Werner Heisenberg: geniusz, który wpłynął na stworzenie mechaniki kwantowej i budował Hitlerowi bombę

Jest czerwiec 1925 r. Werner Heisenberg pogrąża się w impasie: jego badania nad teorią kwantową utknęły w miejscu, a katar, rozsadzająca głowę migrena i światłowstręt nie dają mu pracować. Szukając ulgi od alergii, opuszcza mury Uniwersytetu w Getyndze i wyjeżdża na wyspę Helgoland na Morzu Północnym. Wybrał ją, ponieważ jest tak sucha i surowa, że drzewa ledwo odrastają tam od ziemi, a skaliste podłoże nie daje szansy kwiatom. Sterylna, targana wiatrami, oblana zimnymi wodami skała okazała się idealną scenerią jednego z najbardziej błyskotliwych naukowych odkryć XX w.

Czytaj też (Polityka): Rok kwantów. Czy ludzkość ujarzmi tę białą magię?

Mit Helgolandu

Na Helgolandzie 23-letni Heisenberg narzuca sobie żelazną dyscyplinę. Wstaje wcześnie rano i pływa do utraty tchu. Później napisze, że przywoływał opowieści o legendarnym niemieckim piracie Störtebekerze, ukrywającym się na wyspie, które uwielbiał jako chłopiec. Wraca do swojego pokoju w domu gościnnym i zanurza się w obliczenia. A kiedy umysł odmawia mu już posłuszeństwa, wychodzi na długi spacer, wspina się na jeden ze skalistych klifów Helgolandu, gdzie czyta wiersze Goethego ze zbioru „Dywan Zachodu i Wschodu”.

Obsesyjnie wraca do pytań, nad którymi przed wyjazdem debatował z Nielsem Bohrem: Jak działa atom? Jak poruszają się w nim elektrony? Jak wytłumaczyć ich absurdalne „przeskoki” z jednej orbity na drugą? Obaj poszukiwali ram wyjaśniających zachowanie atomów i cząstek subatomowych, które mogłyby zastąpić „klasyczną” mechanikę Newtona.

Podczas jednej z bezsennych nocy Heisenberg odkrywa, że stosowanie pojęć fizyki klasycznej – takich jak położenie, prędkość czy pęd – do cząstek subatomowych jest drogą donikąd. Do ich opisu trzeba nowego języka. Ponieważ nie sposób mówić o czymś, czego nie da się zaobserwować, proponuje, aby skupić się wyłącznie na obserwablach, wielkościach mierzalnych, jak energia i pęd, a relacje między nimi wyrazić poprzez abstrakcyjne obiekty matematyczne – macierze. Pracuje nad macierzami przez wiele godzin, próbując wykorzystać tabele liczb do obliczenia czegoś, co mogłoby wytłumaczyć „dziwne” zachowania atomów.

Po latach tak opisał tamtą noc: „Na początku byłem głęboko zaniepokojony. Miałem wrażenie, że wyszedłem poza powierzchnię rzeczy i zacząłem dostrzegać dziwnie piękne wnętrze (…). Około trzeciej nad ranem stanął przede mną ostateczny wynik. Czułem się głęboko wstrząśnięty. Byłem tak wzburzony, że nie mogłem zasnąć. Wyszedłem z domu i zacząłem iść powoli po ciemku. Wspiąłem się na skałę z widokiem na morze na końcu wyspy i czekałem, aż wzejdzie słońce”. Wgląd w owo „dziwne piękne wnętrze” był jednym z tych rzadkich momentów w dziejach nauki, kiedy z nieporządku wyłania się prawo.

Czytaj też (Pulsar): Narażę się: fizyka cząstek elementarnych od pół wieku stoi w miejscu. Jak rock’n’roll

Wunderkind

Nie do końca rozumiejąc, jak udało mu się dojść do tych wniosków, Heisenberg wraca do Getyngi. W niepewności pracuje nad artykułem, który 9 lipca wysyła swojemu mentorowi, słynnemu Maxowi Bornowi. Prosi go o przeczytanie i radę. Dwa tygodnie później Born – bez konsultacji z Heisenbergiem – wysyła pracę do czasopisma „Zeitschrift für Physik”. Reszta jest historią. Artykuł (zatytułowany „O kwantowo-teoretycznej reinterpretacji relacji kinematycznych i mechanicznych”) staje się jednym z najczęściej cytowanych tekstów w historii fizyki.

Ale nawet wówczas Heisenberg nie jest pewny wagi swojego odkrycia. Dopiero dzięki wsparciu Borna, Paula Diraca i Pascuala Jordana udało się na tej podstawie sformułować „zasadę nieoznaczoności”. Mówi ona, że niektóre pary właściwości cząstki są powiązane w taki sposób, że nie można ich dokładnie zmierzyć jednocześnie, np. im dokładniej zlokalizujemy położenie cząstki, tym mniej wiemy o jej pędzie (i na odwrót). O to, co zasada ta oznacza w szerszym kontekście, fizycy kłócą się od dekad. Interpretacji są dziesiątki. Jedni umiejscawiają nieoznaczoność w niemożliwej do pozbycia się niepewności tkwiącej w samej naturze pomiaru. Inni wolą przypisać niepewność nie obserwatorowi ani jego aparatowi, lecz samej rzeczywistości. Jedno jest pewne: był to koniec ścisłego determinizmu w fizyce.

Tok rozumowania Heisenberga i sposób, w jaki doszedł do swoich konkluzji, zadziwiały i nadal zadziwiają uczonych. Jego przyjaciel Wolfgang Pauli napisał, że Werner „kierował się wyłącznie intuicją i nie przywiązywał żadnej wagi do jasnego opracowania podstawowych założeń teorii”. Aktywny później fizyk Steven Weinberg (laureat Nagrody Nobla z 1979 r.) stwierdził: „Choć uważam, że rozumiem mechanikę kwantową, nigdy nie pojąłem motywacji, jaką kierował się Heisenberg w przedstawionych tam matematycznych krokach”. Dla Einsteina zwycięstwo mechaniki macierzowej Heisenberga oznaczało zgodę na fakt, że fundamentalna część zjawisk podlega regułom, których nigdy nie poznamy. Autor teorii względności nie godził się na zamknięcie fizyki w czarnej skrzynce, gdzie rządzą prawdopodobieństwa, a obiektywność i precyzyjne opisanie świata stają się niemożliwe. Mimo to schemat obliczeniowy Heisenberga wytrzymał próbę czasu. Jest to jedna z niewielu fundamentalnych teorii o świecie, która do tej pory nigdy nie została uznana za błędną.

A sam Heisenberg? Mit helgolandzki katapultował go na naukowy olimp. Okrzyknięto go złotym dzieckiem – „wunderkindem” fizyki. W 1932 r. dostał Nagrodę Nobla za decydujący wpływ na stworzenie mechaniki kwantowej, a Helgoland stał się czymś w rodzaju „ziemi świętej”, do której pielgrzymują fizycy (w czerwcu ubiegłego roku, w stulecie jego odkrycia, zorganizowano tam wielką konferencję naukową). Mit helgolandzki bywa nawet tematem literatury pięknej (np. w „Straszliwej zieleni” Benjamina Labatuta). Swoją moc zawdzięcza nawiązaniu do bardzo dobrze zasiedziałego w zachodniej wyobraźni mitu samotnego geniusza, który przedstawia uczonych jako jednostki udręczone i współczesnych Faustów rozpiętych między agonią a ekstazą. Zupełnie ignoruje przy tym fakt, że ani Heisenberg, ani Bohr, ani Einstein nie doszliby do swoich rewolucyjnych teorii, gdyby, jak ujął to Newton, nie „stali na ramionach gigantów”.

Czytaj też (Polityka): Sir Anthony Leggett o zagadkach i pułapkach mechaniki kwantowej

Uczeń i mistrz

Drugim momentem, który zdefiniował życie Heisenberga, był jeden dzień w Kopenhadze we wrześniu 1941 r. Przyjechał on do okupowanej przez Niemcy duńskiej stolicy, aby spotkać się ze swoim dawnym nauczycielem Nielsem Bohrem. Przebieg ich rozmowy, a przede wszystkim motywy tych odwiedzin mają równie wiele interpretacji, co zasada nieoznaczoności (spotkanie stało się tematem sztuk teatralnych, a nawet filmu fabularnego „Kopenhaga”, gdzie w rolę Heisenberga wcielił się Daniel Craig).

Bohr i Heisenberg znali się ponad 20 lat. Coś, co w latach 20., kiedy razem pracowali nad teorią kwantową, było intelektualnym pokrewieństwem mistrza z uczniem, z czasem przerodziło się w naznaczony głębokim szacunkiem dystans. Jego źródłem była polityka. Kiedy Hitler doszedł do władzy, coraz więcej uczonych żydowskiego pochodzenia zmuszano do opuszczenia Niemiec. Heisenberg nie wykorzystał swojego autorytetu, aby zaprotestować. Jako wychowany w duchu posłuszeństwa, karny protestant nie myślał też o wyjeździe ze swojego kraju.

Z pewnością nie był gorliwym sympatykiem nazistów. Jako wykładowca uczył studentów einsteinowskiej teorii względności oraz mechaniki kwantowej, choć nazistowska propaganda okrzyknęła ją „żydowską fizyką”, a samego Heisenberga atakowano jako „białego Żyda” (jak nazywano etnicznych Niemców sympatyzujących z Żydami).

Przyjazd do Kopenhagi był pierwszym spotkaniem dwóch wielkich fizyków od wybuchu wojny i zajęcia Danii przez Niemcy. Bohr, który również miał żydowskie korzenie, czuł się w swoim kraju coraz mniej pewnie. Zastanawiał się, czy przyjazd Heisenberga jest jedynie kurtuazyjną wizytą po latach, czy też ma coś wspólnego z pracami nad rozszczepieniem jądra atomu i jego ewentualnym zastosowaniem wojskowym, o którym tyle się wówczas mówiło.

Relacje obu na temat tego, co wydarzyło się tamtego wrześniowego popołudnia, były skrajnie różne. Bohr zapamiętał w zasadzie tylko jedno: Heisenberg zadeklarował, że Niemcy pracują nad militarnym programem atomowym. W tamtym momencie Duńczyk wciąż jeszcze sądził, że żadne państwo nie ma wystarczających możliwości przemysłowych, aby uzyskać dość materiału rozszczepialnego, i był wstrząśnięty wizją nazistowskiej bomby. Wraz z upływem czasu Bohr nabrał przekonania, że dawny uczeń przyjechał nie po to, aby przekazać mu, co robią Niemcy, ale by wybadać, czy Duńczyk nie wie czegoś, co pomogłoby w badaniach nad bombą.

Heisenberg twierdził, że ograniczał się do aluzji, ale zdradził Bohrowi, iż prace nad niemieckim programem atomowym trwają. Czy chciał go ostrzec? Taka informacja sama w sobie oznaczała zdradę tajemnicy państwowej. Wyraził też przekonanie, że „problem uranowy” może mieć swoje zastosowanie militarne, ale wymagałoby to ogromnych nakładów i technologii. Po latach relacjonował: „Moja odpowiedź przeraziła Bohra. Myślał widocznie, że chcę dać mu do zrozumienia, iż Niemcy zrobili duże postępy w budowie broni atomowej. Usiłowałem to sprostować, ale mi się nie udało”. Heisenberg pisał, że Bohr przerwał rozmowę, zanim tak naprawdę zdążył wyjaśnić swoje intencje.

Heisenberg nigdy nie przestał tłumaczyć się ze swojej wycieczki do Kopenhagi. Ale im więcej wyjaśniał, tym bardziej mnożyły się wątpliwości. Kluczowe pytanie dotyczy jego motywacji. Dlaczego w ogóle chciał spotkać się z Bohrem? Czy tylko po to, aby przekonać dawnego mentora o swojej uczciwości? A może miał bardziej cyniczne intencje? Z drugiej strony być może to Bohr – biorąc pod uwagę jego niepewną sytuację – zrozumiał dawnego przyjaciela opacznie, biorąc wszystko, co powiedział, za złą monetę? Okazuje się, że jak w zasadzie nieoznaczoności, kiedy spotyka się dwoje ludzi, których par właściwości – w tym wypadku intencji i zamiarów – nie da się obiektywnie określić, rodzi się niepewność.

Faustowski pakt?

Po wojnie Heisenberg – a później jego żona i syn – konsekwentnie robili wszystko, aby zdjąć odium „człowieka, który budował Hitlerowi bombę”. Przedstawiali go jako uczciwego naukowca, który musiał pracować dla zbrodniczego systemu i który absolutnie nie miał zamiaru doprowadzić projektu do końca. Tym samym tropem poszli również autorzy biografii niemieckiego uczonego. Thomas Powers w książce „Heisenberg’s War” wprost odmalował znanego fizyka jako „dywersanta”. Podobnie wielu naukowców, którzy utrzymywali kontakty z Heisenbergiem po 1945 r., zaręczało, że nawet jeśli wprost nie sabotował on projektu nazistowskiej bomby, to świadomie próbował jej nie zbudować.

A jaka była prawda? Zdaje się, że wola Heisenberga – bądź jej brak – nie odegrały większej roli. To czynniki obiektywne – brak pieniędzy oraz możliwości przemysłowych i technologicznych – uchroniły go przed dylematem, czy powinien dążyć do produkcji bomby, czy nie. Naziści nigdy nie potraktowali swojego programu atomowego na poważnie. Paradoksalnie to oni sami wręczyli Heisenbergowi żelazne alibi. Jego nieszczęście polegało na tym, że głęboko wierzył w czystość przedsięwzięcia naukowego, doskonałość niemieckich instytucji i wartość ich zachowania. Te przekonania pozwoliły mu utożsamić się z nazistowskimi Niemcami i usprawiedliwić przed samym sobą współpracę.

Po 1945 r. Heisenberg został na krótko zatrzymany i przesłuchany przez aliantów. Później stanął na czele Instytutu Maxa Plancka (dawnego Instytutu Cesarza Wilhelma), który pod jego kierownictwem stał się najbardziej prestiżowym ośrodkiem naukowym w Niemczech. Był szanowaną figurą – intelektualistą wygłaszającym wykłady o filozofii nauki. W 1957 r. podpisał manifest z Göttingen – deklarację sprzeciwu najwybitniejszych zachodnioniemieckich fizyków jądrowych z Republiki Federalnej Niemiec wobec sugerowanego przez rząd Konrada Adenauera uzbrojenia armii w taktyczną broń jądrową. Zmarł 1 lutego 1976 r.

Być może w ocenie motywacji Heisenberga brakuje jeszcze jednej – pozornie najprostszej – interpretacji. W chwili wybuchu wojny oczy wszystkich niemieckich uczonych, którzy zostali w kraju, zwrócone były właśnie na niego. Był laureatem Nobla. Twórcą teorii, która zmieniła obraz rzeczywistości. W grę wchodziła zawodowa duma, ambicja i pragnienie, aby dokonać czegoś, czego nikt wcześniej nie zrobił. Pracował nad bombą, bo nie mógł się oprzeć pokusie. Bo w tamtym czasie było to najbardziej ekscytujące zajęcie dla fizyka.

PS. 51 lat temu na łamach „Polityki” ukazała się rozmowa Zdzisława Wawrzyniaka z prof. Wernerem Heisenbergiem pt. „Umieć zmieniać zdanie”.

Bibliografia:

Carlo Rovelli „Helgoland”; Jim Holt „Idee, które zmieniły świat”; Richard Rhodes „Jak powstała bomba atomowa”.