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BIOGRAPHIES DE GRANDS SCIENTIFIQUES
Heisenberg Werner Carl. Biographie d'un scientifique
Annuaire / Biographies de grands scientifiques
Werner Heisenberg était l'un des plus jeunes scientifiques à avoir remporté le prix Nobel. La détermination et un fort esprit de compétition l'ont inspiré à découvrir l'un des principes scientifiques les plus célèbres - le principe d'incertitude. Werner Karl Heisenberg est né le 5 décembre 1901 dans la ville allemande de Würzburg. Le père de Werner, August, grâce à une activité scientifique réussie, a réussi à s'élever au niveau des représentants de la classe supérieure de la bourgeoisie allemande. En 1910, il devient professeur de philologie byzantine à l'Université de Munich. La mère du garçon était née Anna Weklein. Dès la naissance de Werner, sa famille a fermement décidé que lui aussi devait atteindre une position sociale élevée grâce à l'éducation. Estimant que la rivalité devrait être propice au succès en science, son père a provoqué Werner et son frère aîné Erwin dans une compétition constante. Pendant de nombreuses années, les garçons se sont souvent battus et un jour, la rivalité les a amenés à un tel combat qu'ils se sont frappés avec des chaises en bois. En grandissant, chacun d'eux a suivi son propre chemin: Erwin est allé à Berlin et est devenu chimiste, ils n'ont presque pas communiqué, à part de rares réunions de famille. En septembre 1911, Werner est envoyé dans un prestigieux gymnase. En 1920, Heisenberg entre à l'Université de Munich. Après avoir obtenu son diplôme, Werner a été nommé assistant du professeur Max Born à l'Université de Göttingen. Born était convaincu que le microcosme atomique est si différent du macrocosme décrit par la physique classique que les scientifiques ne devraient même pas penser à utiliser les concepts habituels de mouvement et de temps, de vitesse, d'espace et d'une certaine position des particules lorsqu'ils étudient la structure de l'atome. La base du micromonde est les quanta, qui n'auraient pas dû être tentés d'être compris ou expliqués à partir des positions visuelles de classiques obsolètes. Cette philosophie radicale trouva un écho chaleureux dans l'âme de son nouvel assistant. En effet, l'état de la physique atomique à cette époque ressemblait à une sorte d'amas d'hypothèses. Maintenant, si quelqu'un pouvait prouver par expérience qu'un électron est vraiment une onde, ou plutôt, à la fois une particule et une onde... Mais il n'y a pas encore eu de telles expériences. Et si tel est le cas, il était alors incorrect de partir des seules hypothèses de ce qu'est un électron, selon le pédant Heisenberg. Est-il possible de créer une théorie dans laquelle il n'y aurait que des données expérimentales connues sur l'atome, obtenues en étudiant la lumière émise par celui-ci ? Que pouvez-vous dire à propos de cette lumière avec certitude? Qu'il ait telle fréquence et telle intensité, pas plus... Selon la théorie quantique, un atome émet de la lumière en passant d'un état énergétique à un autre. Et selon la théorie d'Einstein, l'intensité de la lumière d'une certaine fréquence dépend du nombre de photons. Cela signifie qu'il était possible d'essayer de relier l'intensité du rayonnement à la probabilité de transitions atomiques. Les oscillations quantiques des électrons, assura Heisenberg, ne doivent être représentées qu'à l'aide de relations purement mathématiques. Il suffit de choisir l'appareil mathématique approprié pour cela. Le jeune scientifique a choisi les matrices. Le choix s'est avéré fructueux, et bientôt sa théorie était prête. Les travaux de Heisenberg ont jeté les bases de la science du mouvement des particules microscopiques - la mécanique quantique. Il ne mentionne aucun mouvement de l'électron. Le mouvement au sens ancien du terme n'existe pas. Les matrices décrivent simplement les changements d'état du système. Par conséquent, les questions controversées sur la stabilité de l'atome, sur la rotation des électrons autour du noyau, sur son rayonnement disparaissent d'elles-mêmes. Au lieu d'une orbite dans la mécanique de Heisenberg, un électron est caractérisé par un ensemble ou un tableau de nombres individuels, comme des coordonnées sur une carte géographique. Il faut dire que la mécanique matricielle est apparue très opportunément. Les idées de Heisenberg ont été reprises par d'autres physiciens et bientôt, selon Bohr, elles ont acquis "une forme qui, dans sa complétude logique et sa généralité, pourrait rivaliser avec la mécanique classique". Cependant, il y avait une circonstance déprimante dans le travail de Heisenberg. Selon lui, il n'a pas réussi à dériver un spectre simple de l'hydrogène à partir de la nouvelle théorie. Et quelle ne fut pas sa surprise lorsque, quelque temps après la publication de son ouvrage... " Pauli me fit une surprise : la mécanique quantique achevée de l'atome d'hydrogène. Ma réponse du 3 novembre commençait par les mots : " Il n'est guère nécessaire de écrivez combien je me réjouis de la nouvelle théorie de l'atome d'hydrogène et quelle est ma surprise que vous ayez pu la développer si rapidement"". Presque à la même époque, le physicien anglais Dirac travaillait lui aussi sur la théorie de l'atome à l'aide de la nouvelle mécanique. Heisenberg et Dirac avaient tous deux des calculs extrêmement abstraits. Aucun d'entre eux n'a précisé l'essence des symboles utilisés. Et seulement à la fin des calculs, tout leur schéma mathématique a donné le bon résultat. L'appareil mathématique utilisé par Heisenberg et Dirac pour développer les théories de l'atome dans la nouvelle mécanique était à la fois inhabituel et complexe pour la plupart des physiciens. Sans parler du fait qu'aucun d'entre eux, malgré toutes les ruses, n'a pu s'habituer à l'idée qu'une onde est une particule, et qu'une particule est une onde. Comment imaginer un tel loup-garou ? Erwin Schrödinger, qui travaillait à l'époque à Zurich, a abordé les problèmes de la physique atomique sous un tout autre angle et avec des objectifs différents. Son idée était que toute matière en mouvement peut être considérée comme des ondes. Si cela est vrai, alors Schrödinger transformait les fondements de la mécanique matricielle de Heisenberg en quelque chose de complètement inacceptable. En mai 1926, Schrödinger a publié une preuve que ces deux approches concurrentes étaient essentiellement mathématiquement équivalentes. Heisenberg et d'autres adeptes de la mécanique matricielle ont immédiatement commencé à se battre pour défendre leur concept, et des deux côtés, il a pris une coloration de plus en plus émotionnelle. À la défense de cette approche, ils ont misé leur avenir. Schrödinger, d'autre part, a risqué sa réputation en abandonnant les concepts apparemment irrationnels de discrétion et de sauts quantiques et en revenant aux lois physiques du mouvement continu, causal et rationnel des ondes. Aucune des deux parties n'était disposée à faire des concessions, ce qui signifierait la reconnaissance de la supériorité professionnelle des adversaires. L'essence même et l'orientation future de la mécanique quantique sont soudainement devenues un sujet de controverse dans le monde scientifique. Ce conflit a été encore intensifié par l'émergence d'ambitions de carrière de la part de Heisenberg. Quelques semaines seulement avant que Schrödinger ne publie une preuve de l'équivalence des deux approches, Heisenberg a démissionné de son poste de professeur à l'Université de Leipzig en faveur d'une collaboration avec Bohr à Copenhague. Un Weklein sceptique, le grand-père de Werner, se précipita à Copenhague pour essayer de convaincre son petit-fils de sa décision; c'est alors qu'apparaissent les travaux de Schrödinger sur l'équivalence des deux approches. La pression renouvelée du défi de Weklein et Schrödinger aux principes fondamentaux de la physique des matrices a conduit Heisenberg à redoubler d'efforts et à essayer de faire le travail à un niveau si élevé qu'il serait largement accepté par les spécialistes et finirait par obtenir une place dans un autre département. Cependant, au moins trois événements survenus en 1926 lui firent ressentir un énorme fossé entre ses idées et le point de vue de Schrödinger. La première est une série de conférences données par Schrödinger à Munich fin juillet et consacrées à sa nouvelle physique. Dans ces conférences, le jeune Heisenberg a fait valoir devant un public nombreux que la théorie de Schrödinger n'expliquait pas certains phénomènes. Cependant, il n'a réussi à convaincre personne et a quitté la conférence dans un état dépressif. Puis, lors d'une conférence d'automne de scientifiques et de médecins allemands, Heisenberg a été témoin d'un soutien complet et, de son point de vue, erroné, des idées de Schrödinger. Enfin, à Copenhague en septembre 1926, une discussion éclata entre Bohr et Schrödinger, dans laquelle aucune des deux parties ne réussit. En conséquence, il a été reconnu qu'aucune des interprétations existantes de la mécanique quantique ne peut être considérée comme tout à fait acceptable. Poussé dans son travail par divers motifs - personnels, professionnels et scientifiques - Heisenberg donna de manière inattendue l'interprétation nécessaire en février 1927, formulant le principe d'incertitude et ne doutant pas de son exactitude. Dans une lettre à Pauli datée du 23 février 1927, il donne presque tous les détails essentiels de l'article "Sur l'interprétation théorique quantique des relations cinématiques et mécaniques", présenté exactement un mois plus tard, consacré au principe d'incertitude. Selon le principe d'incertitude, la mesure simultanée de deux variables dites conjuguées, telles que la position (coordonnée) et la quantité de mouvement d'une particule en mouvement, conduit inévitablement à une limitation de la précision. Plus la position d'une particule est mesurée avec précision, moins son impulsion peut être mesurée avec précision, et vice versa. Dans le cas limite, une détermination absolument précise de l'une des variables conduit à une absence totale de précision lors de la mesure de l'autre. L'incertitude n'est pas la faute de l'expérimentateur : c'est une conséquence fondamentale des équations de la mécanique quantique et une propriété caractéristique de toute expérience quantique. De plus, Heisenberg a déclaré que tant que la mécanique quantique est valide, le principe d'incertitude ne peut pas être violé. Pour la première fois depuis la révolution scientifique, un éminent physicien proclame qu'il y a des limites à la connaissance scientifique. Avec les idées de sommités telles que Niels Bohr et Max Born, le principe d'incertitude de Heisenberg est entré dans le système logiquement fermé de «l'interprétation de Copenhague», que Heisenberg et Born, avant la réunion des plus grands physiciens du monde en octobre 1927, ont déclaré complètement complet et non modifiable. Cette réunion, le cinquième des célèbres Congrès Solvay, a eu lieu quelques semaines seulement après que Heisenberg soit devenu professeur de physique théorique à l'Université de Leipzig. À seulement vingt-cinq ans, il devient le plus jeune professeur d'Allemagne. Heisenberg a été le premier à présenter une conclusion bien articulée sur la conséquence la plus profonde du principe d'incertitude liée à la relation avec le concept classique de causalité. Le principe de causalité exige que tout phénomène soit précédé d'une cause unique. Cette proposition est niée par le principe d'incertitude démontré par Heisenberg. Le lien causal entre le présent et le futur est perdu, et les lois et prédictions de la mécanique quantique sont de nature probabiliste ou statistique. Il ne fallut pas longtemps à Heisenberg et aux autres « Copenhagueniens » pour transmettre leur doctrine à ceux qui n'avaient pas fréquenté les institutions européennes. Aux États-Unis, Heisenberg a trouvé un environnement particulièrement favorable à la conversion de nouveaux adhérents. Lors d'un voyage autour du monde avec Dirac en 1929, Heisenberg a donné un cours de conférences sur la "Doctrine de Copenhague" à l'Université de Chicago qui a eu un impact énorme sur le public. Dans la préface de ses conférences, Heisenberg écrit : « Le but de ce livre peut être considéré comme atteint s'il contribue à l'établissement de l'esprit de Copenhague de la théorie quantique... qui a ouvert la voie au développement général de la physique atomique moderne. Lorsque le "porteur" de cet "esprit" revint à Leipzig, ses premiers travaux scientifiques furent largement reconnus dans le domaine de l'activité professionnelle qui lui assura une position élevée tant dans la société que dans la science. En 1933, avec Schrödinger et Dirac, son travail a reçu la plus haute reconnaissance - le prix Nobel. En cinq ans, l'Institut Heisenberg a créé les théories quantiques les plus importantes de l'état cristallin solide, de la structure moléculaire, de la diffusion du rayonnement par les noyaux et du modèle proton-neutron des noyaux. Avec d'autres théoriciens, ils ont fait un grand pas vers la théorie quantique relativiste des champs et jeté les bases du développement de la recherche dans le domaine de la physique des hautes énergies. Ces réalisations ont attiré bon nombre des meilleurs étudiants vers une institution scientifique comme l'Institut Heisenberg. Élevés dans la tradition de la « doctrine de Copenhague », ils ont formé une nouvelle génération dominante de physiciens qui ont diffusé ces idées dans le monde entier dans les années trente après l'arrivée au pouvoir d'Hitler. Bien qu'Heisenberg soit aujourd'hui légitimement considéré comme l'un des plus grands physiciens de notre temps, il est en même temps critiqué pour nombre de ses actions après l'arrivée au pouvoir d'Hitler. Heisenberg n'a jamais été membre du parti nazi, mais il a occupé des postes universitaires élevés et était un symbole de la culture allemande dans les territoires occupés. De 1941 à 1945, Heisenberg a été directeur de l'Institut Kaiser Wilhelm de physique et professeur à l'Université de Berlin. Rejetant à plusieurs reprises les offres d'émigration, il dirigea les principales recherches sur la fission de l'uranium, qui intéressaient le Troisième Reich. Après la fin de la guerre, le scientifique a été arrêté et envoyé en Angleterre. Heisenberg a donné diverses explications à ses actions, ce qui a encore contribué au déclin de sa réputation à l'étranger. Le fils fidèle de son pays, Heisenberg, qui a réussi à percer les secrets de la nature, n'a pas su discerner et comprendre la profondeur de la tragédie dans laquelle l'Allemagne était plongée. En 1946, Heisenberg retourne en Allemagne. Il devient directeur de l'Institut de physique et professeur à l'Université de Göttingen. Depuis 1958, le scientifique était directeur de l'Université de physique et d'astrophysique, ainsi que professeur à l'Université de Munich. Ces dernières années, les efforts de Heisenberg ont été dirigés vers la création d'une théorie unifiée des champs. En 1958, il a quantifié l'équation de spineur non linéaire d'Ivanenko (l'équation d'Ivanenko-Heisenberg). Beaucoup de ses travaux sont consacrés aux problèmes philosophiques de la physique, en particulier la théorie de la connaissance, où il se tenait sur la position de l'idéalisme. Heisenberg est décédé à son domicile de Munich le 1er février 1976 d'un cancer du rein et de la vésicule biliaire. Auteur : Samin D.K.
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