فيرنر هايزنبيرغ.. أحد أهم علماء الفيزياء في القرن العشرين

يعد العالم الألماني فيرنر هايزنبيرغ واحد من أهم علماء الفيزياء في القرن العشرين، فقد لعب دورًا محوريًا في تأسيس ميكانيكا الكم، وقدم نظريات علمية غيّرت من فهمنا للكون، ولعل أهم هذه النظريات "مبدأ عدم اليقين" الذي يعد من أهم مبادئ ميكانيكا الكم، تعرف في هذا المقال عن إنجازاته وحياته.

من هو فيرنر هايزنبيرغ؟

فيرنر كارل هايزنبرغ هو عالم فيزياء نظرية ألماني شهير، ولد في 5 ديسمبر 1901، وتوفي في 1 فبراير 1976. يعتبر واحدًا من أبرز العلماء في القرن العشرين، وقد ساهم بشكل كبير في تطوير ميكانيكا الكم.

أشهر إنجازات هايزنبيرغ هو صياغة مبدأ الشك أو مبدأ عدم اليقين، وهذا المبدأ له تأثيرات كبيرة على فهمنا للعالم الكمي. كان هايزنبيرغ أيضًا رائدًا في تطوير ميكانيكا المصفوفات التي تعتبر أحد التفسيرات الرئيسية لميكانيكا الكم، وقدم هذه النظرية في عام 1925. حصل هايزنبيرغ على جائزة نوبل في الفيزياء في عام 1932 عن إنشاء ميكانيكا الكم وتطبيقها.

ساهم هايزنبيرغ في فهم الفيزياء النووية، وكان جزءًا من مشروع اليورانيوم الألماني خلال الحرب العالمية الثانية، حيث حاول العلماء الألمان تطوير مفاعل نووي.

كان هايزنبيرغ أيضًا معلمًا متميزًا، وألف العديد من الكتب حول الفيزياء والنظرية الكمية، مما ساعد على نشر المعرفة وزيادة الفهم لهذه المجالات المعقدة.

تعد أعمال هايزنبيرغ أساسية في تطور الفيزياء الحديثة، ويظل مبدأ عدم اليقين أحد المفاهيم الأساسية في فيزياء الكم، مما يبرز الأهمية الكبيرة لأبحاثه وإسهاماته العلمية في فهمنا للعالم الذري وما دون الذري.

نشأته وتعليمه

ولد العالم الألماني فيرنر هايزنبرغ في 5 ديسمبر عام 1901 في مدينة فورتسبورغ في ألمانيا. والده هو العالم الألماني كاسبار إرنست أوغست هايزنبرغ، أما والدته آني ويكلين. كان والده مدرسًا للغات الكلاسيكية في المدرسة الثانوية، وقد أصبح فيما بعد الأستاذ الوحيد في ألمانيا للدراسات اليونانية في العصور والوسطة والحديثة في الجامعة.

كان هايزنبرغ طالبًا متفوقًا، وقد درس الفيزياء والرياضيات في جامعة لودفيج ماكسيميليان في ميونيخ من عام 1920 إلى عام 1923، وخلال هذه الفترة تعلم على يد أشهر العلماء في عصره، منهم أرنولد سومرفيلد، وويلهام فيين، وماكس بورن، وجيمس فرانك.

في عام 1923 حصل هايزنبرغ على درجة الدكتوراه في ميونيخ، وقد أشرف على رسالته العالم أرنولد سومرفيلد، والذي يعد رائدًا في تطوير الفيزياء الذرية والكمية. في العام التالي أكمل تأهيله، وحصل على أعلى درجة جامعية، وكانت رسالته حول تأثير "زيمان".

رسالة الدكتوراه التي حضّرها هايزنبرغ حول الاضطرابات، حيث ناقش في أطروحته استقرار التدفق الصفحي، وطبيعة التدفق المضطرب، وقد استخدم معادلة أور سورفيلد في التحقق من مشكلة الاستقرار، وهي معادلة تفاضلية خطية.

زوجة فيرنر هايزنبرغ

قاد شغف فيرنر هايزنبرغ بالموسيقى الكلاسيكية للتعرف على زوجته، فقد كان عازفًا ماهرًا على آلة البيانو، وأدى اهتمامه وشغفه بالموسيقى لمقابلة زوجته المستقبلية، وهي السيدة إليزابيث شوماخر، والتي التقى بها في حفل موسيقي خاص عام 1937.

إليزابيث هي شقيقة الخبير الاقتصادي الألماني المشهور إي إف شوماخر، كما أن والدها كان أستاذ اقتصاد مشهور في برلين. تزوج فيرنر من زوجته في أبريل من العام نفسه، أي بعد حوالي 3 شهور من لقائها لأول مرة.

رزق فيرنر من زوجته بالتوأم ماريا وفلوفجانج في عام 1938، ثم رزق منها ب5 أطفال آخرين على مدى السنوات الـ12 التالية، هم كريستين، ويوخن هايزنبرغ، والذي أصبح فيزيائياً ألمانياً متخصصاً في الفيزياء النووية، وابنه مارتن وو عالم أعصاب ووراثة ألماني شهير، وفيرينا.

عاش فيرنر مع زوجته في جنوب ألمانيا، حيث اشترى منزلًا صيفيًا للعائلة في قرية أورفيلد أم فالشنسي.

ما هي ديانة فيرنر هايزنبيرغ؟

ولد العالم الألماني فيرنر هايزنبرغ في عائلة مسيحية لوثرية، وهي فرع من فروع البروتستانتية، وقد كان مهتمًا منذ صغره بالفلسفة والديانة، رغم أنه كان عالمًا، وكرس حياته للعلم.

وقد ظهر اهتمام هايزنبرغ بالفلسفة في العديد من كتبه، كما ناقش العلاقة بين العلم والدين والفلسفة، وهو ما يعكس اهتمامه بالجوانب الروحية والفلسفية في الحياة.

اهتم هايزنبرغ بالفلسفة بشكل كبير، وخاصة فلسفة أفلاطون، وقد كان طوال حياته يتناقش في موضوعات فلسفية مع زملائه ومعلميه في المدرسة والجامعة، وقد صرح بأن عقله تشكل بفضل دراسة الفلسفة وأفلاطون.

وقد أشار هايزنبرغ إلى الطبيعة كونها "كتاب الله الثاني" أما الكتاب المقدس فهو "كتاب الله الأول"، وقد آمن أن الفيزياء هي تأمل في الأفكار الإلهية للخلق، وبالتالي فإن دراستها بمثابة خدمة إلهية؛ وذلك لأن الله خلق العالم وفقًا لأفكاره عن الخلق، ويمكن للبشر فهم العالم بأن الإنسان خُلق على صورة الله الروجية.

ومن مقولات فيرنر هايزنبيرغ عن الدين والعلم، مقولة قالها خلال خطابه عندما تسلم جائزة رومانور جوارديني، والخطاب كان بعنوان "الحقيقة العلمية والدينية"، حيث دافع عن الدين، وأكد على ارتباط الدين بالعلم.

ومن مقولاته فيرنر هايزنبيرغ في الخطبة: "لقد زعم الكثيرون في تاريخ العلم، منذ محاكمة جاليليو الشهيرة، أن الحقيقة العلمية لا يمكن التوفيق بينها وبين التفسير الديني للعالم. ورغم أنني مقتنع الآن بأن الحقيقة العلمية لا تقبل الجدل في مجالها الخاص، إلا أنني لم أجد قط أنه من الممكن أن نرفض محتوى الفكر الديني باعتباره مجرد جزء من مرحلة عفا عليها الزمن في وعي البشرية، وهو الجزء الذي يتعين علينا أن نتخلى عنه من الآن فصاعداً. وعلى هذا فقد اضطررت مراراً وتكراراً طيلة حياتي إلى التفكير في العلاقة بين هذين المجالين من الفكر، لأنني لم أستطع قط أن أشك في حقيقة ما يشيران إليه".

مسيرته الأكاديمية

بدأ العالم الألماني فيرنر هايزنبرغ مسيرته الأكاديمية عام 1924، حيث أصبح أستاذَا خاصة في جامعة غوتنغن، وخلال هذه الفترة كان يقوم بأبحاث علمية مع نيلز بور، مدير معهد الفيزياء النظرية في جامعة كوبنهاجن، وذلك بموجب زمالة من مجلس التعليم الدولي، ومؤسسة روكفلر.

نشر هايزنبرغ العديد من الأوراق البحثية الرائدة في هذه الفترة، كما أنه طور صياغة ميكانيكا المصفوفة لميكانيكا الكم. في عام 1926 أصبح هايزنبرغ محاضرًا جامعيًا ومساعدًا للعالم بور في كوبنهاجن.

خلال عمله في كوبنهاجن طوّر هايزنبرغ مبدأ عدم اليقين، الذي أصبح أحد الأسس الرياضية لميكانيكا الكم. في عام 1927 تم تعيينه أستاذَا للفيزياء النظرية، ورئيسًا لقسم الفيزياء في جامعة لايبزيغ، وألقى العديد من المحاضرات، ونشر الكثير من الأوراق البحثية كذلك.

وخلال تواجده في جامعة لايبزيغ تمكن هايزنبرغ من تطوير مهاراته في التدريس، وأشاد به العديد من الزملاء وطلاب الدراسات العليا، وقد درّس في هذه الفترة عددًا من العلماء البارزين، ومنهم روبرت إس موليكين، وفيكتور فريدريك فايسكوف، وجريجور وينتزل، وكلارنس زينر وغيرهم.

تمكن هايزنبرغ من أن يحصد لقب أصغر أستاذ بدوام كامل في ألمانيا، وأصغر رئيس قسم، حيث كان في سن الخامسة والعشرين، وألقى محاضرات حضرها علماء فيزيائيون منهم روبرت أوبنهايمر، وإدوارد تيلر، والذي عملوا لاحقًا في مشروع مانهاتن في الولايات المتحدة.

في عام 1929 قدم فيرنر هايزنبرغ ورقتين بحثيتين كانتا الأساس في نظرية المجال الكمي النسبي، وقد بدأ في هذا العام في إلقاء محاضرات في جامعة عالمية في الصين، والهند، واليابان، والولايات المتحدة، كما أصبح محاضرًا زائرًا في جامعة شيكاغو.

ما هو مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ؟

مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ هو واحد من المبادئ الأساسية في ميكانيكا الكم، وقد قدمه العالم الألماني فيرنر هايزنبرغ في عام 1927، ويوضح هذا المبدأ القيود الأساسية على دقة القياسات التي يمكن أن نجريها على الجسيمات الدقيقة مثل الإلكترونات والفوتونات. ينص المبدأ على أنه من المستحيل تحديد موقع وزخم (كمية الحركة) جسيم كمي بدقة متناهية في نفس الوقت.

على ماذا ينص مبدأ هايزنبرج للشك؟

وينص مبدأ هايزنبرغ لعدم اليقين أنه إذا حاولت قياس موقع جسيم بدقة عالية، فإن عدم اليقين في الزخم سيزداد، وبالعكس، إذا حاولت قياس الزخم بدقة عالية، فإن عدم اليقين في الموقع سيزداد.

وينطبق مبدأ هايزنبرغ لعدم اليقين على الأثر الكمي كذلك، فهو لا يعتمد على تقنيات القياس فحسب، بل هو خاصية جوهرية للجسيمات الكمية. يعني هذا أنه حتى لو كانت أدوات القياس مثالية، فإن المبدأ لا يزال ينطبق. وعند محاولة قياس أحد الخصائص (مثل الموقع)، نؤثر على الخصائص الأخرى (مثل الزخم)، وعلى المستوى الكمي، تكون عملية القياس نفسها قادرة على تغيير حالة النظام الذي نقيسه.

ومن تطبيقات نظرية عدم اليقين لهايزنبرغ موجودة في الإلكترونات في الذرات، حيث يشرح هذا المبدأ لماذا لا يمكن للإلكترونات في الذرات أن تكون ثابتة في موقع محدد حول النواة، لو كان موقع الإلكترون محددًا بدقة، لكانت طاقتها الحركية أو "الزخم"، غير محدد بشكل كبير، مما يجعل النظام غير مستقر.

يوضح المبدأ أيضًا لماذا لا يمكن أن يكون الفضاء فارغًا بالكامل، حتى في الفراغ التام توجد تقلبات كمية تتعلق بالطاقة والزخم.

مبدأ عدم اليقين كان له تأثير كبير على الفلسفة والعلم؛ لأنه يغير فهمنا للواقع. في الفيزياء الكلاسيكية، يُعتقد أن من الممكن قياس جميع الخصائص الفيزيائية بدقة تامة إذا كانت الأدوات دقيقة بما فيه الكفاية، ويظهر أن هناك حدوداً أساسية لدقتنا، وبالتالي يتعين علينا التفكير بطرق جديدة حول الطبيعة الأساسية للواقع.

نظرية الكم لفيرنر هايزنبيرغ

تشير نظرية الكم لفيرنر هايزنبيرغ بشكل أساسي إلى تطويره ميكانيكا المصفوفات، والتي تعد من الصيغ الرئيسية لميكانيكا الكم، ويعد هايزنبرغ من أوائل من قدموا صياغة رياضية متكاملة لميكانيكا الكم، والتي تفسر سلوك الجسيمات على المستوى الذري، وتحت الذري.

قدم هايزنبيرغ نظريته فيم ميكانيكا المصفوفات في عام 1925، واستخدمها كطريقة لوصف الظواهر الكمية، وقد استخدم ميكانيكا المصفوفات والمتجهات لتمثيل الحالة الكمية للجسيمات، بدلًا من استخدام المتغيرات التقليدية في الفيزياء الكلاسيكية، منها الموقع والزخم.

في ميكانيكا المصفوفات، يتم تمثيل المراقبات مثل الموقع والزخم بمصفوفات بدلاً من أرقام بسيطة. القيم الممكنة لهذه المراقبات (التي يمكن قياسها في التجربة) هي القيم الذاتية لهذه المصفوفات. وتطورت معادلات الحركة في ميكانيكا المصفوفات بناءً على معاملات المصفوفات وعملياتها الحسابية.

وقد وضحت ميكانيكا المصفوفات بشكل طبيعي بعض الظواهر الكمية، منها الطاقة في الأنظمة الذرية، والتداخل الكمومي، كما أنها فسرت بشكل فعال طيف الضوء المنبعث أو الممتص بواسطة الذرات، وهو أمر فشلت الفيزياء الكلاسيكية في تفسيره.

نجحت نظريته أيضًا في فهم الأنظمة الذرية والمعادلات التي تصف حركة الإلكترونات حول النواة، كما فسرت ظواهر التدخل الكمي والاضطراب، وهو ما فتح الباب لفهم أعمق للسلوك الكمي.

قدمت ميكانيكا المصفوفات أساسًا متينًا للعديد من التطورات اللاحقة في الفيزياء النظرية. كما أثرت على فهمنا لمفاهيم مهمة مثل مبدأ عدم اليقين، الذي يصف القيود الأساسية على دقة القياسات الكمية، وقد كان لهذه النظرية تأثير كبير على مجالات أخرى منها الفيزياء النووية، والكيمياء الكمومية، وعلم المواد.

حصوله على جائزة نوبل

حصل فيرنر هايزنبيرغ على جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1932 "عن إنشاء ميكانيكا الكم وتطبيقاتها، والتي من بينها اكتشاف الأشكال المتآثرة للهيدروجين"، وقد رفعت تلك الجائزة من مكانة هايزنبرغ في المجتمع العلمي، وجعلته من أبرز الفيزيائيين في العالم.

أشهر كتب فيرنر هايزنبيرغ

كتب فيرنر هايزنبيرغ العديد من الكتب والأوراق البحثية، ومن أهم كتبه كتاب "المبادئ الفيزيائية لنظرية الكم". نشر كذلك سيرته الذاتية في أواخر الستينات عام 1969 في ألمانيا، وقد ترجم إلى اللغة الإنجليزية في أوائل عام 1971.

من كتبه العلمية أيضًا كتاب "نظرية المجال الموحد". في عام 1980 نشرت أرملته كتاب "الحياة السياسية لشخص غير سياسي" ووصفت فيه زوجها بأنه عفوي وعالم لامع وفنان موهوب.

سنواته الأخيرة الوفاة

عانى العالم الألماني فيرنر هايزنبرغ من مرض سرطان الكلى، وقد توفي بسببه في الأول من فبراير عام 1976، ودفن في ميونيخ والدفيردهوف.

جوائز وتكريمات

خلال حياته حصل العالم فيرنر هايزنبرغ على العديد من الجوائز والأوسمة، فقد حصل على الدكتوراه الفخرية من جامعة بروكسل، والجامعة التكنولوجية في كارلسروه، وجامعة إيوتفوس لوراند.

حصل أيضًا على وسام الاستحقاق البافاري، وجائزة رومانو جوارديني، والصليب الأعظم للخدمة الفيدرالية، ووسام فارس الاستحقاق، كما تم انتخابه عضوًا في الجمعية الفلسفية الأمريكية، وعضوًا فخريًا في الأكاديمية الأمريكية للفنون والعلوم.

حصل كذلك على جائزة نوبل في الفيزياء لإنشاء ميكانيكا الكم، كما حصل على ميدالية ماكس بلانك الجمعية الفيزياء الألمانية.