ورنر هایزنبرگ، کاشف یکی از اساسی‌ترین اصول علم فیزیک

وِرنِر هایزنبرگ یکی از مشهورترین فیزیکدانان قرن بیستم است که موفق شد مکانیک کوانتومی را برحسب ماتریس‌ها بازنویسی کند. او همچنین با ارایٔه اصولی که امروزه در فیزیک مفاهیمی اساسی هستند، جایگاه خود را در دنیای علم تثبیت کرد. در این مقاله قصد داریم زندگی ورنر هایزنبرگ را مرور کنیم.

دوران تحصیل ورنر هایزنبرگ

«ورنر کارل هایزنبرگ» پنجم دسامبر ۱۹۰۱ در شهر «وورزبرگ» آلمان متولد شد. پدرش «آگوست هایزنبرگ» محقق زبان یونان باستان و ادبیات یونان جدید بود. او در دانشگاه وورزبرگ تدریس می‌کرد. مادرش نیز «آنا وکلین»، دختر رئیس دانشگاه «ماکسیمیلیان» مونیخ بود. تولد ورنر هایزنبرگ در چنین خانواده‌ای سبب شد تا از دوران کودکی به مطالعه و کسب دانش روی آورد. نقل شده است که در دوران مدرسه، معلمان او تحت تأثیر هوش ریاضیاتی او قرار می‌گرفتند؛ زیرا قادر بود مفاهیم را سریع‌تر از سایر دانش‌آموزان یاد بگیرد و با وجود سن کم، به بحث درباره آن‌ها بپردازد.

هایزنبرگ در سال ۱۹۲۰، زمانی که ۱۹ ساله بود، وارد دانشگاه مونیخ شد و پس از مطالعه دروس مقدماتی، به شاگردی «آرنولد سامرفلد» درآمد تا روی طیف‌سنجی اتمی و توصیف مدل‌های کوانتومی مطالعه کند. حدوداً یک دهه پیش از آن، دانشمندی به نام «نیلز بور» این ایده را مطرح کرده بود که ویژگی‌های خاصی در فیزیک اتمی وجود دارند که تنها مقادیر گسسته را اتخاذ می‌کنند و نمی‌توان به آن‌ها مقادیر پیوسته نسبت داد. هایزنبرگ در مطالعات خود روی این نظریه تمرکز بالایی داشت. او در سال ۱۹۲۳ موفق شد از پایان‌نامه دکتری خود دفاع کند.

علی‌رغم اینکه ورنر هایزنبرگ موفق نشده بود مقاله چشمگیری از پایان‌نامه خود استخراج کند، اما توانست رفتار خطوط طیفی اتم تحت تأثیر میدان مغناطیسی را به‌خوبی توضیح دهد. هایزنبرگ مدلی را توسعه داد تا بتواند این رفتار را توصیف کند؛ هرچند این توضیح با معرفی اعداد کوانتومی نیمه‌صحیح همراه بود که با نظریه بور در آن زمان مغایرت داشت.

هایزنبرگ در سال ۱۹۲۲ درحالی‌که هنوز رسماً شاگرد زومرفلد بود، دستیار پژوهشی «مکس بورن» در دانشگاه گوتینگن شد؛ جایی که هایزنبرگ برای اولین‌بار با بور ملاقات کرد. او در سال ۱۹۲۴ موفق به کسب صلاحیت تدریس در دانشگاه‌های آلمان شد.

پایه‌گذاری مکانیک کوانتومی

در سال ۱۹۲۵، ورنر هایزنبرگ پس از بازدید طولانی از مؤسسه فیزیک نظری بور در دانشگاه کپنهاگ، به مطالعه در مورد شدت طیف الکترون که به‌عنوان یک نوسانگر هارمونیک در نظر گرفته می‌شود، پرداخت. موضع او مبنی بر این نظریه باید فقط بر کمیت‌های قابل مشاهده استوار می‌بود. او نتایج مطالعات خود بر این مسیٔله را تحت عنوان مقاله‌ای با «تفسیر مجدد کوانتومی-نظری روابط سینماتیکی و مکانیکی» در سال ۱۹۲۵ منتشر کرد.

فرمالیسم ورنر هایزنبرگ مبتنی بر ضرب جابه‌جا‌ناپذیر بود. در همان دوران، بورن به‌همراه دانشجویی به نام «پاسکوال جردن» دریافتند می‌توان این نتایج را در جبر ماتریسی بیان کرد. در ماه نوامبر همان سال، بورن، هایزنبرگ و جردن مقاله‌ای در باب «مکانیک کوانتومی» نوشتند که در آن دوران شهرت بسیاری یافت؛ به‌طوری که از آن به‌عنوان سند اساسی مکانیک کوانتومی جدید یاد می‌شد.

اصل عدم قطعیت ورنر هایزنبرگ

در آن سال‌ها، فرمول‌های دیگر مکانیک کوانتومی درحال ابداع بود: نماد براکت که با استفاده از بردارها در فضای هیلبرت توسعه یافت، یکی دیگر از پیشرفت‌های علم مکانیک کوانتومی بود. از سوی دیگر، معادله موج که توسط «اروین شرودینگر»، فیزیکدان اتریشی نوشته شده بود، به‌خوبی کار می‌کرد. شرودینگر در آن زمان نشان داد که در مکانیک کوانتومی فرمول‌های مختلف از نظر ریاضی معادل هم هستند؛ اگرچه اهمیت کشف این نکته در آن سال‌ها چندان مشخص نشد.

هایزنبرگ پس از مقاله مذکور در مکانیک کوانتومی، مطالعات خود را در این زمینه افزایش داد و موفق شد در سال ۱۹۲۷ مقاله‌ای تحت عنوان «محتوای ادراکی مکانیک کوانتومی نظری» بنویسد که سبب شهرت او در دنیای علم شد.

او در این مقاله به بیان «اصل عدم قطعیت» پرداخت. به گفته ورنر هایزنبرگ، مکانیک کوانتومی نشان داده است که تکانه و موقعیت یک ذره را نمی‌توان دقیقاً به‌طور هم‌زمان و با دقت یکسان اندازه‌گیری کرد. درعوض رابطه‌ای میان تغییرات این دو کمیت با مقدار ثابت عددی به نام «ثابت پلانک» وجود دارد که بیان می‌کند اگر عدم قطعیت در یک متغیر کاهش یابد، عدم قطعیت در کمیت دیگر متقابلاً افزایش می‌یابد. چنین رابطه مشابهی میان متغیرهای انرژی و زمان نیز وجود دارد.

هایزنبرگ از لحاظ فلسفی نتیجه‌گیری عمیقی کرد: تعیین دقیق وضعیت و ویژگی‌های یک سیستم فیزیکی غیرممکن است؛ زیرا نمی‌توان به‌صورت هم‌زمان موقعیت و حرکت را (به‌عنوان شرایط اولیه) با دقت بالا دانست. بنابراین استفاده از فرمول‌های احتمالی در نظریه اتمی از رابطه لزوماً نامعین میان متغیرها ناشی می‌شود.

جایزه نوبل

در سال ۱۹۲۷، هایزنبرگ بر کرسی استادی دانشگاه «لایپزیگ» نشست. هایزنبرگ در آن سال‌ها به مطالعه نظریه توصیف‌کننده هسته اتم روی آورد؛ زیرا به‌تازگی نوترون کشف شده بود و موضوع جذابی به‌نظر می‌رسید. او موفق به کشف نیرویی با نام «نیروی قوی» شد. این نیرو توصیف‌کننده مدل برهم‌کنشی میان پروتون و نوترون است.

ورنر هایزنبرگ درنهایت در سال ۱۹۳۲ جایزه نوبل فیزیک را از آن خود کرد.

از سوی دیگر، دیراک، جردن و «ولفگانگ پایٔولی» که روی ایجاد یک نظریه میدان کوانتومی مطالعه می‌کردند، موفق به دریافت جایزه نوبل سال ۱۹۳۳ شدند. در نظریه میدان کوانتومی تلاش می‌شود مکانیک کوانتومی و نظریه نسبیت با هدف درک تعامل میان ذرات و نیروها متحد شوند.

سروکله جنگ پیدا می‌شود!

در همان سالی که ورنر هایزنبرگ موفق به دریافت جایزه نوبل فیزیک شد، حزب نازی در آلمان قدرت می‌گرفت. این حزب که درحقیقت حزب برابری‌خواه طبقه کارگران آلمان بود، عقیده داشت نازی‌های «غیرآریایی» یا از نظر سیاسی غیرقابل اعتماد باید از جایگاه شغلی دولتی خود برکنار شوند - نازی‌ها عقیده داشت ریشه اصلی آن‌ها به آریایی‌ها بازمی‌گردد.

ازجمله کسانی که طبق این باور باید از استادی دانشگاه اخراج می‌شدند، بورن، اینشتین، شرودینگر و تعدادی از دانشجویان و همکاران هایزنبرگ در لایپزیگ بودند. هایزنبرگ تلاش داشت تا به‌صورت آرام و منطقی اعتراض خود را بیان کند، اما پس از ناامیدی از تغییر باور نازی‌ها، تنها امیدوار بود که حزب نازی به‌زودی از میان برداشته می‌شود.

در این سال‌ها او ظاهراً هرگز به خروج از آلمان فکر نمی‌کرد. اگرچه او مطمیٔناً می‌توانست در دانشگاه‌های ایالات‌متحده به سمت استادی برسد، اما با یک احساس قوی وفاداری ملی درگیر بود که سیاست را از عشق به میهن برای او جدا می‌کرد.

جنگ جهانی دوم

کشف شکافت هسته‌ای، هسته اتم را در مرکز توجه قرار داد. پس از تهاجم آلمان به لهستان در سال ۱۹۳۹، هایزنبرگ برای مطالعه روی مشکل انرژی هسته‌ای از سوی ارتش فراخوانده شد. او در ابتدا علاوه بر فعالیت علمی در دانشگاه لایپزیگ، در مؤسسه فیزیک «Kaiser Wilhelm» در برلین نیز حضور داشت تا مطالعات خود را ادامه دهد. سرانجام در سال ۱۹۴۲ به‌عنوان مدیر این مؤسسه انتخاب شد و نقش اصلی در تحقیقات هسته‌ای آلمان را بر عهده گرفت. با توجه به انگیزه حزب نازی، این موقعیت شغلی بسیار خطرناک بود.

البته گروه تحقیقاتی او در تولید یک رآکتور یا بمب اتمی ناموفق بود. برخی منتقدین باور داشتند عدم موفقیت او به‌دلیل علم کم او درزمینه بمب اتم بود. اما برخی دیگر عقیده دارند که او عمداً خرابکاری کرده است تا بمب اتم ساخته نشود. اما نمی‌توان از این نکته چشم‌پوشی کرد که اشتباهات مهمی در تحقیقات او وجود داشته که درنهایت منجر به عدم موفقیتش در این زمینه شده است.

بدین‌ترتیب، آشکار است که پروژه تسلیحات هسته‌ای آلمان به نسبت ایالات‌متحده چندان پیشرفت نکرد. اما عوامل خارج از کنترل هایزنبرگ نقش اساسی‌تری در نتیجه نهایی داشتند. وزیر تسلیحات و جنگ آلمان، پس از کنفرانسی در ۱۹۴۲، اعلام کرد تحقیقات رآکتور باید توسط دانشمندان دیگری ادامه یابد؛ حتی اگر احتمال ساخت بمب برای استفاده در جنگ جهانی دوم ناچیز باشد.

در طول سال‌های جنگ، بحث‌هایی پیرامون سخنرانی‌های ورنر هایزنبرگ در کشورهایی مانند دانمارک و هلند وجود داشت تا تحت سلطه آلمان درآیند. این سفرها لزوماً باید با تأیید مقامات آلمانی انجام می‌شد و از‌این‌رو نشان‌دهنده حمایت رهبران نازی از هایزنبرگ و بالعکس بود.

بدنام‌ترین سخنرانی او در سفری به کوپنهاگ در ۱۹۴۱ بود که در طی آن موضوع تحقیقات هسته‌ای را در گفت‌وگو با بور مطرح کرد و سبب نگرانی بور نسبت به جایگاهش شد. هرچند هایزنبرگ بعداً ادعا کرد تنها یک سوءتفاهم پیش آمده و هدف او به‌خطر‌انداختن موقعیت بور نبوده است.

در سال ۱۹۴۵، پس از بمباران اتمی هیروشیمای ژاپن و بازداشت هایزنبرگ توسط انگلیسی‌ها، مشخص شد ورنر هایزنبرگ هیچ درک درستی از برخی اصول اولیه طراحی بمب - مثلاً تعیین جرم بحرانی بمب - نداشته است.

ورنر هایزنبرگ در سال‌های پس از جنگ چه کرد؟

هایزنبرگ در سال ۱۹۴۶ توسط مقامات بریتانیایی آزاد شد و سمت مدیریتی در مؤسسه Kaiser Wilhelm را به‌دست آورد. این مؤسسه در همان سال‌ها به مؤسسه «ماکس پلانک» تغییر نام داده شد. در سال‌های پس از جنگ، ورنر هایزنبرگ سمت‌های مختلفی را به‌عنوان مدیر و سخنگوی دولت آلمان بر عهده گرفت که درحقیقت نقشی سیاسی بود و با مواضع او تا پیش از ۱۹۴۵ که فردی علمی بود، تفاوت داشت.

از آغاز سال ۱۹۵۲، او نقش مهمی در مشارکت آلمان در ایجاد مرکز تحقیقات هسته‌ای «سرن» داشت. او در سال ۱۹۵۳ به‌عنوان رئیس مؤسسه سومین شعبه بنیاد «هومبولت» برگزیده شد. این مؤسسه با کمک بودجه دولت، هزینه تحصیل محققان خارجی برای انجام تحقیقات در آلمان را تأمین می‌کرد.

فعالیت‌های هایزنبرگ به‌صورت موازی در دنیای علم و سیاست تا پایان عمر او ادامه داشت. ورنر هایزنبرگ درنهایت در سال ۱۹۷۶ در مونیخ آلمان درگذشت.