بیوگرافی ورنر هایزنبرگ، دانشمند آلمانی فیزیک هسته‌ای و پدر مکانیک کوانتوم

ورنر کارل هایزنبرگ (Werner Karl Heisenberg) یک فیزیک‌دان نظری آلمانی بود که در تاریخ در فهرست پیشگامان علم مکانیک کوانتوم قرار می‌گیرد. او مقاله‌ی اصلی و تاریخ‌ساز خود را در سال ۱۹۲۵ منتشر کرده و در سال‌های بعد به‌ کمک تحقیقات و مطالعات بزرگانی همچون مکس بورن و پاسکال جوردن، مفاهیم فرمول‌بندی ماتریسی مکانیک کوانتوم را تشریح کرد.

مشهورترین دستاور هایزنبرگ، تئوری عدم قطعیت او است که در سال ۱۹۲۷ در یک مقاله، شرح داده شد. او در سال ۱۹۳۲ مفتخر به دریافت جایزه‌ی نوبل شد که دلیل اصلی آن، تحقیقات در زمینه‌ی مکانیک کوانتوم بود. هایزنبرگ علاوه بر این موارد، در موضوعاتی همچون آشفتگی در علم سیالات، هسته‌‌ی اتم، فرومغناطیس، پرتوهای کیهانی و ذرات زیراتمی نیز تحقیقاتی را به عمل آورد.

هایزنبرگ یکی از عوامل طراحی و ساخت اولین رآکتور هسته‌ای آلمان غربی بود. او علاوه بر ساخت رآکتور اول در کارلسروهه، یک رآکتور تحقیقاتی نیز در مونیخ طراحی کرد. دانش هسته‌ای این فیزیک‌دان، او را به‌ عضویت تیم توسعه‌ی سلاح اتمی آلمان نازی در جنگ جهانی دوم نیز درآورد.

امضای ورنر هایزنبرگ

تولد و تحصیل

ورنر کارل هایزنبرگ در ۵ دسامبر سال ۱۹۰۱ در وورتسبورگ به دنیا آمد. پدرش، آگوست هایزنبرگ و مادرش آنا وکلین نام داشتند. پدر ورنر، یک معلم مدرسه بود و در زمان تولد او، در شرف تبدیل شدن به استاد در دانشگاه وورتسورگ قرار گرفت. ورنر یک برادر بزرگ‌تر به‌نام اروین داشت که در سال ۱۹۰۰ به‌دنیا آمده بود.

ورنر در سپتامبر سال ۱۹۰۶ و پیش از تولد ۵ سالگی، به مدرسه‌ی ابتدایی وورتسبورگ رفت. او ۳ سال در این مدرسه تحصیل کرد اما پس از آن، پدرش به کرسی تدریس تاریخ میانی و مدرن یونان در دانشگاه مونیخ رسید. چند ماه پس از نهایی شدن کرسی استادی آگوست، ورنر و بقیه‌ی اعضای خانواده به مونیخ رفتند. او در مونیخ به مدرسه‌ی Elisabethenschule و پس از یک سال تحصیل، به مدرسه‌ی مشهور آن شهر یعنی دبیرستان ماکسی‌میلیان رفت. پدربزرگ مادری او، مدیر این مدرسه بود.

زمینه‌های مورد علاقه‌ی هایزنبرگ، ریاضیات، فیزیک و مذهب بودند. البته نمرات او به‌ صورت کلی در همه‌ی دروس عالی بود. ورنر به‌قدری در ریاضیات استعداد و مهارت داشت که به یکی از اعضای فامیل که دانشجو بود، آموزش دروس ریاضی و حسابان می‌داد. ورنر در دوران دبیرستان علاوه بر تحصیل، عضو انجمنی بود که دانش‌آموزان نوجوان را برای خدمت آینده در ارتش، آماده می‌کرد.

ورنر در کنار پدر و برادر کوچک‌ترش

هایزنبرگ در فعالیت‌های فوق‌برنامه‌ی زیادی حضور داشت. او در برنامه‌های داوطلبانه برای کشاورزی در بهار و تابستان نیز ثبت‌نام کرده بود و بخشی از زمانش را در این مزرعه‌ها می‌گذراند. در یکی از این دوره‌های فوق‌برنامه، او در سال ۱۹۱۸ برای اولین بار از خانواده دور شد تا مدتی را در یک دامداری کار کند. کار در آن محل دشواری‌های زیادی را به‌همراه داشت و حتی غذای کافی نیز برای این دانش‌آموزان وجود نداشت.

ورنر در کنار کارهای دامداری به بازی کردن حرفه‌ای شطرنج و مطالعه‌ی ریاضیات نیز می‌پرداخت. در آن زمان علاقه‌ی او به نظریه‌ی اعداد بسیار افزایش یافته بود و آثار بزرگانی همچون کرونکر و فرمات، موضوع مطالعات او بودند.

پس از پایان جنگ جهانی اول در سال ۱۹۱۸، آلمان به صحنه‌ی نبرد نیروهای مختلف برای به‌دست گرفتن قدرت تبدیل شد. ورنر به یکی از نیروها با نام Bavarian Soviet ملحق شد. اگرچه مبارزات در آن دوران با جدیت انجام می‌شد، اما بسیاری از نوجوانان حاضر در نیروهای نظامی و شبه‌نظامی، به چشم یک تفریح به آن نگاه می‌کردند. ورنر در مورد آن زمان می‌گوید:

من یک پسربچه‌ی ۱۷ ساله بود. این کار را مانند یک ماجراجویی و در حد بازی دزد و پلیس می‌دیدم.

هایزنبرگ در دبیرستان مدیر یک انجمن دانش‌آموزی هم بود که بعدها به رهبری جنبش جوانان باواریایی تبدیل شد. او در سال‌های پایانی دبیرستان در امتحان‌های موسوم به Abitur شرکت و برای بورسیه‌ی ماکسی‌میلیان اقدام کرد. در نهایت، نمره‌های عالی ریاضی و فیزیک، ورنر را به این بورسیه رساند. این بورسیه، مسیر ورود ورنر به دانشگاه مونیخ را فراهم کرد.

ورنر در بین زمان پایان دبیرستان تا شروع دانشگاه، به‌خاطر یک سفر تفریحی به بیماری سخت حصبه مبتلا شد و به‌سختی از مرگ نجات پیدا کرد. به‌هرحال او پس از مداوا برای شرکت در کلاس‌های دانشگاه آماده شد. در تابستان سال ۱۹۲۰، ورنر بر حسب عادت و علاقه، به مطالعه‌ی ریاضیات می‌پرداخت. او تحقیقات و مقاله‌های ویل و باخمن را در دوران مطالعه مرور کرده بود و به دیدی کلی نسبت به نظریه‌ی اعداد رسید. همین مطالعات، بعدا زمینه‌ی پایان‌نامه‌ی دکترای ورنر را فراهم کردند.

مطالعات جدی در علم فیزیک

هایزنبرگ به‌همراه هم‌کلاسی‌اش پائولی و زیر نظر سامرفیلد، مطالعه‌ی فیزیک نظری را از اکتبر سال ۱۹۲۰ شروع کرد. او ابتدا در مورد فیزیک شک داشت و با شرکت جدی در کلاس‌های ریاضی، شانس بازگشت به این رشته، در صورت علاقه‌مند نشدن به فیزیک نظری را برای خودش زنده نگه داشت. البته او در کلاس‌های لیندمن شرکت نمی‌کرد و همین اقدام، زمینه‌های ریاضیاتی‌اش را از اعداد به هندسه تغییر داد.

پس از مدتی مطالعه‌ی فیزیک نظری، علاقه‌ی ورنر به این علم به‌حدی شد که در ترم‌های بعدی،‌ در همه‌ی کلاس‌های سامرفیلد ثبت‌نام کرد. مطالعه‌ی فیزیک تجربی نیز از دروس اجباری هایزنبرگ در دانشگاه بود و او در کنار این دروس، به تحقیقات در زمینه‌ی نسبیت نیز پرداخت. البته پائولی که در آن زمان، تحقیقات اصلی خود را در زمینه‌ی نسبیت انجام می‌داد، به ورنر پیشنهاد داد که این زمینه‌ی مطالعاتی را رها کند. او به ورنر توضیح داد که ساختارهای اتمی زمینه‌ای بهتر برای تحقیقات خواهد بود چرا که نظریه و علوم کاربردی در این بخش، هنوز فاصله‌ی زیادی با هم دارند.

هایزنبرگ در یکی از کتاب‌های خود با نام Physics and Beyond در مورد اولین روزها و ماه‌ها در دانشگاه می‌نویسد:

دو سال اول تحصیل من در دانشگاه مونیخ، در دو دنیای متفاوت سپری شد. یک دنیا، در کنار دوستانم در حرکت‌های سیاسی و دنیای دیگر، قلمروی انتزاعی فیزیک نظری بود. فعالیت من در هر دوی این زمینه‌های به‌حدی جدی بود که همیشه درگیر بودم. گاهی اوقات رفت‌وآمد بین فعالیت‌های این دو زمینه، بیش از حد زیاد و دشوار می‌شد.

در کنار بزرگان: نیلز بور و ولگانگ پائولی

تحقیقات جدی و ملاقات‌های سرنوشت‌ساز

هایزنبرگ پس از کسب مدرک دکترا سفری به فنلاند داشت و سپس، به‌عنوان دستیار بورن در گوتینگن به او ملحق شد. در مارس سال ۱۹۲۴، او ملاقاتی با نیلز بور داشت. این ملاقات در مؤسسه‌ی فیزیک نظری در کپنهاگ انجام شد و هایزنبرگ در آنجا، اینشتین را نیز ملاقات کرد. ورنر در کنار تحقیقات در گوتینگن، در آزمون تدریس در دانشگاه‌های آلمان موسوم به Habilitation نیز پذیرفته شد. او در مورد تحقیقات و تحصیل خود در جایی گفته است: «من خوش‌بینی را از سامرفیلد، ریاضیات را در گوتینگن و فیزیک را از بور آموختم.»

ملاقات با بور باعث شد که هایزنبرگ از میانه‌ی سال ۱۹۲۴ تا ۱۹۲۵ در کنار نیلز بور به تحقیقات بپردازد و سپس به گوتینگن بازگردد. این تحقیقات و مطالعات بعدی باعث شد تا اولین نسخه از مکانیک کوانتوم به‌ صورت مکانیک ماتریسی توسط او معرفی شود. البته او ابتدا ماهیت ماتریسی این یافته‌ها را درک نکرد. تمرکز ورنر روی زمینه‌های احتمالاتی این پدیده‌ها بود که در نهایت، به مفاهیم جبر ناجابجایی منجر شد. بورن و پاسکال جوردن کسانی بودند که این جبر را به‌صورت مفاهیم ماتریسی تعریف کردند.

جایزه‌ی نوبل سال ۱۹۳۲، به‌خاطر تحقیقات هایزنبرگ در کنار دانشمندان دیگر در زمینه‌ی مکانیک کوانتوم به او اهدا شد. در متن این تقدیرنامه آمده است: «خلق مکانیک کوانتوم و کاربردهای بعدی آن و همچنین کشف حالت‌های آلوتروپیک هیدروژن»

ورنر هایزنبرگ و نیلز بور

عدم قطعیت

هایزنبرگ علاوه بر جایزه‌ی نوبل و مکانیک کوانتوم، با نظریه‌ی عدم قطعیت نیز به شهرت زیادی رسید. او در سال ۱۹۲۷ این نظریه را مطرح کرد. در متن این تئوری آمده است که کشف موقعیت و سرعت یک ذره، به‌طور ذاتی خطاهایی دارد که حاصل آنها، کمتر از ثابت کوانتومی h نخواهد بود. این خطاها به‌طور کلی قابل اغماض هستند اما در زمان مطالعه‌ی ذرات بسیار ریز مانند اتم، حیاتی خواهند بود.

در سال ۱۹۳۵، طبق قانون حکومت نازی اعلام شد که اساتید با سن بیشتر از ۶۵ سال باید بازنشسته شوند. سامرفیلد در آن زمان ۶۶ ساله بود و هایزنبرگ را برای جایگزینی خود معرفی کرد. منتها در آن سال‌ها، نازی‌ها در تلاش بودند تا مفاهیم ریاضی و فیزیک یهودی را با مفاهیم آلمانی جایگزین کنند. آنها نظریه‌های نسبیت و کوانتوم را در دسته‌بندی یهودی قرار دادند و به‌همین دلیل، هایزنبرگ باوجود علاقه‌ی شدید، از رسیدن به کرسی مونیخ، بازماند. اگرچه این دانشمند آلمانی، یهودی نبود، اما زمینه‌های مطالعاتی‌اش منجر به انتقادهای شدید به او در سانه‌ها و نسبت دادن تفکرات یهودی به او شد.

مدلی از رآکتور شکست‌خورده‌ی آلمانی‌ها

جنگ جهانی دوم و سلاح اتمی آلمانی‌ها

شکافت هسته‌ای، یکی از اکتشافات بزرگ قرن بیستم بود که هسته‌ی اتم را به مرکز توجه مطالعات و تحقیقات تبدیل کرد. پس از اشغال لهستان توسط آلمان در سال ۱۹۳۹، هایزنبرگ به پروژه‌ی سلاح اتمی آلمان فراخوانده شد. او در آن زمان بین لایپزیک و برلین در رفت‌وآمد بود تا فعالیت‌های تدریس و مدیریت خود را به‌صورت همزمان انجام دهد. فعالیت‌های او در آن سال‌ها، هایزنبرگ را به یکی از پیشگامان تحقیقات هسته‌ای آلمان تبدیل کرد.

با کمی توجه به اعتقادات نازی‌ها و تصمیم‌های قبلی آن‌ها، متوجه تصمیم بحث‌برانگیز آنها در انتخاب هایزنبرگ به‌ عنوان رهبر تحقیقات می‌شویم. به‌ هرحال او و تیمش در ساخت رآکتور هسته‌ای یا بمب اتم موفق نشدند. برخی منابع تاریخی، عدم صلاحیت هایزنبرگ را دلیل عدم موفقیت تیم می‌دانند. برخی دیگر نیز معتقدند او به‌عمد، تحقیقات و اجرایی کردن آنها را به‌تعویق می‌انداخته است.

آمریکایی‌ها برای توسعه‌ی سلاح‌های اتمی، همکاری زیادی با دیگران داشتند. درحالی‌که در آلمان، بروکراسی شدید اداری و عدم همکاری بین‌المللی، در تمام جزئیات پروژه مشهود بود. مواد اولیه‌ی لازم این تحقیقات، به‌خاطر حملات شدید نیروهای متفقین به زیرساخت‌های حمل‌ونقل در آلمان، به‌سختی یافت می‌شد. به‌علاوه، استراتژی‌های آن زمان نظام آلمان نیز، اولویت این تحقیقات را پایین‌تر از موارد دیگر ترسیم می‌کرد.

سرانجام در سال ۱۹۴۲، آلبرت شپر وزیر جنگ آلمان اعلام کرد که تحقیقات در این زمینه ادامه پیدا خواهد کرد اما بمبی برای استفاده در جنگ، ساخته نمی‌شود. شروع پروژه‌ی منهتن در آمریکا نیز تقریبا همزمان با این عقب‌نشینی آلمانی‌ها بود. البته آمریکایی‌ها نیز تا پیش از تسلیم شدن آلمان در جنگ، موفق به ساخت بمب اتم نشدند.

در کنار فرمی و پائولی

سخرانی‌های هایزنبرگ در کشورهایی همچون هلند و دانمارک در زمان جنگ نیز، او را هدف انتقادات تند قرار داد. البته این سفرهای تحقیقاتی پس از تأیید مقامات آلمانی انجام می‌شد و به‌همین دلیل، همکاران هایزنبرگ در کشورهای اشغال شده، بر این تصور بودند که رهبران نازی، از هایزنبرگ حمایت می‌کنند و او نیز چنین حمایتی از آنها دارد.

بدترین چالش هایزنبرگ در موضوع فوق، سفری به کپنهاگ در سپتامبر سال ۱۹۴۱ بود. او در این سفر، یک مجادله‌ی جدی با بور داشت و تحقیقات پیرامون سلاح‌های اتمی را به‌شدت محکوم کرد. البته او بعدها اعلام کرد که این مجادله بر اثر سوءتفاهم بوده است اما جزئیات این بحث، هیچ‌گاه فاش نشد.

هایزنبرگ در سال ۱۹۴۵ توسط نیرو‌های اطلاعاتی آمریکایی دستگیر شده و به‌همراه تعداد زیادی دیگر از دانشمندان آلمانی، به انگلستان فرستاده شد. به‌هرحال گفتگوهای این دانشمندان پس از انفجار بمب اتم هیروشیما این نکته را مشخص کرد که او حتی دانش اولیه‌ی لازم برای طراحی بمب را نداشته است. البته هایزنبرگ پس از چند روز،‌ بسیاری از مشکلات طراحی این بمب را حل کرد.

سال‌های پس از جنگ

هایزنبرگ در ژانویه‌ی سال ۱۹۴۶ از حبس انگلیسی‌های آزاد شد. او به‌سرعت به شغل قبلی خودش یعنی مدیریت مؤسسه‌ی کایزر ویلهلم بازگشت. این مؤسسه پس از مدتی به مؤسسه‌ی فیزیک مکس پلانک تغییر نام داد و تا امروز نیز با همین نام در گوتینگن فعال است. پدر مکانیک کوانتوم در سال‌های پس از جنگ جهانی دوم،‌ فعالیت‌های نزدیک به سیاست زیادی داشت. او به‌عنوان سخنگوی علمی دولت آلمان غربی و مدیر سازمان‌های مختلف علمی این کشور فعالیت می‌کرد. این رویه، بسیار با دوران قبل از سال ۱۹۴۵ او متفاوت بود.

هایزنبرگ به‌همراه خانواده در مراسم چای ژاپنی

در سال ۱۹۴۹، سازمانی با نام شورای تحقیقات آلمان شروع به کار کرد که اولین مدیر آن، ورنر هایزنبرگ بود. این شورا، ترکیبی از انجمن مکس پلانک و آکادمی‌های متعدد علمی در آلمان غربی بود. هدف نهایی شورا، ترویج علم آلمانی‌ها در جهان و همچنین تلاش برای دریافت بودجه‌های عملیاتی از دولت بود. البته این شورا بسیار زود با یکی از قدیمی‌ترین سازمان‌های علمی آلمان دچار تداخل و درگیری شد.

یکی از اقدامات تأثیرگذار دیگر هایزنبرگ پس از جنگ، مشارکت از طرف آلمانی‌ها برای تأسیس مرکز تحقیقات هسته‌ای اروپا یا CERN بود. به‌ هرحال فعالیت‌های این دانشمند هسته‌ای در کنار دولت فدرال آلمان در آن سال‌ها، با قدرت ادامه پیدا کرد؛ اما او از منقدان دولت نیز بود. هایزنبرگ در بیانه‌های متعدد به‌همراه دانشمندان هسته‌ای دیگر، از روند دولت در خرید سلاح‌های هسته‌ای از آمریکایی‌ها انتفاد می‌کرد.

مراسم عروسی ورنر هایزنبرگ و الیزابت شوماخر

زندگی شخصی و مرگ

ورنر هایزنبرگ در سال ۱۹۳۷ با الیزابت شوماخر در جریان یک کلاس موسیقی آشنا شد. موسیقی یکی از تفریحات همیشگی هایزنبرگ بود. الیزابت، دختر یک استاد اقتصاد مشهور در برلین و برادرش نیز در همین زمینه مؤلف کتاب بود. هایزنبرگ در ۲۹ آوریل آن سال با او ازدواج کرد و در ژانویه‌ی سال بعد، دوقلوهای این زوج به‌ نام ماریا و ولفگانگ متولد شدند.

هایزنبرگ علاوه بر فیزیک، دستی نیز در فلسفه داشت. او که از کودکی یک مسیحی لوترانیسم بود، نظراتی نیز در مورد ارتباط مذهب با علم بیان می‌کرد. او ارتباط بین اخلاق و تفکر دینی را با علم، به زبان خودش تفسیر می‌کرد و در برخی موارد، نزدیکی و دوری این دو نوع تفکر ذهنی را بررسی کرده است. به‌هرحال، او در زمان تحصیل در مونیخ و گوتینگن، با اساتید و هم‌کلاسی‌های خود، بحث‌های فلسفی و بررسی‌های عمیق زیادی داشت.

هایزنبرگ در سال‌های پایانی دهه‌ی ۶۰ زندگی خود، یک اتوبیوگرافی نوشت. این کتاب در سال ۱۹۶۹ به زبان آلمانی، در سال ۱۹۷۱ به زبان انگلیسی و در سال‌های بعد به زبان‌های دیگر منتشر شد. پروژه‌ی نوشتن این کتاب، از سال ۱۹۶۶ شروع شد و جنبه‌های مختلفی را از تاریخچه‌ی فلسفی تا علمی و نظرات شخصی او را در بر دارد. ورنر هایزنبرگ در یکم فوریه‌ی سال ۱۹۷۶ در اثر سرطان کلیه و صفرا از دنیا رفت. پیکر او در گورستان والدفریدهوف در مونیخ به خاک سپرده شد.

از جوایز و افتخاراتی که به این فیزیک‌دان بزرگ اهداء شده است می‌توان به دکترای افتخاری دانشگاه‌های بروکسل، کارلسروهه و اوتوس لوراند اشاره کرد. علاوه بر جایزه‌ی نوبل نیز جوایزی همچون رومانو گواردینی، نشان افتخار شایستگی جمهوری فدرال آلمان، مدال پور لی میریت، عضویت افتخاری انجمن سلطنتی علوم بریتانیا و مدال مکس پلانک، به این دانشمند فیزیک اهدا شد.