Heisenberg studente e gli anni del post-dottorato

Heisenberg studente universitario

"Da Sommerfeld ho imparato l'ottimismo, dalla gente di Göttingen la matematica, e da Bohr la fisica."    Heisenberg

Heisenberg intraprese l'Università di Monaco nell'autunno del 1920. Egli aveva progettato di studiare la matematica pura, ma dopo un incomodante incontro con uno dei professori di matematica, Heisenberg si diede alla fisica teoretica. Arnold Sommerfeld, il professore di quella materia, riconobbe immediatamente i suoi talenti e ammise Heisenberg al suo seminario avanzato. Da quando gli studenti iniziarono l'università ad un livello equivalente al penultimo anno di un college americano, i loro studi furono più concentrati su una specifica materia di specializzazione e presto corrisposero ad un lavoro di livello graduato.

Heisenberg ricevette il suo dottorato dall'Università di Monaco nel 1923 nel tempo record di tre anni. Nel 1927 egli fu nominato professore di fisica teoretica a Leipzig, all'età di 25 anni il più giovane professore in Germania. Dal tempo in cui entrò all'università di Monaco fino alla sua nomina come professore a Leipzig, Heisenberg studiò e si esercitò in tre dei centri dominanti del mondo per la fisica atomica teoretica: Monaco, Göttingen e Copenaghen, e con tre dei teorici atomici dominanti del mondo: Sommerfeld, Max Born e Niels Bohr. A Monaco Heisenberg iniziò anche un'amicizia lunga una vita con Wolfgang Pauli, un fisico ugualmente brillante con cui ebbe un'ampia corrispondenza.

Mentre Sommerfeld era in viaggio in America per l'anno scolastico 1922/23, Heisenberg studiò a Göttingen come allievo di Max Born e come assistente personale. Egli tornò a Monaco per completare il suo dottorato, quindi raggiunse nuovamente Göttingen come assistente di Born dall'autunno 1923 alla primavera 1926. Egli ricevette "l'abilitazione", o qualifica alla conferenza a livello universitario, nel luglio 1924. Dal settembre 1924 all'aprile 1925 Heisenberg visitò l'istituto di Bohr a Copenaghen, Danimarca, con il supporto della Fondazione Rockefeller. Ritornando a Göttingen fece la sua prima scoperta della meccanica quantistica. Dal maggio 1926 al novembre 1927, Heisenberg servì come docente universitario a Copenaghen e come assistente di Bohr. Da ognuno di questi insegnanti e colleghi in ognuno dei tre luoghi che visitò durante questo periodo, Heisenberg guadagnò preziosi intuizioni e imparò preziose tecniche che aiutarono a spingerlo alla vetta della sua professione e resero possibile le sue scoperta riguardo alla meccanica quantistica.

Heisenberg ebbe anche la grande fortuna di intraprendere la fisica atomica proprio nel momento adatto ad una scoperta. In quel tempo la vecchia teoria quantica dell'atomo, stabilita da Bohr e Sommerfeld, stava cominciando a crollare. Secondo questa teoria, gli elettroni orbitavano attorno al nucleo come i pianeti intorno al sole. Essi erano trattenuti nel posto da un'attrazione elettrica. Ma diversamente dai pianeti, l'energia delle orbite degli elettroni possono ricorrere solo in certe quantità, corrispondenti a certe orbite fissate. Queste caratteristiche quantità o "quanti" di energia e le orbite relative diedero origine alla teoria quantica dell'atomo. Benché questa teoria funzionasse bene in molti casi, dai primi anni '20 studi più accurati rivelarono così tanti problemi che alcuni fisici cominciarono a parlare di una crisi nella teoria quantica.

La società tedesca a quel tempo stava anche avendo un'esperienza di crisi. Gli assassinii e i tentativi di abbattere il governo erano frequenti e culminarono il 9 novembre 1923 nel fallito tentativo di Hitler di prendere il controllo della Baviera prima di marciare su Berlino. In quello stesso momento il tasso di inflazione in Germania raggiunse proporzioni astronomiche durante il quale il marco tedesco divenne praticamente inutilizzabile. Anche dopo che il marco fu stabilizzato nel 1924, ci furono difficoltà nelle accademie per guadagnarsi da vivere. Gli scienziati tedeschi permisero a promettenti giovani di procurarsi saggiamente concessioni post-dottorali. Questi furono i principali aiuti di Heisenberg in questo periodo.

Fin dall'inizio Heisenberg dimostrò il suo talento per la fisica atomica e la sua unica abilità di lanciarsi alla soluzione del problema che altri non furono capaci di risolvere. Nella maggior parte dei casi, comunque, la soluzione richiedeva la violazione di principi accettati e procedure che furono più tardi provate accettabili. Questo fu evidente nel suo primo foglio, pubblicato nel 1921. Imparando le basi con Sommerfeld a Monaco, a Göttingen Heisenberg imparò a seguire più strettamente i principi e ad applicare sofisticati metodi matematici per calcolare le orbite quantiche degli elettroni negli atomi. D'altra parte la teoria quantica fallì, ma egli ora aveva imparato esattamente dove essa falliva. Con Bohr a Copenaghen, egli raggiunse una più ampia prospettiva sulla natura della fisica atomica e sulle sue mete. Egli fu anche uno dei pochi visitatori internazionali dell'istituto di Bohr per imparare la lingua danese, che gli diede un vantaggio quando Bohr ebbe bisogno di un nuovo assistente nel 1926. Il suo lavoro e la sua discussione con Bohr a Copenaghen più tardi portarono alle relazioni di indeterminazione e alla "Interpretazione di Copenaghen".
 

La triste storia del dottorato di Heisenberg

"Nel trattare il presente problema, Heisenberg mostrò ancora una volta le sue straordinarie abilità: il completo controllo dell'apparato matematico e l'audace intuito fisico."
Arnold Sommerfeld

Nel maggio 1923 Heisenberg tornò a Monaco da Göttingen, dove era stato uno studente in visita, per concludere il suo ultimo semestre mentre scriveva la sua dissertazione dottorale. Conoscendo la reputazione di Heisenberg per controverse soluzioni di problemi nella teoria dei quanti, il suo consigliere di Monaco, Arnold Sommerfeld, suggerì che egli scrivesse la sua dissertazione nel più tradizionale campo dell'idrodinamica. Il titolo in Italiano è: "La Stabilità e la Turbolenza del Liquido Corrente".
Heisenberg dovette anche assumere per quattro ore la direzione del laboratorio nella fisica sperimentale offerta dal prof. Willy Wien. Wien insistette che ogni fisico, inclusi i brillanti teorici di Sommerfeld, doveva essere pienamente preparato sulla fisica sperimentale. Wien e Sommerfeld esaminarono entrambi l'esame finale orale del candidato ed entrambi dovettero accordarsi su un singolo voto in fisica.

Mentre Heisenberg entrò a fatica nel corso di laboratorio di Wien (con molto dispiacere di Wien per i risultati), egli preparò la sua dissertazione. Egli sottopose la sua dissertazione, un calcolo di 59 pagine intitolato "La Stabilità e la Turbolenza del Liquido Corrente", alla facoltà di Monaco il 10 luglio 1923. L'argomento era preso da un vecchio contratto di ricerca che Sommerfeld aveva ricevuto da una compagnia che incanalava il fiume Isar attraverso Monaco. Il problema era di determinare la precisa transizione di un liquido che fluisce dolcemente (fluido laminare) verso un fluido turbolento. Era un problema matematico estremamente difficile, tanto che Heisenberg offrì solo una soluzione approssimata. I risultati rimassero in dubbio addirittura per un quarto di secolo, prioma di essere definitivamente confermati. Questo problema permise ad Heisenberg di accedere alla commissione orale, di cui cui facevano parte Sommerfeld e Wien.

Ma, su una domanda di Wien, Heisenberg si inceppò (in quanto non conosceva un particolare strumento utilizzato dal suo docente) e venne umiliato di fronte alla commissione. Nonostante egli riuscì comunque a diventare dottore, fu così mortificato che patrtì subito per Gottingen, chiedendosi se Born sarebbe stato ancora disposto ad accettarlo.

C'è un'interessante conclusione per questo episodio. Quando, alcuni anni più tardi, Heisenberg scoprì le relazioni che portano il suo nome, egli dovette utilizzare il fatidico microscopio che tanto l'aveva offeso... ed ebbe ancora notevoli difficoltà!

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