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Werner Karl Heisenberg

Werner Karl Heisenberg (Würzburg, 5 dicembre 1901 – Monaco di Baviera, 1º febbraio 1976) è stato un fisico tedesco. Ottenne il Premio Nobel per la Fisica nel 1932 ed è considerato uno dei fondatori della meccanica quantistica.

Infanzia e adolescenza

Nel tardo pomeriggio del 5 Dicembre 1901 Anna Wecklein Heisenberg dà alla luce il suo secondogenito , Werner Karl. Per l’esattezza, alle sedici e quarantacinque del precisissimo registro anagrafico di Würzburg, dove la famiglia vive al numero 10 di Heidingfeldstrasse.

I primi anni di Werner trascorrono in un ambiente sereno, improntate alle solenni regole dell’accademia trasportate tra le faccende di casa. Timido e schivo, nelle poche immagini che di lui sono rimaste il bambino Werner Heisenberg ci appare esile ai limiti della gracilità, con un caschetto di capelli biondissimi e le guance tempestate di lentiggini.

Insieme al fratello più grande vive all’insegna di una continua, incessante rivalità, motivata probabilmente dal desiderio di assicurarsi le scarse attenzioni del padre, che per parte sua contribuisce ad alimentare fin dall’inizio il confronto. In un modo o nell’altro, la precoce rivalità fomentata dal padre nei due figli deve aver influenzato tutta la vita di Werner Heisenberg, che negli anni a venire non avrebbe mai fatto nulla per nascondere il suo istinto a primeggiare sempre e comunque, dal lavoro alle attività ricreative, manifestando una determinazione non comune, che seppe condire con una grande capacità di sottoporsi a moli di lavori impressionanti e un talento tutt’altro che comune.

Gli insegnanti ne riconoscono le doti eccezionali fin dagli anni di Würzburg, dove frequenta le prime classi del Gymnasium, prima che il padre sia trasferito improvvisamente a Monaco alla fine del 1909, in seguito alla morte di Karl Krumbacher, il suo maestro.

L’ambiente culturalmente stimolante di Monaco rappresenta per Werner un’opportunità ideale per il proseguimento degli studi. Quando Werner si iscrive nell’autunno 1911, al Maximilians-Gymnasium, la scuola ha già una solida reputazione di istituto d’elite, e il giovane Heisenberg si merita d’ufficio l’iscrizione nella sezione A del ginnasio, quella destinata agli studenti più promettenti.

Nei primi tre anni del ginnasio, Werner si dedica prevalentemente allo studio del latino e della matematica raggiungendo risultati eccellenti. Alla fine del secondo anno un insegnante scrive: «Ha conseguito con facilità risultati eccellenti, quasi per gioco».

Sostiene gli esami nell’estate del 1920, il 7 Luglio 1920 e la brillante prova orale di Werner gli assicura l’ultimo posto utile per conquistare una borsa di studio alla prestigiosa Maximilianeum-Stiftung, la fondazione istituita nel 1849 dal re di Baviera Massimiliano I.

L’Università

Dopo lunghe ed estenuanti discussioni in famiglia, August Heisenberg procura al figlio un appuntamento con Arnold Sommerfeld, preside della facoltà di fisica teorica all’Università di Monaco. Il professore dopo un breve colloquio accetto il giovane Heisenberg e di lì a poco si iscrisse al corso di Sommerfeld, che era articolato in sei semestri, la durata minima del corso, che dipendeva dalla Facoltà di Filosofia, prima di poter affrontare l’esame di laurea.

Werner segue un programma impegnativo: cinque corsi principali che spaziano su tutta la fisica teorica. Tra il 1920 e il 1921 tiene lezioni serali sull’opera lirica tedesca a beneficio dei lavoratori e organizza anche un corso di astronomia. La sera, si reca in campagna seguito da intere famiglie per andare a guardare le stelle, o fa da cicerone all’osservatorio statale.

La vita universitaria a Monaco lo assorbe completamente e il su precoce talento comincia a mettersi in luce sotto la guida di Arnold Sommerfeld. Durante un convegno a Jena Heisenberg presenta il suo “modello della regione centrale dell’atomo”, che spiega molti dei fenomini inspiegabili fino ad allora e il 17 dicembre 1921 la «Zeitschrift für Physik», una delle più importanti riviste di fisica, accetta il manoscritto proposto da Heisenberg per la pubblicazione.

E’ a Gottinga, nel giugno 1922, che Heisenberg ha modo di incontrare per la prima volta Bohr, le cui rimostranze per il modello della ragione centrale non tardano ad arrivare. Nei primi mesi del 1923, Max Born, direttore dell’istituto di fisica torica a Gottinga, propone al giovane Heisenberg un semestre come assistente per sostituire Wolfgang Pauli, il giovane Werner accetta anche se non ha molto tempo per dedicarsi alla stesura del suo lavoro di laurea.

Il 10 Luglio 1923 sottopone una breve tesi di sole 59 pagine alla commissione della Facoltà di filosofia e il 29 luglio 1923 si presenta davanti alla commissione per sostenere l’esame di laurea, risponde molto facilmente alle domande di fisica teorica e matematica ma ha molte difficoltà a rispondere alle domande di fisica sperimentale, alla fine supera l’esame con una media appena sopra la sufficienza.

Il principio di indeterminazione e l'interpretazione di Copenaghen

Werner arriva per la prima volta a Copenaghen il 15 marzo 1924, dove trova un ambiente accogliente. I primissimi giorni li trascorre in lunghe discussioni con Bohr sulla filosofia della fisica dei quanti e sulla nuova teoria di Bohr-Kramers-Slater (BKS) sulla dualità tra onda e particella nella teoria quantistica della radiazione, uno dei più profondi enigmi della fisica dell’epoca.

A luglio Bohr gli comunica l’attribuzione di una generosa borsa di studio per trascorrere un anno a Copenaghen e il 28 Luglio 1924 il corpo docente di Gottinga approva la sua abilitazione all’insegnamento nelle università tedesche, grazie ad una dissertazione sulla teoria dell’effetto Zeeman.

A metà settembre 1924 Werner fa il suo timido ingresso nel tempio della fisica atomica di Copenaghen, dove la vita è molto dura a causa della forte concorrenza dei giovani fisici più promettenti provenienti da tutto il mondo. Ma questo ambiente lo stimola molto infatti da lì a pochi mesi Werner si incammina sulla strada che lo porterà a formulare la “meccanica matriciale”. Nella “meccanica matriciale”, Werner sostituisce le orbite classiche con una serie ordinata di enti matematici di una matrice e in seconda battuta applica il principio di conservazione dell’energia.

Questa condizione gli permette di derivare le energie degli stati stazionari applicando la sua regola di moltiplicazione per gli elementi di matrice alle corrispondenti espressioni classiche. Heisenberg pubblicherà la sua nuova scoperta alla fine di luglio 1925 sulla «Zeitscrift für Physik» e questa susciterà il grande interesse di Born e Dirac, i quali interpreteranno la regola di Heisenberg come la relazione quanto meccanica per la moltiplicazione delle matrici momento e posizione di un qualsiasi sistema meccanico.

Ma la nuova teoria deve subito affrontare una durissima sfida, infatti nelle stesso periodo Erwin Schrödinger elabora la sua meccanica ondulatoria attraverso un’opportuna «equazione d’onda» che molto più facilmente della meccanica matriciale ottiene molto più facilmente i risultati cercati. Ma è lo stesso Schrödinger che poco dopo dimostrerà l’equivalenza formale dei due approcci. Lo scontro tra la meccanica matriciale e la meccanica ondulatoria è solo all’inizio e la posta in palio è la possibilità di «visualizzare» la traiettoria di un elettrone.

Heisenberg trova ispirazione dalle parole di Einstein, incontrato avvenuto in una conferenza a Berlino. «Una sera – ricorda in Fisica e oltre – mi tornarono in mente le parole di Einstein:” È la teoria a decidere che cosa possiamo osservare”. –Il problema – continua Heisenberg – andava affrontato in altro modo: la meccanica quantistica è in grado di rappresentare il fatto che un elettrone si trova approssimativamente in un punto dato e che si sposta approssimativamente a una velocità data? E poi siamo in grado di calcolare posizione e velocità in modo sufficientemente approssimato da non andare incontro a difficoltà sperimentali?»

Heisenberg trova le risposte a queste domande formulando il principio di indeterminazione, ovvero non è possibile conoscere esattamente nello stesso istante il valore della posizione e la sua velocità. Niels Bohr comprende immediatamente che il principio di indeterminazione è un pilastro della nuova meccanica quantistica. Durante il congresso di Como, nell’autunno del 1927per la commemorazione della morte di Alessandro Volta, a Niels Bohr viene affidata la comunicazione del gruppo di Copenaghen,quella che ancora oggi si chiama interpretazione di Copenaghen: “in ogni esperimento compaiono simultaneamente aspetti ondulatori e aspetti corpuscolari, e la necessità che si presenta tra gli uni e gli altri dà origine al disturbo che genera le relazioni di indeterminazione.” Complementarietà e indeterminazione saranno d’ora in poi, il quadro di riferimento entro il quale interpretare tutti i fenomeni quantistici.

La cattedra di Lipsia

A Lipsia va in pensione Theodor Des Coudres e il Peter Debye è orientato a chiedere la disponibilità di Heisenberg, non senza informare prima Sommerfeld il quale suo malgrado acconsente alla candidatura dell’allievo. L’ambita chiamata arriva alla fine di luglio 1927, Werner accetta la cattedra di fisica teorica al Theoretisch-Physikalisches Institut di Lipsia e lascia Copenaghen per diventare, a soli ventisei anni, il più giovane professore ordinario di tutta la Germania.

Per quanto giovane, Heisenberg diventa immediatamente un polo di attrazione della fisica di Lipsia, e unisce al talento di fisico teorico doti didattiche non comuni e una determinazione ostinata nel preparare le sue lezioni, alle quali partecipano sempre più studenti.

Nel febbraio del 1929 viene inviato dalla autorità della Sassonia a un ciclo di conferenze prima in giro per il mondo. Nel febbraio 1929 il professore Heisenberg salpa per gli Stati Uniti, la prima tappa è New York, dopo una serie di conferenze al MIT, la seconda a Chicago dove conosce il fisico Barton Hoag, poi a Washington, dove partecipa al congresso dell’American Physical Society, successivamente al parco di Yellowstone dove ha un appuntamento con Dirac, con il quale a metà agosto affronterà la traversata del pacifico, per proseguire il suo giro del mondo, per tenere conferenze in Giappone, Cina e per finire in India dove vede coronato il suo sogno di alpinista con le vette dell’Himalaya. Di qui riprende la strada dell’Europa, che lo porterà a Lipsia nel novembre 1929.

Il suo ritorno a Lipsia coincide con un grande fioritura per la città, nodo degli scambi commerciali con l’est europeo e centro di grandi stimoli culturali. Intorno alla figura di Heisenberg si coagula una scuola che conta alcuni dei più brillanti studenti e assistenti di tutta la Germania, come Felix Bloch, Lev Landau, Rudolf Peierls, Friedrich Hund, Edward Teller e Carl Friedrich von Weizsäcker destinato a diventare uno degli amici più stretti di Heisenberg. In compagnia del nutrito gruppo di allievi, Werner affronta le due questioni aperte, la relazione fra gli elettroni e i quanti di luce e il problema fondamentale, trovare una relazione che leghi tra loro i due grandi progressi della fisica di inizio secolo, la meccanica quantistica e la teoria della relatività di Einstein.

Nel marzo del 1932 James Chadwick del Cavendish Laboratory di Cambridge, scopre che oltre al protone il nucleo ospitano i neutroni e il 20 giugno 1932 Heisenberg spedisce un articolo alla «Zeitschrift für Physik» con il titolo “Sulla struttura dei nuclei atomici”.

Il neutrone di Chadwick vi ha un ruolo da protagonista come componente dei nuclei atomici e come indefinito composto di un protone e un elettrone. Entro la fina dell’anno Heisenberg produce altri due articoli spiegando la stabilità degli isotopi. In capo a un paio d’anni, Eugene Wigner ed Ettore Maiorana completeranno il suo lavoro, Pauli proporrà il neutrino, elemento fondamentale per garantire la conservazione dell'energia e della quantità di moto, Fermi e Yukawa forniranno la teoria che ancora oggi descrive il decadimento beta.

Il premio Nobel

All’inizio del 1933 viene promulgato il decreto sul «servizio pubblico professionale», che sancisce che tutti i dipendenti pubblici che non hanno una comprovata ascendenza ariana devono essere messi a riposo. I Premi Nobel Fritz Haber e James Franck rassegnano immediatamente le dimissioni. Max Born si ritira nella sua casa di campagna italiana a Selva di Val Gardena. Albert Einstein, ospite negli Stati Uniti per un ciclo di conferenze, decide di non rientrare più in Germania e da le dimissioni dall’Accademia di scienze prussiana. Anche l’Università di Lipsia conta le sue vittime, Heisenberg, sotto la spinta del giovane assistente Friedrich Hund, medita le dimissioni come gesto estremo di protesta, ma alla fine di una lunga riflessione decide di chiedere consiglio al grande vecchio della fisica Max Planck. Dopo il colloquio il Heisenberg decide di rimanere e cercare di contrastare il regime dal suo interno. Nell’autunno del 1934 la Deutsche Physikalische Gesellschaft decide di assegnare la prestigiosa Medaglia Max Planck, la massima onorificenza della fisica tedesca, che verrà consegnata il 3 Novembre 1933. Ma siamo solo all’inizio, una settimana più tardi, l’Accademia reale delle scienze di Svezia a dover comunicare una notizia all’insigne fisico di Lipsia. Il premio Nobel per la fisica che non era stato assegnato nel 1932 sarà conferito a Werner Heisenberg, nel corso della cerimonia di consegna del premio per il 1933, attribuito a Schrödinger e Dirac. Nel maggio 1935 le leggi antisemite si fanno più severe, e l’Università di Lipsia si vede privata di altri docenti. Werner torna a chiedere il consiglio di Planck, ma la situazione è diserata, la parola d’ordine del decano della fisica tedesca è: resistere.

Il matrimonio

Il 30 gennaio 1937 Heisenberg si reca a casa dei Bücking, premiati editori di Lipsia, per un concerto e lì incrocia gli occhi chiari di una giovane donna, alta e di bell’aspetto, dall’aria serena e del sorridente, finito il concerto, i due si intrattengono in una conversazione che fa breccia nelle ansie del fisico.

Elizabeth Schumacher ha appena compiuto 25 anni, e proviene da una famiglia di economisti di Bonn in cui la disciplina regna sovrana. Le nozze vengono fissate a tempo di record e il 29 aprile 1937 Elizabeth e Werner si uniscono in matrimonio nella piccola chiesa di St. Annenkirche.

Di lì a nove mesi nasceranno i primi due di sette figli, Wolfgang e Maria, che coroneranno l’unione dei due coniugi.

L’articolo di Stark

A metà luglio 1937 sul settimanale delle SS, «Das Schwarze Korps», esce un articolo di Jahannes Stark dal titolo «Weisse Juden in der Wissenschaf» in italiano “Ebrei bianchi” nella scienza. L’obiettivo è Werner Heisenberg: «Non è l’ebreo come razza a costituire di per sé una minaccia, ma piuttosto lo spirito che lo diffonde. E se il portatore di questo spirito non è un ebreo ma un tedesco, lo si deve combattere con impegno ancora maggiore rispetto all’ebreo razziale…».

Esordisce così il pezzo di Strark, un pezzo di bravura farcito di errori di sintassi e di lavori idealistici da manicomio. Dopo essersi preoccupato di definire gli «ebrei bianchi», volge decisamente le sue attenzioni a Heisenberg, mettendo insieme un dettagliato elenco dei misfatti che questi avrebbe commesso in plateale violazione delle regole del buon tedesco.

Nell’articolo si citano i lavori di Werner in difesa dell’insegnamento della relatività, il rifiuto di rendere onore a Hitler e il licenziamento di un assistente tedesco per far posto a due fisici ebrei. Stark paragona Werner Heisenberg a Carl von Ossietzky, oppositore del regime e premio Nobel per la pace nel 1935, che si trova rinchiuso nel campo di concentramento di Dachau. Le reazioni indignate del corpo accademico tedesco non si fanno aspettare.

I rettori di mezza Germania e il Reichministerium vengono travolti dalle lettere di protesta di dei colleghi di Heisenberg, che insorgono in difesa del collega. Lo stesso Werner si rivolge al ministro Bernhard Rust chiedendo di fare piena luce sulla vicenda, se il punto di vista di Stark sarà considerato corretto, minaccia, è pronto a rassegnare le dimissioni.

Heisenberg arriva persino al comandante delle SS Himmler, che in primo momento lo ignora, successivamente decide di avviare un’inchiesta che affida a tre giovani fisici di sua fiducia. L’inchiesta si protrae per mesi nei quali Heisenberg le SS lo sottopongono ad estenuanti interrogatori. Sono mesi di atroce sofferenza, durante i quali Heisenberg ribatte colpo su colpo senza mai perdere la calma anche se ad un certo punto è vicino alla fuga, avvia trattative segrete con un emissario della Columbia University, pronto a emigrare negli Stati Uniti se le cose dovessero prendere una brutta piega.

Ma alla fine i tre giovani fisici della commissione d’inchiesta, affascinati dalla statura dell’indagato e sinceramente convinti della sua buona fede, lo prosciolgono da ogni accusa, diventando suoi decisi sostenitori. Il 21 luglio 1938, a un anno di distanza, Himmler invia al professor Heisenberg una lettera in cui disapprova l’attacco del «Das Schwarze Korps» e lo informa di aver proibito ogni ulteriore manovra contro di lui.

Il lavoro durante la guerra

Le persecuzioni delle SS non hanno impedito a Heisenberg di proseguire le sue ricerche, che continuano a concentrarsi sugli sciami di raggi cosmici. Abbandonato il campo di Fermi, Werner si concentra su un nuovo modello messo a punto da giapponeseHideki Yukawa già nel 1935.

Nell’autunno 1938 Werner si vede soffiare la cattedra di Monaco da un tale Wilhelm Müller, che nel suo curriculum può vantare solo un oscuro manuale di meccanica a uso degli ingegneri e qualche sommesso saggio sulle dottrine della fisica tedesca.

Studiando il decadimento dell’uranio, Otto Hahn un chimico di Berlino, osserva che tra i prodotti di reazione dell’uranio sottoposto a bombardamento di neutroni, compaiono atomi di bario, un elemento il cui peso atomico è circa la metà di quello dell’uranio. Il nuovo fenomeno dal quale si sprigiona una grossa quantità di energia, battezzato «fissione nucleare», viene spiegato sulle pagine di Nature.

Il lavoro durante la guerra

La fissione nucleare venne scoperta in Germania nel 1939. Heisenberg rimase in Germania durante la seconda guerra mondiale, lavorando sotto il regime nazista. Guidò il programma nucleare tedesco, ma i limiti della sua collaborazione sono controversi.

Rivelò l'esistenza del programma a Bohr durante un colloquio a Copenaghen nel settembre 1941. Dopo l'incontro, la lunga amicizia tra Bohr e Heisenberg terminò bruscamente. Bohr si unì in seguito al progetto Manhattan.

Si è speculato sul fatto che Heisenberg avesse degli scrupoli morali e cercò di rallentare il progetto. Heisenberg stesso tentò di sostenere questa tesi. Il libro Heisenberg's War di Thomas Power e l'opera teatrale "Copenhagen" di Michael Frayn adottarono questa interpretazione.

Nel febbraio 2002, emerse una lettera scritta da Bohr ad Heisenberg nel 1957 (ma mai spedita): vi si legge che Heisenberg, nella conversazione con Bohr del 1941, non espresse alcun problema morale riguardo al progetto di costruzione della bomba; si deduce inoltre che Heisenberg aveva speso i precedenti due anni lavorandovi quasi esclusivamente, convinto che la bomba avrebbe deciso l'esito della guerra.

Molti storici della scienza considerano questo scritto come prova della sua adesione al progetto nazista; altri obiettano che Bohr comprese male le intenzioni di Heisenberg. " Il primo sorso dal bicchiere delle scienze naturali rende atei; ma in fondo al bicchiere ci attende Dio." Ammissione di Werner Heisenberg, in Peter Seewald, Luce dal Mondo, Città del Vaticano, 2010, p.233.

Bibliografia

• Anna Ludovico, Effetto Heisenberg. La rivoluzione scientifica che ha cambiato la storia, Roma: Armando 2001, pp. 224 ISBN 88-8358-182-2.
• Barbara Blum, Helmut Rechenberg, Anna Ludovico, Per Heisenberg, Roma: Aracne 2006, pp. 96, ISBN 8854806366.
• Carlo Cattaneo, "Heisenberg e la rivoluzione quantistica", Milano: Le Scienze 2000, I grandi della scienza, pp. 103, ISBN 9-771126-545003.
• David C. Cassidy, "Un'estrema solitudine", Torino:Bollati Boringhieri 1996, pp.721, ISBN 88-339-1011-3.

Autobiografie

• Werner Karl Heisenberg. The Part and The Whole.

Opere in italiano

• I principi fisici della teoria dei quanti [1930], Boringhieri, Torino, 1953
  Opera tratta dalle lezioni tenute da Heisenberg all'Università di Chicago nel 1929.
• La fisica dei nuclei atomici, Sansoni, Firenze, 1952
• Natura e fisica, Garzanti, Milano, 1957
• Werner Heisenberg - Max Born - Erwin Schrodinger - Pierre Auger, Discussione sulla fisica moderna, Einaudi, Torino, 1959. Trascrizione di 4 conferenze.
• Fisica e filosofia [1961], Il Saggiatore, Milano, 1982 8842809039
• La tradizione nella scienza, Garzanti, Milano, 1982. Raccolta di conferenze. ISBN 88-11-69274-1
• Mutamenti nelle basi della scienza, Boringhieri, Torino, 1978 ISBN 88-339-0347-8
• Oltre le frontiere della scienza, Ed. Riuniti, Roma, 1984 ISBN 88-359-2731-5
• Fisica e oltre. Incontri con i protagonisti 1920-1965 [1971], Boringhieri, Torino, 1984 ISBN 88-339-0127-0
• Lo sfondo filosofico della fisica moderna [1984], Sellerio, Palermo, 1999 ISBN 88-389-1450-8
• Lo sviluppo della meccanica quantistica in Onde e particelle in armonia - Alle sorgenti della meccanica quantistica Jaca Book, 1991

Articoli di stampa

• Stefania Maurizi. L'atomica di Hitler. Intervista a Carl Friedrich von Weizaecker, La Stampa (inserto "Tuttoscienze"), 28 agosto 2002 (testo)

Curiosità

• Heisenberg è il nome d'arte scelto dal chimico Walter White nella serie televisiva Breaking Bad.

Voci correlate

• Principio di indeterminazione di Heisenberg
• Rappresentazione di Heisenberg
• Dualismo onda-particella
• Interpretazione di Copenaghen
• Postulati della meccanica quantistica
• Teorie delle variabili nascoste

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Collegamenti esterni

• Template:McTtrG
• Sifrido Boffi, Heisenberg Werner Dizionario Interdisciplinare di Scienza e Fede
• (EN) Arcangelo28/prova, su Mathematics Genealogy Project, North Dakota State University.
• (EN) Biografia di Werner Karl Heisenberg sul sito ufficiale del Premio Nobel
• Conferenza pronunciata alla ricezione del premio Nobel