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Além da incerteza, primeira parte

terça-feira, 23 jun 2009; \26\UTC\UTC\k 26 9 comentários

Werner Heisenberg em 1927

Werner Heisenberg em 1927

Werner Karl Heisenberg (1901-1976) foi um homem de conquistas: descobriu a primeira formulação matemática da mecânica quântica através de pura indução física desconhecendo as ferramentas matemáticas que estava introduzindo e desempenhou papel central na interpretação física do formalismo matemático quando tinha apenas 23 a 25 anos; foi a pessoa mais jovem a ocupar uma posição de professor titular (mais alto posto hierárquico acadêmico) na Alemanha em 1927; recebeu sozinho o prêmio Nobel em 1932 então com 30 anos — um dos mais jovens laureados da história. Embora seus trabalhos de 1925-1927 da formulação da mecânica quântica por si só seriam mais do que qualquer físico poderia esperar como legado científico, Heisenberg ainda foi um dos primeiros (1928) a estudar a física do estado sólido quântica com seus alunos Felix Bloch e Rudolf Peierls, desenvolveu o primeiro modelo de magnetismo da matéria com base no spin do elétron (1928) e o primeiro modelo da força nuclear forte (1932). A partir de 25 anos, líder do Instituto de Física Teórica da Universidade de Leipzig, Heisenberg orientou diversos alunos e pós-doutores que realizaram trabalhos célebres e solidificaram o desenvolvimento da física quântica: Bloch e Peielrs, Guido Beck, Gian-Carlo Wick, Victor Weisskopf, Fritz Sauter, Carl Friedrich von Weizsäcker, Hans Euler e Edward Teller.

Heisenberg também foi um dos poucos acadêmicos célebres que permaneceu na Alemanha durante o regime nazista. Junto com Max von Laue e Max Planck, exerceu uma das primeiras resistências acadêmicas ao regime — infrutífera. Ele, Otto Han e Weizsäcker, lideraram o polêmico projeto da bomba atômica nazista, o episódio de maior escrutínio e controvérsia histórico da vida de Heisenberg.

Após a segunda guerra, Heisenberg dedicou-se a reconstrução da física na Alemanha. Um de seus principais feitos políticos foi a co-fundação e direção de 1958 até 1970 do Instituto de Física e Astrofísica Max Planck, que se tornou um dos mais importantes centros mundiais de física.

Este ano, uma iluminadora biografia foi publicada pelo seu biógrafo David Cassidy: Beyond Uncertainty: Heisenberg, Quantum Physics, and The Bomb. O propósito desta publicação é triplo: primeiro, reescrever a biografia técnica de Cassidy Uncertainty de forma acessível a quem não tem treinamento específico em física e matemática; segundo, escrever a biografia em um tom mais de romance do que um texto histórico-técnico (embora as referências estejam presentes dentro do padrão acadêmico) e elaborar os detalhes do contexto histórico (político e econômico) de toda a vida de Heisenberg; e terceiro, atualizar a biografia em face a duas novas fontes de material. Em 2002, o arquivo de Niels Bohr em Copenhague liberou uma série de cartas particulares não-enviadas escritas por Bohr recontando a visita de Heisenberg em 1941 a Copenhague ocupada pelos nazistas — motivado pelo interesse do público na peça de teatro ficcional Copenhague — , e em 2003, a família Heisenberg decidiu tornar pública a correspondência de Heisenberg a familiares. Os dois últimos objetivos alcançados pela obra a fazem de uma agradável e informativa leitura, não apenas da trajetória de Heisenberg mas da física teórica nos anos 1920-1930 e da vida acadêmica e educação na Alemanha pré, entre e pós guerra.

Anos formativos

Família Heisenberg. Esq./dir.: Werner, Annie (mãe), August (pai) e Erwin.

Família Heisenberg, por volta do final de 1918. Esq./dir.: Werner, Annie (mãe), August (pai) e Erwin.


O triunfo intelectual de Heisenberg e dos físicos alemães antes da 2a Guerra Mundial foi provavelmente um produto da sociedade em que eles viveram. Como contado por Cassidy, na Alemanha das primerias duas décadas do século XX, as escolas e universidades eram públicas. Heisenberg estudou na segunda maior escola pública de Munique, Maximillians Gymnasium, a primeira sendo Luitpold Gymnasium (atual Albert Einstein Gymnasium. Advinhe quem estudou lá…). Todos os professores do ginásio alemão eram doutores em suas disciplinas, lecionavam tipicamente em duas (p.ex. doutores em matemática também lecionavam física), eram contratados para uma carga horária que excedia muito o tempo em sala de aula para incluir atendimento extra-classe aos alunos mas primordialmente pesquisa acadêmica — isso mesmo, o ginásio funcionava como as universidades de pesquisa. Os professores eram avaliados pelo diretor da escola tanto em desempenho em sala de aula como publicações. O pai de Werner, August Heisenberg, era um professor escolar no Altes Gymnasium na cidade de Würzburg onde Werner nasceu, doutor em filologia grega pela Universidade de Munique, até assumir a cátedra de filologia de grego clássico na sua alma mater em 1910. Essa era a única cátedra acadêmica na Alemanha de grego naquela época: August estava no topo da sua profissão.

August incentivou desde cedo suas crianças, Erwin e Werner. Acompanhava de perto o desempenho escolar dos filhos, presenteava-os com livros técnicos, propunha problemas de grego, alemão e matemática que iam além das tarefas escolares, ensinou-os música clássica e a tocar piano, violino e celo — a família se reunia a noite para sessões de música — e a jogar xadrez. Werner era especialmente feliz nos problemas de matemática e no xadrez. Quando tinha 17 anos, costumava jogar sem tabuleiro (de memória) com um amigo do movimento da juventude. Certa vez, quando Heisenberg e seus camaradas do movimento subiam uma trilha de uma montanha jogando xadrez sem tabuleiro, Heisenberg, segundo contou mais tarde este seu amigo, teria encontrado um tabuleiro no chalé onde passariam a noite no alto da montanha e de sua memória extraiu todo o jogo. Aparentemente, nessa idade Werner era capaz de bater quase todos os seus conhecidos no jogo. Provavelmente por ser tão bom em xadrez, dedicava várias horas ao jogo, de modo que ao ingressar na Universidade de Munique foi proibido por seu professor Arnold Sommerfeld de continuar jogando: “desperdício de talento” :)

Movimento da Juventude

Uma das atividades mais importantes na vida de Werner foi sua participação no movimento da juventude alemã. A origem do movimento começa com a introdução dos Escoteiros (Boys Scouts), a organização inglesa, na Alemanha, onde se denominaram Pfadfinder (literalmente: desbravadores de caminhos). Após a primeira guerra, garotos adolescentes ex-membros dos Pfadfinder decidiram reviver as atividades mas sem nenhuma liderança adulta. Nascia o movimento da juventude. Werner aos 17 anos, então na última série do ginásio, foi escolhido como líder de um desses grupos, organizado por alunos do Max-Gymnasium. O grupo Heisenberg teve cerca de dez membros (incluindo o líder). Eles mais tarde se reassociaram de forma independente a outros grupos do mesmo movimento. Em agosto de 1919, o movimento da juventude na Alemenha e na Áustria consistia de cerca de 250 crianças. Eles organizaram uma publicação própria, Der Weisse Ritter (O cavaleiro branco), onde publicavam ensaios que definiam a filosofia do movimento. O adolescente Heisenberg chegou a publicar ao menos uma vez no periódico.

As atividades do movimento da juventude consistiam em explorar montanhas, praticar esportes como natação e ski, acampar, fazer luais e outros encontros musicais, e viver longe dos centros urbanos por longos períodos de até um mês — isso incluía, portanto, pesca, caça, coleta de frutas, e outras atividades exercidas pelas crianças na faixa etária de 12 a 19 anos, tudo sem supervisão de um adulto. A postura política do movimento era a de não-envolvimento na política adulta, considerada demagoga e menos nobre, da valorização do modo de vida dos escoteiros em contato com a Natureza e das tradições germânicas nas artes e identidade nacional.

Heisenberg formou laços de amizades que duraram quase toda a sua vida com seu grupo. Enquanto estava longe deles, sentia-se só e depressivo, principalmente nos seus anos em Göttingen e Copenhague. Sua pesquisa em física foi marcada por períodos de intenso trabalho intercalados por atividades do movimento. Quando saia com seus garotos, Heisenberg não pensava em física. Isso parece ter sido crucial para balancear a mente do jovem com a abstração do trabalho técnico que estava fazendo. Ele continuaria essa vida mesmo após tornar-se professor em Leipzig aos 25 anos, encerrando-a apenas em 1934 por força do estado nazista. Os seus amigos do Grupo Heisenberg também se tornaram acadêmicos em outras áreas. Um deles, de nome Kurt Pflügel, tinha longas discussões filosóficas com Werner. Mais tarde em sua autobiografia (A Parte e o Todo, Ed. Contraponto), Werner associaria Kurt a uma de suas primeiras influências intelectuais.

É talvez importante ressaltar que o movimento da juventude a qual nos referimos dos anos 1920 (uma das ressurreições do Wandervogel germano) não tem ligação com a Juventude de Hitler. Esta segunda foi fundada em 1922, era organizada pelos adultos do NSDAP e em 1926 foi absorvida pela Sessão de Assalto (SA, Sturmabteilung). Diferente do movimento apolítico dos novos Pfadfinder, a juventude hitlerista era política — e centrada nisso. O movimento da juventude consistia em algumas centenas de garotos, enquanto a juventude hitlerista em 1930 era formada por cerca de 25 mil garotos. Em 1934, o governo nazista passou uma lei tornando ilegal todos os grupos de jovens independentes, marcando o fim do Grupo Heisenberg e de todas as unidades dos novos Pfadfinders.

Em grande parte, von Weizsäcker substituiu os laços de amizade desfeitos com os Pfadfinders durante o regime nazista.

Instituto de Sommerfeld

Arnold Sommerfeld em 1923

Arnold Sommerfeld em 1923


Durante o colégio, Heisenberg manteve-se avançado nos estudos principalmente de matemática, concetrado na teoria de números. Aos dezessete, ele já havia submetido um artigo para publicação sobre a equação de Pell, que foi rejeitado pelo jornal mas sem desmotivar o autor. Ao qualificar como aluno da Universidade de Munique para a primavera de 1920, a primeira atividade de Werner foi tentar ingressar no grupo de pesquisa matemática de Ferdinand von Lindemann. O final da entrevista foi marcado por Heisenberg comentando que estava estudando Espaço, tempo e matéria de Hermann Weyl ao que Lindemann respondeu “Nesse caso você está perdido para a matemática”.

A próxima escolha foi Arnold Sommerfeld, chefe do Instituto de Física Teórica. Quando Heisenberg comentou que estava lendo Weyl, a resposta de Sommerfeld foi diferente: “você está muito exigente consigo.”. Impressionado, Sommerfeld aceitou Heisenberg em estado probatório, mesmo sem o rapaz ter passado pelos cursos básicos. Depois do primeiro ano, Sommerfeld admitiu Heisenberg integralmente.

Sommerfeld acompanhava de perto seus alunos. Desde o primeiro ano, eles eram incumbidos de atividades de pesquisa: preparavam seminários e revisavam artigos do professor. Os primeiros artigos de Heisenberg sobre espectroscopia atômica e efeito anômalo de Zeeman surgiram das atividades dos seminários.

Heisenberg foi um aluno disciplinado, pontual as aulas de 9 da manhã de Sommerfeld, diferente de seu colega de classe mais avançado, Wolgang Pauli. Pauli era um boêmio, chegava atrasado nas aulas, trabalhava fervorosamente até a noite quando ia para os cabarés onde ficava até de manhã.

A fundação da mecânica quântica

Bohr, Heisenberg e Pauli em 1934 ou 1936, na cafeteria do Instituto Bohr. Em 1927, os três se reuniram em Copenhague para um intenso trabalho de elaboração das implicações da mecânica quântica. Os trabalhos iniciavam tipicamente as 9 da manhã e terminavam a meia-noite. Destes debates, surgiu o artigo do princípio da incerteza e um artigo seguinte de Bohr que fundavam a interpretação de Copenhague.

Bohr, Heisenberg e Pauli em 1934 ou 1936, na cafeteria do Instituto Bohr. Em 1927, os três se reuniram em Copenhague para um intenso trabalho de elaboração das implicações da mecânica quântica. Os trabalhos iniciavam tipicamente as 9 da manhã e terminavam a meia-noite. Destes debates, surgiu o artigo do princípio da incerteza e um artigo seguinte de Bohr que fundavam a interpretação de Copenhague.

Em julho de 1925, após longo período de isolamento em Göttingen iniciado em abril, Heisenberg apresentou ao seu supervisor Max Born que estava aquém do que seu assistente concebia, um artigo com o título Reinterpretação da cinemática e das relações da mecânica na teoria quântica com um resumo longe de modesto:

O presente artigo procura estabelecer uma base para a teoria da mecânica quântica fundada exclusivamente em relações de quantidades em princípio observáveis.

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