بسیار با استعداد است. تقریباً همه معلمان نوشتند: او در بین بهترین‌های کلاس است.

در آن روزها فقط پسران در Gymnasium شرکت می‌کردند و فقط معلمان مرد در آنجا تدریس می‌کردند. دروس اصلی یونانی کلاسیک و لاتین بودند که هایزنبرگ برای آنها نمره 1 را دریافت کرد (1 بالاترین و 4 کمترین). بهترین دروس او دروس فرعی بود: ریاضیات، فیزیک و دین. بدترین دروس او نیز آلمانی و دو و میدانی بود.

علی‌رغم تاکید مدرسه بر زبان و ادبیات کلاسیک، علاقه هایزنبرگ به ریاضیات و فیزیک معطوف شد. این تا حدودی از تشویق معلم عالی ریاضی و علوم او، کریستف ولف، ناشی شد. هایزنبرگ به یاد می‌آورد: او سعی کرد من را علاقه‌مند کند و مسائل خاصی به من بدهد. او به من گفت: “برای حل آن تلاش کن.” خیلی زود هایزنبرگ حتی فراتر از معلمش پیشرفت کرد.

او با کار مستقل خود در زمینه ریاضی فیزیک بسیار فراتر از خواسته‌های مدرسه عمل کرده است.

شیفتگی ورنر به نظریه اعداد

زمانی که هایزنبرگ دانش‌آموز Gymnasium بود، شیفته نظریه اعداد، ریاضیات و سیستم اعداد شد. چنین علاقه‌ای دوباره توسط معلم ریاضی او که گاهی مقالات تحقیقاتی منتشر شده را به کلاس می‌داد و همچنین توسط پدر هایزنبرگ بیدار شد. پدر که نگران بود پسرش از زبان لاتین خود غافل شده باشد، رساله‌های ریاضی قدیمی را که به زبان لاتین نوشته شده بود به خانه آورد. یکی از آن‌ها پایان نامه دکتری لئوپولد کرونکر، نظریه پرداز اعداد معروف بود.

مانند کرونکر و بسیاری دیگر، هایزنبرگ تلاش کرد تا آخرین قضیه معروف فرما را پس از مطالعه متنی پیشرفته در مورد نظریه اعداد اثبات کند. اگرچه این تلاش شکست خورد؛ اما هایزنبرگ را از برنامه‌هایش برای تحصیل در رشته ریاضیات در دانشگاه دلسرد نکرد.

ریاضیات تنها فعالیت‌هایزنبرگ در آن سال‌ها نبود، ورنر به همان اندازه به موسیقی علاقه داشت. او پیانو کلاسیک را نزد یکی از استادان بزرگ مونیخ آموخت و در سن 12 سالگی کنسرت‌های مدرسه را اجرا می‌کرد. هیچ مدرکی دال بر هیچ دوست دوران کودکی‌ای برای هایزنبرگ وجود ندارد. به نظر می‌آید او این دوران را تنها سپری کرده است.

جنبش جوانان در سال 1911

پس از شروع جنگ جهانی اول در سال 1914، زندگی در باواریا بسیار دشوار شد. به دلیل محاصره آلمان توسط متفقین، مواد غذایی و سوخت شروع به اتمام کردند. این مدرسه به دلیل کمبود زغال سنگ برای مدت طولانی تعطیل بود. غذا به قدری کمیاب بود که هایزنبرگ که از گرسنگی ضعیف شده بود، یک بار از دوچرخه خود به داخل یک گودال افتاد. بسیاری از مردان، از جمله پدر هایزنبرگ و معلمان، ماه‌ها در جبهه دور بودند.

به دلیل همه این‌ها، انتظار می‌رفت که دانش‌آموزان حتی در مدرسه خود مستقل‌تر شوند. هایزنبرگ مانند بسیاری از هم‌کلاسی‌های خود در یک واحد آموزش نظامی مدرسه خدمت می‌کرد. هنگامی که جاه‌طلبی‌های آلمان به عنوان یک قدرت جهانی با شکست در سال 1918 از بین رفت، جوانانی مانند هایزنبرگ احساس کردند که توسط بزرگان خود به آن‌ها خیانت شده است.

در طول جنگ، هایزنبرگ و دوستانش در ژیمناسیم در یک واحد آموزشی نظامی ثبت‌نام کردند. این واحد برای کمک به برداشت محصول در اواخر تابستان و پاییز 1918 تحت شرایط سخت فراخوانده شد. پس از آتش بس در نوامبر همان سال، انقلاب آلمان را فرا گرفت و یک جمهوری سوسیال دمکراتیک جایگزین سلطنت کرد. در باواریا ناآرامی‌ها منجر به تأسیس یک جمهوری شوروی شد که الگوی جمهوری جدید بلشویکی در روسیه بود. سرانجام در ماه مه 1919، نیروهای اعزامی از برلین جمهوری شوروی را در نبردی در خیابان‌های مونیخ در هم شکستند. در طی احیای حکومت سوسیال دمکراتیک معتدل، هایزنبرگ و هم‌کلاسی‌هایش در حمایت از یکی از واحدهای اعزامی از برلین خدمت کردند.

تلاش برای بازگرداندن سلطنت

هایزنبرگ رهبر منتخب گروه کوچکی از پسران جوان از واحد نظامی ژیمناسیم شد. این گروه با پیشاهنگان جدید (Bund Deutscher Neupfadfinder) مرتبط بود که یکی از نمونه‌های افراطی رمانتیسم ضد مدرنیستی و سیاست جناح راست بود. یهودی ستیزی در پیشاهنگان جدید نیز مشهود بود؛ اما ظاهراً گروه‌ هایزنبرگ را آلوده نکرد، زیرا پسران یهودی از گروه‌های دیگر اغلب در فعالیت‌های آن‌ها شرکت می‌کردند. پیوند هایزنبرگ با محافل سوسیال دموکرات در آن زمان با مشارکت او در آموزش کارگران بزرگسال نشان داده شد.

تا زمانی که هیتلر در سال 1933 همه گروه‌های مستقل جوانان را ممنوع اعلام کرد، هایزنبرگ تقریباً تمام اوقات فراغت خود را با پسران گروه خود می‌گذراند و در سراسر آلمان و کشورهای همسایه به پیاده‌روی و کمپینگ می‌پرداخت. او تا آخر عمر عاشق پیاده روی، اسکی، کوه نوردی و زیبایی‌های طبیعت بود.

هایزنبرگ با گروه پسرانش به صورت هفتگی و آخر هفته ملاقات می‌کرد. آن‌ها جلسات هفتگی را عمدتاً به فرهنگ اختصاص می‌دادند؛ مانند موسیقی آلمانی، آهنگ‌ها و شعر. هایزنبرگ همچنین به عنوان نوعی سالمند مورد اعتماد عمل می‌کرد و در مورد مشکلات نوجوانان توصیه‌های پدرانه ارائه می‌کرد. در حالی که جلسات آخر هفته شامل سفرهای یک روزه به حومه شهر بود، گروه تعطیلات مدرسه را در سفرهای کمپینگ طولانی سپری کردند. آن‌ها همیشه قوانین سفت و سخت رفتار اخلاقی و اخلاقی را حفظ می‌کردند. سیگار کشیدن و نوشیدن الکل حتی پس از بزرگ شدن پسران گروه به شدت ممنوع بود. تعامل با زنان به ندرت اتفاق می‌افتاد و هیچ مدرکی دال بر وجود دوست دختر در زندگی هایزنبرگ در این دوره وجود ندارد.

اولین سال‌های دانشگاه هایزنبرگ

موسیقی، شعر و طبیعت عملاً تمام افکار آن‌ها را به خود مشغول کرده بود. هایزنبرگ در طول اولین سال‌های دانشگاهی، زمان خود را تقریباً به طور مساوی بین دو علاقه اصلی خود در آن زمان تقسیم کرد: جنبش جوانان و فیزیک نظری. در ماه‌های گرم سال، او اغلب با پسرانش در کوهستان چادر می‌زد و صبح تا نزدیک‌ترین ایستگاه قطار پیاده روی می‌کرد تا به موقع برای کلاس‌های صبح خود به مونیخ برسد.

شرکت هایزنبرگ در جنبش جوانان آلمان یکی از عوامل تعیین کننده شخصیت و دیدگاه او بود. او وابستگی جدایی‌ناپذیری به میهن آلمانی خود پیدا کرد. در همان زمان، او توانایی انجام تلاش‌های جسورانه برای حل مسائل پیچیده، از جمله مسائل علمی را به دست آورد.

ورنر و فیزیک نظری در دانشگاه

هایزنبرگ در پاییز 1920 وارد دانشگاه مونیخ شد. او قصد داشت ریاضیات محض بخواند؛ اما پس از مصاحبه‌ای نگران کننده با یکی از اساتید ریاضی، به فیزیک نظری روی آورد. استاد آن موضوع، آرنولد سامرفلد، فوراً استعدادهای مرد جوان را شناخت و او را در سمینار پیشرفته خود پذیرفت. جایی که هایزنبرگ به زودی سهم قابل انتشاری در نظریه کوانتومی قدیمی اتم ارائه کرد. از آنجایی که دانشجویان در سطحی تقریباً معادل سال اول یک کالج آمریکایی وارد دانشگاه شدند، مطالعات آن‌ها بیشتر بر یک رشته خاص متمرکز بود و به زودی با کار کردن بر آن رشته به سطح فارغ‌التحصیلی می‌رسیدند.

دوران تحصیل دکتری هایزنبرگ

هایزنبرگ دکترای خود را در سال 1923 از دانشگاه مونیخ با رکورد فقط سه سال تحصیل دریافت کرد. در سال 1927 او در سن 25 سالگی به عنوان استاد فیزیک نظری در لایپزیگ منصوب شد. او جوان‌ترین استاد تمام آلمان بود. هایزنبرگ از زمانی که وارد دانشگاه مونیخ شد تا زمان انتصاب به عنوان استاد در لایپزیگ، در سه مرکز برجسته فیزیک اتمی نظری جهان: مونیخ، گوتینگن و کپنهاگ، و با سه تن از نظریه پردازان برجسته اتمی جهان تحصیل و آموزش دید: سامرفلد، مکس بورن و نیلز بور.

در مونیخ هایزنبرگ همچنین دوستی مادام‌العمری را با ولفگانگ پائولی، فیزیک‌دان جوانی به اندازه هایزنبرگ درخشان، آغاز کرد. مکاتبات گسترده‌ ولفگانگ پائولی با هایزنبرگ و دیگران یکی از گنجینه‌های فرهنگی قرن بیستم است.

در حالی که سامرفلد برای سال تحصیلی 1922-23 در دانشگاه ویسکانسین مدیسون در مرخصی بود، هایزنبرگ به عنوان شاگرد و دستیار شخصی مکس بورن در گوتینگن تحصیل کرد.

نقش ورنر در اصل عدم قطعیت

ورنر برای تکمیل دکترای خود به مونیخ بازگشت، سپس تا بهار سال 1926 به عنوان دستیار بورن به گوتینگن بازگشت. او در سال 1925 به گوتینگن بازگشت، جایی که اولین پیشرفت را در مکانیک کوانتومی ایجاد کرد.

از آنجایی که مکانیک کوانتومی در سال آینده به شکل کامل‌تری تکامل یافت، هایزنبرگ شروع به جستجوی موقعیت تدریس در دانشگاه کرد. به عنوان یکی از معدود بازدیدکنندگان بین‌المللی مؤسسه بور که به زبان دانمارکی مسلط بود، زمانی که بور در سال 1926 به یک دستیار جدید نیاز داشت، به ورنر به خاطر این موضوع مزیتی داده شد.

اگرچه این یک کرسی استادی نبود، هایزنبرگ فرصت را غنیمت شمرد تا به قول خودش فیزیک را با بور بیاموزد. کار فشرده او با بور و دیگران در کپنهاگ در نهایت منجر به اصل عدم قطعیت‌هایزنبرگ و “تفسیر کپنهاگ” در سال 1927 شد، که سنگ بنای مکانیک کوانتومی بود که هایزنبرگ و دیگران در طول دهه 1920 پایه گذاری کردند.

هایزنبرگ در نوشته‌ای به پدرش، سال 1922:

“برای من شخصاً گوتینگن این مزیت بزرگ را دارد که برای یک بار هم که شده ریاضیات و نجوم درست را یاد خواهم گرفت.”

هم‌زمانی بحران در نظریه کوانتومی و بحران در آلمان

سفرهای هایزنبرگ و معلمانی که در اوایل دهه 1920 با آن‌ها روبرو شد به او کمک کرد تا به یکی از فیزیک‌دانان برجسته زمان خود تبدیل شود. اما هایزنبرگ همچنین این شانس را داشت که در لحظه مناسب برای پیشرفت، وارد فیزیک اتمی شود. در آن زمان اولین پیش‌نویس نظریه انقلابی اتم، نظریه کوانتومی قدیمی که قبلاً توسط بور و سامرفلد ایجاد شده بود، شروع به شکسته شدن کرد.

اگرچه این نظریه در موارد ساده به خوبی کار می‌کرد؛ اما در اوایل دهه 1920 که هایزنبرگ وارد صحنه شد، مطالعه تجربی و نظری دقیق‌تر مشکلات زیادی را آشکار کرد که برخی از فیزیک‌دانان شروع به صحبت از بحران در نظریه کوانتومی کردند. جامعه آلمان در آن زمان نیز در حال تجربه یک بحران بود. ترورها و تلاش برای سرنگونی حکومت به صورت مکرر انجام می‌شد. در نوامبر 1923 در “کودتای آبجو”، تلاش نافرجام هیتلر برای به دست گرفتن کنترل دولت و ارتش باواریا به عنوان مقدمه‌ای برای راهپیمایی به برلین به اوج خود رسید.

در همان زمان نرخ تورم در آلمان به ابعاد نجومی رسید و مارک آلمان را عملاً بی ارزش کرد. حتی پس از تثبیت نمره در سال 1924، امرار معاش برای دانشگاهیان دشوار بود. دانشمندان ارشد آلمانی موفق به جمع‌آوری سرمایه خصوصی از بنیادها و خیرین آمریکایی شدند که به جوانان امیدوارکننده این امکان را داد که از طریق کمک هزینه‌های فوق دکترا در این حرفه باقی بمانند. چنین وجوهی منبع اصلی حمایت هایزنبرگ در این دوره بود.

ورنر هایزنبرگ و استعدادش در فیزیک اتمی

هایزنبرگ از همان ابتدا استعداد خود را در فیزیک اتمی و توانایی خود در جهش به سمت حل مسئله‌ای که دیگران قادر به حل آن نبودند، نشان داد. با این حال در بیشتر موارد راه حل او مستلزم نقض اصول و رویه‌های پذیرفته شده بود که بعدها قابل قبول شد. این در اولین مقاله او که در سال 1922 منتشر شد مشهود بود.

پس از یادگیری فیزیک پایه نزد سامرفلد در مونیخ، هایزنبرگ در گوتینگن آموخت که اصول فیزیک را دقیق‌تر دنبال کند و روش‌های ریاضی پیچیده‌ای را برای محاسبه مدارهای فرضی الکترون‌ها در اتم‌ها به کار گیرد. با این حال، ویژگی‌های اتم‌هایی که هایزنبرگ و بورن از محاسبات پیش بینی کردند با داده‌های تجربی موجود مطابقت نداشت. تئوری کوانتومی قدیمی شکست خورده بود؛ اما اکنون هایزنبرگ و همکارانش دقیقاً متوجه شدند که در کجا شکست خورده است و نکاتی را در مورد چگونگی رفع آن به دست آوردند.

داستان غم‌انگیز دکترای هایزنبرگ در سال 1920 تا 1927

هایزنبرگ در ماه مه 1923 از گوتینگن، جایی که دانشجوی مهمان بود، به مونیخ بازگشت تا آخرین ترم تحصیلی خود را در حین نوشتن پایان نامه دکتری به پایان برساند. با آگاهی از شهرت هایزنبرگ برای راه‌حل‌های بحث برانگیز برای مسائل در نظریه کوانتومی مربی مونیخی او، آرنولد سامرفلد، به او پیشنهاد کرد که پایان نامه خود را در زمینه سنتی تر هیدرودینامیک بنویسد.

هایزنبرگ همچنین مجبور شد دوره چهار ساعته آزمایشگاهی فیزیک تجربی را که توسط پروفسور ویلهلم وین ارائه شده بود بگذراند. وین اصرار داشت که هر فیزیک‌دان، حتی نظریه پردازان درخشان سامرفلد، باید در فیزیک تجربی کاملاً آماده باشند. فیزیک در آن روزها هنوز به معنای فیزیک تجربی بود. فیزیک نظری اگرچه در جایگاهی قرار داشت؛ اما هنوز به عنوان شاخه‌ای از فیزیک برابر با تحقیقات تجربی به پذیرش کامل نرسیده بود. وین و سامرفلد هر دو در امتحان شفاهی نهایی داوطلب شرکت کردند و هر دو باید روی یک نمره واحد در فیزیک توافق می‌کردند.

آرنولد سامرفلد، ارزیابی پایان نامه، 1923:

«هایزنبرگ در حل مسئله حاضر بار دیگر توانایی‌های خارق‌العاده خود را نشان می‌دهد: تسلط کامل بر دستگاه ریاضی و بینش فیزیکی متهورانه».

در حالی که هایزنبرگ در طول دوره آزمایشگاهی وین با مشکل مواجه شد (که باعث نارضایتی وین از نتایج شد)، او پایان نامه خود را آماده کرد. او این کار را که یک محاسبه 59 صفحه‌ای با عنوان «در مورد ثبات و آشفتگی جریان سیال» بود، در 10 ژوئیه 1923 به دانشکده مونیخ ارسال کرد. موضوع از یک قرارداد تحقیقاتی قبلی که سامرفلد از یک شرکت مجرای رودخانه ایسار دریافت کرده بود ناشی شد.

هایزنبرگ و مسئله ثبات و آشفتگی جریان سیال

از طریق مونیخ مسئله تعیین انتقال دقیق یک سیال هموار (جریان آرام) به جریان آشفته بود. این یک مسئله ریاضی بسیار دشوار بود. در واقع آن‌قدر دشوار بود که هایزنبرگ تنها یک راه حل تقریبی ارائه کرد.

سامرفلد نوشت: من موضوعی با این مشکل را به عنوان پایان نامه به هیچ یک از شاگردان دیگرم پیشنهاد نمی‌کردم. دانشکده این پایان نامه را پذیرفت و وین آن را برای انتشار در مجله فیزیک که وی ویرایش می‌کرد (Annalen der Physik) پذیرفته اعلام کرد. هنگامی که ریاضی‌دان فریتز نوتر در سال 1926 به نتایج اعتراض کرد، تقریباً ربع قرن در تردید باقی ماند تا اینکه سرانجام تأیید شد.

مشکل از زمانی شروع شد که پذیرش پایان نامه باعث پذیرش داوطلب در امتحان شفاهی نهایی شد. کمیته بررسی متشکل از سامرفلد و وین در فیزیک، همراه با نمایندگانی در دو موضوع جزئی هایزنبرگ، ریاضیات و نجوم بود. چیزهای زیادی در خطر بود، زیرا تنها نمراتی که یک داوطلب برای مطالعات خود دریافت می‌کرد، نمرات مبتنی بر پایان نامه و امتحان شفاهی نهایی بود: یک نمره برای هر موضوع و یک نمره برای عملکرد کلی. نمرات از I (معادل A) تا V (F) متغیر بود.

ورنر و دفاع از پایان‌نامه‌اش

هنگامی که هایزنبرگ ۲۱ ساله در 23 ژوئیه 1923 در برابر چهار استاد ظاهر شد، به راحتی به سؤالات سامرفلد و سؤالات ریاضیات رسیدگی کرد؛ اما او شروع به تلوتلوخوردن در نجوم کرد و در فیزیک تجربی افتاد.

هایزنبرگ در کار آزمایشگاهی خود مجبور به استفاده از تداخل سنج فابری-پروت بود، وسیله‌ای برای مشاهده تداخل امواج نور که کلاس به طور گسترده آن را مطالعه کرده بود. اما هایزنبرگ نمی‌دانست که چگونه می‌تواند قدرت تفکیک تداخل سنج را به دست آورد و در کمال تعجب وین نمی‌توانست قدرت تفکیک (قابلیت تشخیص اجسام) ابزارهای رایجی مانند تلسکوپ یا میکروسکوپ را به دست آورد.

هنگامی که یک وین عصبانی از او پرسید که یک باتری ذخیره سازی چگونه کار می‌کند، هایزنبرگ خودش را گم کرد. وین هیچ دلیلی برای قبول کردن هایزنبرگ جوان ندید، مهم نیست که او چقدر در شاخه‌های دیگر فیزیک درخشان باشد. بحثی بین سامرفلد و وین بر سر اهمیت نسبی فیزیک نظری در رابطه با فیزیک تجربی به وجود آمد. نتیجه این بود که هایزنبرگ در فیزیک و برای نمره کلی برای دکترای خود مدرک III، معادل C را دریافت کرد. هر دوی این نمرات احتمالاً میانگین‌هایی بین نمره سامرفلد (A) و نمره وین (یک F) بودند.

ملاقات مجدد بورن

سامرفلد شوکه شد و هایزنبرگ از پا در آمد. برای هایزنبرگ که عادت داشت همیشه در صدر کلاس خود باشد، قبول یک نمره متوسط ​برای دکترای خود سخت بود. سامرفلد بعدازظهر همان شب یک مهمانی کوچک برای دکتر هایزنبرگ جدید در خانه‌اش برگزار کرد؛ اما هایزنبرگ زودتر بهانه‌ای جور کرد، چمدانش را بست و با قطار نیمه شب به سمت گوتینگن رفت و صبح روز بعد در مطب مکس بورن حاضر شد. بورن قبلاً هایزنبرگ را به عنوان دستیار آموزشی خود برای سال تحصیلی آینده استخدام کرده بود. هایزنبرگ پس از اطلاع دادن به بورن از خراب کردن امتحان شفاهی‌اش، با خجالت پرسید: “من نمی‌دانم که آیا هنوز هم می‌خواهی مرا داشته باشی یا نه؟”

بورن تا زمانی که سؤالاتی را که هایزنبرگ در امتحان شفاهی‌اش از دست داده بود بررسی نکرد، به او پاسخی نداد. بورن با متقاعد کردن خود به اینکه سؤالات «بسیار مشکل هستند»، اجازه داد پیشنهاد استخدامش باقی بماند. اما در آن پاییز پدر نگران هایزنبرگ به جیمز فرانک، آزمایشگر مشهور گوتینگن، نامه‌ای نوشت و از فرانک خواست تا به پسرش مقداری فیزیک تجربی بیاموزد. فرانک تمام تلاش خود را کرد؛ اما نتوانست بر عدم علاقه کامل هایزنبرگ غلبه کند و از تلاش دست کشید. اگر قرار بود هایزنبرگ در فیزیک زنده بماند، فقط به عنوان یک نظریه پرداز بود.

مکانیک کوانتومی سال 1925 تا 1927

نظریه اصلی اتم زمانی که هایزنبرگ در سال 1920 وارد دانشگاه مونیخ شد، نظریه کوانتومی بور، سامرفلد و همکارانشان بود. اگرچه این نظریه در شرایط خاصی بسیار موفق بود، در اوایل دهه 1920، سه حوزه تحقیقاتی نشان داد که این نظریه کافی نیست و باید جایگزین شود. این مباحث شامل مطالعه نور ساطع شده و جذب شده توسط اتم‌ها (طیف سنجی) بود. خواص پیش‌بینی‌شده اتم‌ها، مولکول‌ها و طبیعت خود نور. این که آیا نور مانند امواج عمل می‌کند یا مانند جریانی از ذرات؟

هایزنبرگ در طول کار خود در مونیخ، گوتینگ و کپنهاگ به شدت درگیر مطالعه نظری هر سه این حوزه‌های تحقیقاتی بود. در سال 1924، فیزیک‌دانان در گوتینگن و کپنهاگ توافق کردند که نظریه کوانتومی قدیمی باید با “مکانیک کوانتومی” جدید جایگزین شود.

هایزنبرگ در نامه‌ای به پائولی، 1925:

“تمام تلاش‌های ناچیز من به سمت نابود کردن و جایگزینی مناسب مفهوم مسیر مداری است که نمی‌توان مشاهده کرد.”

ورنر و پیشرفت مکانیک کوانتومی

هایزنبرگ پس از بازگشت به گوتینگن از کپنهاگ در آوریل 1925، وظیفه یافتن مکانیک کوانتومی جدید را بر عهده گرفت.

از آنجایی که مدارهای الکترون در اتم‌ها قابل مشاهده نبود، هایزنبرگ سعی کرد مکانیک کوانتومی را بدون آن‌ها ایجاد کند. او در عوض بر آنچه که قابل مشاهده است، یعنی نور ساطع و جذب شده توسط اتم‌ها تکیه کرد. در ژوئیه 1925 هایزنبرگ پاسخی داشت؛ اما ریاضیات آن‌قدر ناآشنا بود که او مطمئن نبود که منطقی باشد یا خیر.

هایزنبرگ قبل از رفتن به یک سفر سخنرانی یک‌ ماهه به هلند و انگلیس و یک سفر کمپینگ به اسکاندیناوی با گروه جنبش جوانان خود، مقاله‌ای در مورد اشتقاق به مربی خود، مکس بورن، داد. پس از گیج شدن در مورد اشتقاق، بورن سرانجام متوجه شد که ریاضیات ناآشنا به ریاضیات آرایه‌های اعداد معروف به “ماتریس” مربوط می‌شود. بورن مقاله هایزنبرگ را برای انتشار فرستاد. این موضوع مساوی پیشرفت مکانیک کوانتومی بود.

هایزنبرگ در چکیده خلاصه اولین مقاله خود در مورد مکانیک کوانتومی:

“مقاله حاضر به دنبال ایجاد مبنایی برای مکانیک کوانتومی نظری است که منحصراً بر اساس روابط مقادیری است که در اصل قابل مشاهده هستند.”

هایزنبرگ در مقاله مشهور سه نفره

بورن همراه با دستیار دیگرش، پاسکوال جردن، برای توسعه بیشتر مکانیک کوانتومی بر اساس ریاضیات انتزاعی ماتریس‌ها تلاش کردند. پس از بازگشت هایزنبرگ از سفرهای دوران جوانی‌اش، کار گوتینگن به یک مقاله معروف «سه نفره» منجر شد که جزئیات مکانیک کوانتومی جدید مبتنی بر ماتریس، «مکانیک ماتریس» را بیان می‌کند.

با معرفی مفاهیم اضافی (الکترون “اسپین” و “اصل طرد پاولی”)، هایزنبرگ، بورن، جردن، پائولی و دیگران نشان دادند که مکانیک کوانتومی جدید می‌تواند بسیاری از خواص اتم‌ها و رویدادهای اتمی را توضیح دهد.

با این حال انیشتین به رویکرد هایزنبرگ که در آن نظریه جدید فقط بر کمیت‌های قابل مشاهده استوار بود، اعتراض کرد. هایزنبرگ پس از سخنرانی‌هایش در برلین در سال 1926 گفت و گو با انیشتین را در این مورد به یاد آورد.

به طور مستقل و کمی بعد، فیزیک‌دان اتریشی، اروین شرودینگر، مکانیک کوانتومی دیگری را پیشنهاد کرد، یک جایگزین “مکانیک موجی” در سال 1926. مکانیک موجی برای بسیاری از فیزیک‌دانان جذاب بود؛ زیرا به نظر می‌رسید هر کاری را که مکانیک ماتریس می‌توانست انجام دهد انجام می‌داد، اما بسیار آسان‌تر و ظاهراً بدون ارائه.

این کار توسط تجسم مدارهای درون اتم اتفاق می‌افتاد. این موضوع بحث شدیدی را بین پیروان نسخه‌های جایگزین مکانیک کوانتومی به راه انداخت که پس‌زمینه روابط عدم قطعیت بعدی و تفسیر کپنهاگ را تشکیل داد.

اصل عدم قطعیت سال 1925 تا 1927

هایزنبرگ با مطالعه مقالات دیراک و جردن، در حین مکاتبات مکرر با ولفگانگ پائولی، مشکلی را در روش اندازه گیری متغیرهای فیزیکی اساسی که در معادلات ظاهر می‌شوند کشف کرد.

تجزیه و تحلیل او نشان داد که عدم قطعیت‌ها یا عدم دقت، همیشه در صورت تلاش برای اندازه گیری موقعیت و تکانه یک ذره به طور هم‌زمان ظاهر می‌شوند. او گفت: عدم قطعیت‌های مشابهی هنگام اندازه گیری انرژی و متغیرهای زمانی ذره به طور هم‌زمان رخ می‌دهد.

این عدم قطعیت‌ها یا عدم دقت در اندازه‌گیری‌ها تقصیر آزمایشگر نیست، آن‌ها در مکانیک کوانتومی ذاتی هستند. هایزنبرگ کشف خود و پیامدهای آن را در نامه‌ای 14 صفحه‌ای به پائولی در فوریه 1927 ارائه کرد. این نامه به یک مقاله منتشر شده تبدیل شد که در آن هایزنبرگ برای اولین بار آنچه را که به عنوان اصل عدم قطعیت شناخته شد به جهان ارائه کرد.

برای فهمیدن ادامه ماجرا هم چنان همراه تیم دانشگاه کسب و کار بمانید.

پیروزی تفسیر کپنهاگ سال 1927

با وجود مخالفت‌های انیشتین و دیگران، بور، هایزنبرگ و همکارانشان توانستند از پذیرش تفسیر خود توسط اکثر فیزیک‌دانان آن زمان اطمینان حاصل کنند. آن‌ها این کار را هم با ارائه تفسیر جدید در سفرهای سخنرانی در سراسر جهان و هم با نشان دادن کارآمد بودن آن انجام دادند.

موفقیت‌های این نظریه به طور طبیعی بسیاری از بهترین دانشجویان را به مؤسساتی مانند هایزنبرگ جذب کرد، برخی از آن‌ها از آمریکا، هند و ژاپن می‌آمدند. این دانشجویان باهوش، که توسط دکترین کپنهاگ پرورش یافتند و در مکانیک کوانتومی جدید آموزش دیدند، نسل جدیدی از فیزیک‌دانان را تشکیل دادند.

آن‌هایی که در آلمان و اروپای مرکزی بودند، ایده‌های جدید را با خود حمل کردند، زیرا در دهه‌های 1930 و 1940 در پی به قدرت رسیدن هیتلر در آلمان، در سراسر جهان پراکنده شدند.

پروفسور هایزنبرگ در لایپزیگ (1927-1942)

حمله SS هایزنبرگ و جامعه فیزیک آلمان را متزلزل کرد و نقطه عطفی در رابطه آنها با رژیم نازی بود. آتش بس ناآرام بین فیزیک‌دانان و رژیم شکل گرفت. شروع جنگ در اروپا و کشف شکافت هسته‌ای در برلین دست فیزیک‌دانان را قوی کرد. هایزنبرگ و بقیه همکارانش در “پروژه اورانیوم” کار بر روی کاربردهای عملی شکافت هسته‌ای را آغاز کردند.

دانشمندان مختلف انگیزه‌های متفاوتی برای شرکت در این پروژه داشتند. هایزنبرگ و حلقه درونی او این را عمدتاً فرصتی برای محافظت از خود و نشان دادن ارزش عملی فیزیک نظری می‌دانستند.

دانشمندان دیگر مایل بودند در صورت امکان، به پیروزی آلمان کمک کنند. هایزنبرگ به یک شخصیت کلیدی در تحقیقات شکافت آلمان در زمان جنگ تبدیل شد. در سال 1942 او لایپزیگ را ترک کرد تا به عنوان استاد فیزیک نظری در دانشگاه برلین و رئیس موقت مؤسسه فیزیک کایزر ویلهلم، مرکز اصلی تحقیقات رآکتور آلمان منصوب شود.

وقایع شخصی با حمله اس اس در سال 1937 همراه بود. چندین ماه قبل از حمله، هایزنبرگ با زن جوانی که اخیراً مدرک ادبیات آلمانی دریافت کرده بود، به نام الیزابت شوماخر، دختر یک استاد اقتصاد مشهور برلین ملاقات و با او ازدواج کرد. نه ماه بعد او دوقلوهای پسری به دنیا آورد. آن‌ها اولین فرزندان از هفت فرزند هایزنبرگ بودند.

هایزنبرگ و تحقیقات شکافت (1939-1945)

در پایان جنگ، یک واحد اطلاعات علمی متفقین هایزنبرگ و دیگر دانشمندان هسته‌ای آلمانی را به همراه بیشتر اوراق و تجهیزات آن‌ها دستگیر کردند.

پس از بازجویی‌ها، مقامات آمریکایی و بریتانیایی هایزنبرگ و 9 دانشمند آلمانی دیگر را به مدت شش ماه در یک عمارت روستایی انگلیسی، Farm Hall در نزدیکی کمبریج، بازداشت کردند، جایی که مکالمات خصوصی آن‌ها مخفیانه ضبط، رونویسی و ترجمه شد.

متن‌های جذاب گفتگوهای آن‌ها به ویژه درباره اخبار بمباران اتمی ژاپن از طبقه بندی خارج و منتشر شده است. آن‌ها نه تنها بینش‌های جدیدی را ارائه می‌دهند، بلکه به بحث‌های پیرامون تحقیقات هایزنبرگ و شکافت آلمانی در طول جنگ جهانی دوم نیز دامن می‌زنند.

جمع بندی

خیلی خوش حالیم که تا انتهای این مقاله همراه تیم دانشگاه کسب و کار بودید. در این مقاله نگاهی عمیق به زندگی پر فراز و نشیب هایزنبرگ انداختیم. در ادامه این سال‌ها در سال 1958 هایزنبرگ مؤسسه فیزیک ماکس پلانک را به مونیخ منتقل کرد و آنجا به مؤسسه ماکس پلانک برای فیزیک و اخترفیزیک تبدیل شد.

هایزنبرگ نیز بیشتر درگیر فعالیت‌ها و تحقیقات در سرن شد. او هرگز پس از جنگ به عنوان یک استاد تمام وقت، یک “Ordinarius” انتصابی دریافت نکرد، اگرچه در گوتینگن و مونیخ کرسی‌های استادی افتخاری داشت. او در طول دهه 1960 به جستجوی خود برای یک نظریه واحد در مورد ذرات بنیادی ادامه داد. در حالی که به طور گسترده به سفر ادامه می‌داد. او در سال 1970 از مؤسسه بازنشسته شد و آخرین بار در سال 1972 به آمریکا سفر کرد.

هایزنبرگ در 1 فوریه 1976 بر اثر سرطان در خانه خود در مونیخ درگذشت.

آیا شما هم به فیزیک علاقه دارید؟ چه نظری در رابطه با نظریه‌های هایزنبرگ دارید؟