Werner Heisenberg
Obsah boxu
Werner Karl Heisenberg (* 5. prosince 1901, Würzburg – 1. února 1976, Mnichov) byl německý teoretický fyzik, jeden z hlavních zakladatelů kvantové mechaniky a autor slavného principu neurčitosti. Za svůj přínos k vytvoření kvantové mechaniky obdržel v roce 1932 Nobelovu cenu za fyziku. Jeho role v německém jaderném programu během druhé světové války je dodnes předmětem diskusí a kontroverzí.
📜 Život
👨🎓 Mládí a studium
Werner Heisenberg se narodil ve Würzburgu v Německu do rodiny Augusta Heisenberga, profesora klasické filologie, a Anny Weckleinové. Vzdělání a intelektuální prostředí hrály v jeho dětství klíčovou roli. V roce 1920 začal studovat fyziku na Univerzitě v Mnichově pod vedením proslulého Arnolda Sommerfelda. Již během studií projevoval mimořádný talent pro teoretickou fyziku. Později pokračoval ve studiu na Univerzitě v Göttingenu, která byla v té době světovým centrem teoretické fyziky, kde studoval u Maxe Borna a Jamese Francka. Doktorát získal v roce 1923 ve věku pouhých 22 let.
Následně úzce spolupracoval s Nielsem Bohrem v Kodani, dalším klíčovém centru pro rozvoj nové fyziky. Tato spolupráce měla zásadní vliv na jeho myšlení a vědeckou kariéru.
👨👩👧👦 Osobní život
V roce 1937 se oženil s Elisabeth Schumacherovou, se kterou měl sedm dětí. Jedním z jeho synů je neurobiolog a genetik Martin Heisenberg. Navzdory politickému tlaku a nebezpečí se rozhodl zůstat v Německu i během nacistického režimu, což ovlivnilo jeho poválečnou reputaci.
⚛️ Vědecká kariéra
🔢 Maticová mechanika
V roce 1925, během pobytu na ostrově Helgoland, kde se léčil se sennou rýmou, učinil Heisenberg zásadní průlom. Zformuloval první matematicky konzistentní verzi kvantové mechaniky, známou jako maticová mechanika. Tento formalismus opustil klasické představy o drahách a pozicích elektronů a místo toho pracoval s pozorovatelnými veličinami, jako jsou frekvence a intenzity spektrálních čar. Jeho myšlenky dále rozpracovali Max Born a Pascual Jordan v Göttingenu a dali jim pevný matematický základ pomocí matic. Tento objev znamenal revoluci ve fyzice a otevřel dveře k popisu atomárního světa.
🎲 Princip neurčitosti
V roce 1927 formuloval svůj nejslavnější objev, princip neurčitosti (někdy též relace neurčitosti). Tento princip je jedním ze základních pilířů kvantové mechaniky a říká, že není možné současně s libovolnou přesností určit některé páry fyzikálních veličin, například polohu a hybnost částice. Čím přesněji známe polohu částice, tím méně přesně můžeme znát její hybnost a naopak.
Matematicky je vyjádřen vztahem:
kde je neurčitost v poloze, je neurčitost v hybnosti a je redukovaná Planckova konstanta. Tento princip nemá v klasické fyzice obdobu a zásadně mění naše chápání reality na subatomární úrovni.
🏆 Nobelova cena
Za "vytvoření kvantové mechaniky, jejíž aplikace vedla mimo jiné k objevu alotropických forem vodíku" mu byla udělena Nobelova cena za fyziku za rok 1932 (cenu převzal v roce 1933). Jeho práce byla oceněna jako jeden z největších intelektuálních úspěchů 20. století.
🏛️ Role za druhé světové války
Heisenbergova role během druhé světové války je jedním z nejdiskutovanějších témat v historii vědy. Po vypuknutí války se stal vedoucí osobností německého jaderného programu, známého jako Uranverein (Uranový spolek). Cílem projektu bylo prozkoumat možnosti vojenského využití jaderného štěpení, které bylo objeveno v roce 1938 Otto Hahnem a Fritzem Strassmannem.
🤝 Setkání s Bohrem v Kodani
V září 1941 Heisenberg navštívil svého mentora a přítele Nielse Bohra v okupované Kodani. Obsah jejich soukromého rozhovoru je dodnes záhadou a předmětem spekulací. Heisenberg později tvrdil, že se snažil Bohrovi naznačit, že Německo pracuje na jaderné zbrani, a chtěl se dohodnout s vědci na straně Spojenců, aby vývoj bomby zastavili. Bohr si však rozhovor pamatoval jinak – měl pocit, že se ho Heisenberg snažil přesvědčit o nevyhnutelnosti německého vítězství a zapojit ho do německého projektu. Tato událost byla námětem slavné divadelní hry Kodaň od Michaela Frayna.
🇬🇧 Operace Epsilon a Farm Hall
Po skončení války v Evropě byl Heisenberg spolu s dalšími devíti předními německými vědci zajat a internován v Anglii na venkovském sídle Farm Hall v rámci Operace Epsilon. Jejich rozhovory byly tajně nahrávány. Z nahrávek vyplynulo, že němečtí vědci byli šokováni, když se dozvěděli o svržení atomové bomby na Hirošimu. Záznamy také naznačují, že jejich chápání fyziky kritického množství pro sestrojení bomby bylo neúplné, což vedlo k debatám, zda německý program selhal kvůli nedostatku znalostí, nebo zda jej vědci, včetně Heisenberga, úmyslně sabotovali.
🕊️ Poválečné období a odkaz
Po svém propuštění se Heisenberg aktivně podílel na obnově německé vědy. Stal se ředitelem Fyzikálního ústavu Maxe Plancka v Göttingenu a později v Mnichově.
V roce 1957 byl jedním z autorů Göttingenského manifestu, ve kterém 18 předních západoněmeckých jaderných fyziků vystoupilo proti plánům na vyzbrojení západoněmecké armády Bundeswehr taktickými jadernými zbraněmi.
Heisenbergův vědecký odkaz je nesmírný. Jeho práce položila základy moderní fyziky a ovlivnila celé generace vědců. Kromě vědeckých prací napsal i několik filozofických knih, například Fyzika a filosofie, ve kterých se zamýšlel nad důsledky kvantové teorie pro lidské poznání a chápání světa.
🔬 Pro laiky
Některé Heisenbergovy myšlenky mohou znít složitě, ale dají se vysvětlit i jednodušeji.
- Kvantová mechanika: Představte si, že klasická fyzika popisuje svět jako kulečníkový stůl, kde přesně víte, kde každá koule je a kam poletí. Kvantová mechanika popisuje svět na úrovni atomů spíše jako hru v kostky. Nevíte jistě, co padne, ale můžete spočítat pravděpodobnost, že padne šestka. Podobně u elektronu nevíme přesně, kde je, ale můžeme spočítat pravděpodobnost, že ho najdeme na určitém místě.
- Princip neurčitosti: Představte si, že se snažíte zjistit, kde přesně je velmi malý a rychlý míček v temné místnosti. Jediný způsob, jak ho najít, je posvítit na něj baterkou. Světlo z baterky (foton) do míčku narazí a odrazí se do vašeho oka, takže víte, kde byl. Ale tím, jak do něj foton narazil, změnil jeho rychlost a směr letu (hybnost). Takže čím přesněji jste ho lokalizovali, tím víc jste ovlivnili jeho pohyb. Princip neurčitosti říká, že tento problém není dán nedokonalostí našich přístrojů, ale je to základní vlastnost přírody.