Heisenberg, biografia e scoperte del fisico tedesco

Werner Karl Heisenberg è stato uno dei più celebri e importanti fisici del Novecento. Dalla meccanica delle matrici, che gli è valsa il Premio Nobel, alla meccanica quantistica, dal principio di indeterminazione al primo reattore della Germania occidentale a Karlsuhe, Heisenberg è tuttavia ricordato per aver fatto parte del programma tedesco sulle armi nucleari, anche se riguardo al suo coinvolgimento ancora oggi ci si divide tra chi assicura che abbia boicottato dall’interno l’atomica di Hitler e chi sostiene che semplicemente non sia riuscito a tradurre le sue teorie nella costruzione della bomba.

• Vita
• La meccanica delle matrici
• La meccanica quantistica
• Il principio di indeterminazione
• La bomba di Hitler

Vita

Werner Karl Heisenberg nasce Wurzburg il 5 dicembre del 1901. Il padre August è un insegnante di lettere classiche al liceo e libero docente di filologia greca all’università cittadina, la madre Anna Wecklein è la figlia del preside del Maximilians Gymnasium di Monaco in cui i due si sono conosciuti e innamorati e dove il giovane Werner si iscriverà dopo il trasferimento della famiglia in Baviera a seguito di August, cui è stata assegnata una cattedra universitaria come professore di greco. Le sue materie preferite sono la matematica e la fisica, nel tempo libero gioca a scacchi e divora testi sulla teoria dei numeri. Dopo la fine della Prima Guerra Mondiale consegue la licenza liceale e viene avviato da Arnold Sommerfeld e Wolfgang Pauli allo studio della fisica teorica, mostrando grande interesse per la relatività. Negli anni successivi si forma a Gottingen, seguendo le lezioni di Bohr, Born, Franck e Hilbert e nel 1923, a Monaco, consegue il dottorato, seppur con un voto mediocre. Fatto ritorno a Gottingen, diventa assistente di Born e fa visita a Bohr, a Copenhagen, dove incontra per la prima volta Einstein.

Nel maggio 1925 propone la sua “meccanica delle matrici” e, insieme a Max Born e Pascual Jordan, pubblica il lavoro “Dreimannerarbeit”, considerato l’atto di nascita della meccanica quantistica. Nel 1927, a soli 26 anni, ottiene la cattedra di Fisica Teorica dall’Università di Lipsia, dove rimarrà fino al 1941, quando si trasferirà a Berlino come Direttore del Kaiser Wilhelm Institut, e nello stesso anno presenta la sua più grande scoperta, “Il principio di indeterminazione”, e partecipa al Congresso Solvay di Bruxelles, aprendo quei cinque anni che più tardi definirà “l’età d’oro della fisica atomica”.

Nel 1928 pubblica “I principi fisici della teoria dei quanti” e l’anno successivo inizia un giro del mondo di conferenze e lezioni negli Stati uniti, Giappone e India.

Nel 1932 gli viene assegnato il Premio Nobel per la Fisica, che ritirerà insieme a Schroedinger e Dirac nel 1933, per la creazione della meccanica quantistica. Nel 1935, nonostante Sommerfeld, ormai prossimo alla pensione, lo indichi come suo degno successore, Heisenberg viene ignorato dal governo nazista, che bolla come “fisica ebrea” la meccanica quantistica, e attaccato dalla stampa di regime, che lo definisce “ebreo bianco”.

Nel 1937, a 35 anni, sposa la ventiduenne pianista Elisabeth Schumacher, che gli darà sette figli. Durante la Seconda Guerra mondiale viene chiamato a guidare il progetto “Urano”, per la costruzione di un’arma nucleare. Insieme a Otto Hahn, uno degli scopritori della fissione nucleare, lavora allo sviluppo di un reattore nucleare, ma non arriva alla costruzione di una bomba, non è chiaro se per mancanza di risorse o per mancanza di volontà.

Nel settembre del 1941 si reca in Danimarca per far visita all’amico Bohr a Copenhagen e l’incontro fra i due, sui cui contenuti non è mai stata fatta chiarezza, diventerà il cuore dell’opera teatrale Copenhagen di Michael Frayn.

Finita la guerra, viene arrestato dagli alleati e trasferito a Farm Hall in Inghilterra insieme ad altri scienziati tedeschi per accertare lo stato di avanzamento del progetto nucleare. Tornato in Germania nel 1946, viene nominato Direttore del neonato Max Planck Institut per la Fisica e Astrofisica a Gottingen, poi trasferito nel 1958 a Monaco, restando in carica fino al pensionamento nel 1970. Morirà di cancro il primo febbraio del 1976.

La meccanica delle matrici

La meccanica delle matrici, sviluppata sulle prime idee di Heisenberg, ha dato un importante contributo alla meccanica quantistica. Non essendo possibile nell’ambito della fisica degli atomi misurare direttamente le grandezze, questo modello è in grado di associare delle matrici alle quantità fisiche grazie alla frequenza e all’intensità delle radiazioni emesse dagli atomi quando passano da uno stato quantico a un altro. Per riuscirci, Heisenberg parte dalla convinzione che alla meccanica quantistica non siano applicabili le leggi della meccanica classica, si serve allora di uno strumento matematico astratto, immaginando un atomo costituito da infiniti oscillatori virtuali in grado di riprodurre le frequenze dell’atomo stesso, che le manifesta attraverso quelle dello spettro, dando origine a una matrice infinita.

La meccanica quantistica

Come la meccanica delle matrici, anche la meccanica quantistica si distingue dalla meccanica classica, andando oltre la certezza deterministica per descrivere lo stato e l’evoluzione di un sistema fisico in maniera probabilistica. Il carattere probabilistico assume dunque un ruolo primario e fa venir meno la tradizionale nozione di causalità. La connessione tra cause ed effetti viene quindi messa in crisi, non per imperfezioni nelle misure, ma a causa dei limiti che inevitabilmente caratterizzano le nostre possibilità di analisi. Dunque, se le informazioni sul moto dell’elettrone possono essere solo di tipo probabilistico, non si tratterà più di tentare di misurarne l’orbita, ma di calcolare la probabilità di trovare l’elettrone in un dato punto e in un dato istante. Questo tipo di approccio ha contribuito ad aumentare il livello di conoscenza della struttura della materia e ha fornito una base teorica per la comprensione della struttura dell’atomo e del fenomeno delle righe spettrali.

Il principio di indeterminazione

Il principio di indeterminazione, pilastro concettuale della meccanica quantistica, rappresenta il limite nella nostra capacità di studiare un sistema fisico. Se nella meccanica classica, che si ferma a livello macroscopico, la misurabilità delle grandezze fisiche è soggetta a errori sperimentali che è possibile ridurre facendo ricorso a strumenti sempre più precisi, la meccanica del XX secolo, che si incentra maggiormente sullo studio dei fenomeni a livello microscopico, per la precisione atomico e subatomico. In questo caso la misurazione coincide con la perturbazione di un sistema e delle grandezze che lo caratterizzano, restituendo in fase sperimentale un errore non calcolabile e, in quanto indeterminato, anche ineliminabile.

La bomba di Hitler

Le incredibili scoperte appena descritte, non sono tuttavia bastate a far ricordare Heisenberg solamente come lo straordinario fisico che è stato. La sua permanenza in Germania quando tutti gli altri scienziati fuggivano all’estero e l’aver preso parte al programma nucleare tedesco del regime nazista, che pure lo aveva ostracizzato a livello universitario, hanno gettato sul suo operato una nebbia mai dissipata. Secondo gli “innocentisti”, Heisenberg avrebbe sì lavorato al programma nucleare nazista, ma tentando di dirottarlo nella direzione degli impieghi civili, piuttosto che la produzione di armi atomiche. Per i “colpevolisti”, invece, Heisenberg avrebbe aderito al partito nazista, senza però riuscire a produrre l’arma atomica prima degli americani.