Werner Karl Heisenberg

5. 12. 1901–1. 2. 1976

Německý teoretický fyzik Werner Karl Heisenberg patří k zakladatelům moderní kvantové mechaniky. Proslul maticovou mechanikou a principem neurčitosti, který zásadně změnil představu o měření a o tom, co lze v mikrosvětě současně přesně určit.

Narodil se 5. prosince 1901 ve Würzburgu v rodině Augusta Heisenberga, profesora řečtiny na Univerzitě v Mnichově, a Annie Weckleinové. Vyrůstal v akademickém prostředí, studoval na Maximiliansgymnasium v Mnichově a od roku 1920 pokračoval ve fyzice na mnichovské univerzitě.

V letech 1922–1923 působil také v Göttingenu. Roku 1923 získal na Univerzitě v Mnichově doktorát a stal se asistentem Maxe Borna v Göttingenu. V letech 1924–1925 pracoval u Nielse Bohra v Kodani. Roku 1927 byl jmenován profesorem teoretické fyziky na Univerzitě v Lipsku.

V roce 1937 se oženil s Elisabeth Schumacherovou. Měli spolu sedm dětí. Během druhé světové války působil v německém jaderném programu. Po válce byl společně s dalšími německými vědci internován spojenci v Anglii v rámci operace Farm Hall. Po návratu do Německa se podílel na obnově vědeckého výzkumu a vedl Institut Maxe Plancka pro fyziku.

Proč má Heisenberg místo mezi fyziky

Heisenberg patří mezi fyziky, kteří změnili samotný jazyk fyziky. Klasická mechanika popisovala pohyb částic pomocí drah, poloh a rychlostí. Kvantová mechanika ukázala, že v atomárním měřítku takový obraz nestačí. Heisenbergova maticová mechanika, Bornova pravděpodobnostní interpretace, Schrödingerova vlnová mechanika a Diracova formulace vytvořily nový rámec pro popis atomů, záření i elementárních částic.

Heisenbergův význam nespočívá jen v jednom vzorci. Pomohl prosadit představu, že měřitelné veličiny v kvantové teorii nemusejí být obyčejná čísla, která lze libovolně zaměňovat. Pořadí měření a operací může mít fyzikální význam.

Maticová mechanika

V roce 1925 formuloval Heisenberg maticovou mechaniku, jednu z prvních matematicky ucelených podob kvantové teorie. Místo představ o nepozorovatelných drahách elektronů v atomu pracoval s veličinami spojenými s pozorovatelnými přechody mezi energetickými stavy.

Max Born a Pascual Jordan brzy rozpoznali, že Heisenbergův postup lze vyjádřit pomocí matic. V maticové mechanice obecně záleží na pořadí násobení veličin. Právě tato nekomutativnost je jedním z matematických kořenů principu neurčitosti.

Německý jaderný program a Farm Hall

Za druhé světové války patřil Heisenberg k hlavním vědeckým osobnostem německého jaderného výzkumu. Téma je historicky citlivé, protože se dotýká otázky, co němečtí fyzici věděli, co dokázali technicky uskutečnit a jak sami po válce svou roli vykládali.

Německý program nevedl k sestrojení atomové bomby. Po skončení války byli Heisenberg a další vědci internováni v britském sídle Farm Hall, kde byly jejich rozhovory tajně zaznamenávány. Pozdější publikace těchto záznamů se stala důležitým pramenem pro historiky vědy.

Další vědecká práce

Heisenberg se kromě kvantové mechaniky věnoval feromagnetismu, jaderné fyzice, kosmickému záření a teorii elementárních částic. V pozdějších letech se pokoušel o jednotnější popis základních částic, i když tyto snahy nezískaly význam srovnatelný s jeho prací z 20. let.

Ocenění a uznání

Heisenbergův přínos zásadně ovlivnil podobu moderní fyziky. Jeho maticová mechanika a princip neurčitosti patří k základním kamenům kvantové teorie. Nejde o pouhé historické pojmy; tvoří součást současného popisu atomů, molekul, pevných látek i částicové fyziky.

V roce 1932 mu byla udělena Nobelova cena za fyziku za vytvoření kvantové mechaniky, jejíž aplikace vedly mimo jiné k objevu alotropických forem vodíku. Ocenění se vztahovalo především k založení nové kvantové mechaniky, nikoli pouze k samotnému principu neurčitosti.

Werner Karl Heisenberg zemřel 1. února 1976 v Mnichově.

Pojmenováno po něm

• Heisenbergův princip neurčitosti – základní vztah kvantové mechaniky mezi neurčitostmi některých dvojic veličin
• Heisenbergova maticová mechanika – jedna z prvních matematických formulací kvantové teorie
• Heisenbergův obraz – formulace kvantové mechaniky, v níž se časově vyvíjejí operátory veličin
• Heisenbergova rovnice pohybu – kvantová obdoba rovnic popisujících časový vývoj fyzikálních veličin
• Heisenbergův model feromagnetismu – model výměnné interakce spinů v magnetických látkách

Časté otázky

Co říká Heisenbergův princip neurčitosti?

Říká, že některé dvojice veličin, například poloha a hybnost částice, nelze v kvantové mechanice současně určit s libovolnou přesností.

Znamená princip neurčitosti jen chybu měření?

Ne. Nejde pouze o nedokonalý přístroj, ale o základní vlastnost kvantového popisu mikrosvěta.

Za co dostal Heisenberg Nobelovu cenu?

Nobelovu cenu za fyziku obdržel za vytvoření kvantové mechaniky a za její aplikace, které mimo jiné vedly k objevu alotropických forem vodíku.

Byl Heisenberg autorem jediné verze kvantové mechaniky?

Ne. Heisenberg vytvořil maticovou mechaniku. Vedle ní vznikla Schrödingerova vlnová mechanika a Diracova obecnější formulace. Tyto přístupy se ukázaly jako vzájemně související.

Souvislosti

• Werner Heisenberg – NobelPrize.org
• Werner Heisenberg – Britannica
• Uncertainty principle – Britannica
• Werner Heisenberg – MacTutor History of Mathematics

Navazující osobnosti na webu

• Niels Bohr – kodaňské prostředí a výklad kvantové teorie
• Max Born – Göttingen a pravděpodobnostní interpretace kvantové mechaniky
• Paul Dirac – obecnější formulace kvantové mechaniky a relativistická rovnice elektronu
• Wolfgang Pauli – vylučovací princip a kvantová teorie
• Erwin Schrödinger – vlnová mechanika
• Robert Oppenheimer – jaderná fyzika a válečný výzkum
• Max Planck – počátky kvantové teorie

Použity zdroje publikované na serverech NobelPrize.org, Britannica a MacTutor History of Mathematics.