Werner Heisenberg

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Biographie

Werner Karl Heisenberg (né le 5 décembre 1901 à Wurtzbourg, Empire allemand, mort le 1er février 1976 à Munich, Allemagne) est un physicien allemand qui fut l'un des fondateurs de la mécanique quantique. Il est lauréat du prix Nobel de physique de 1932 « pour la création de la mécanique quantique, dont l'application a mené, entre autres, à la découverte des variétés allotropiques de l'hydrogène ».

Werner Heisenberg est né en 1901 à Wurtzbourg dans une famille d'enseignants : son père August Heisenberg est professeur de littérature byzantine, sa mère Annie Wecklein est la fille du directeur du lycée dans lequel Werner et son frère aîné Erwin font leurs études. À neuf ans, sa famille s'installe à Munich où son père a décroché un poste à l'université. Adolescent, Heisenberg fréquente le lycée Maximilien de Munich ; il est éclaireur dans des mouvements de jeunesse.

Passionné par les mathématiques, il suit en auditeur libre plusieurs cours de l'université de Munich, notamment sur les méthodes mathématiques de la physique moderne. En fait, il veut sauter les deux années préparatoires de mathématiques et à cette fin, il s'entretient avec un des professeurs de mathématiques, mais ce dernier se montre très critique vis-à-vis des mathématiques appliquées. Dans son autobiographie La Partie et le Tout (Der Teil und das Ganze), Heisenberg décrit l'entrevue comme un désastre : quand le professeur Ferdinand von Lindemann apprend qu'Heisenberg a lu un livre d'Hermann Weyl sur la relativité générale, il rompt l'entretien avec ces mots : « Alors vous êtes vraiment perdu pour les mathématiques! ». Il assiste à la proclamation de la République des conseils de Bavière et sa répression par les Corps francs dans lesquels il participe comme aide au combat.

Il accomplit ses études de physique à l'université de Munich dans le délai record de trois ans, et soutient sa thèse sur « la stabilité des écoulements de fluide et la turbulence » sous la direction d'Arnold Sommerfeld. Après avoir obtenu son doctorat le 23 juillet 1923, il devient dès 1924 l'assistant de Max Born à Göttingen puis il travaille avec Niels Bohr à Copenhague. C'est au cours des années suivantes qu'avec Max Born et Pascual Jordan, il jette les bases théoriques de la mécanique quantique.

Heisenberg est recruté en 1927 comme professeur à l'Université de Leipzig, âgé seulement de 26 ans. Il fait de cet établissement l'un des hauts-lieux de la physique théorique (et en particulier de la physique nucléaire) en Europe.

Il développe la première formalisation de la mécanique quantique, en 1925, en même temps qu'Erwin Schrödinger. Toutefois le formalisme mathématique est différent ; Heisenberg adopte une formalisation matricielle, la « mécanique matricielle », alors que Schrödinger utilise une approche par les équations différentielles. Pour cette raison, on croit d'abord que les deux théories sont distinctes, mais l'année suivante, Schrödinger établit l'équivalence mathématique des deux formulations. Heisenberg redécouvre d'ailleurs à cette occasion les principaux résultats du calcul matriciel pour les besoins de l'expérimentation ; la théorie complète des matrices ne lui est enseignée que plus tard par le physicien allemand Pascual Jordan.

Son principe d'incertitude, découvert en 1927, affirme que la détermination de certains couples de valeurs, par exemple la position et la quantité de mouvement, ne peut se faire avec une précision infinie. On peut le formaliser sous la forme d'un produit : Δpx Δx ≈ h où Δpx représente l'indétermination sur la quantité de mouvement, Δx l'indétermination sur la position et h la constante de Planck. Ce produit ne peut être inférieur à la constante h/4pi (ou bien ħ/2, où ħ est la constante de Planck réduite) et donc toute précision dans la mesure d'une des deux quantités se fait au détriment de l'autre. Cette incertitude n'est pas liée à la mesure, mais est une propriété réelle des valeurs en question : améliorer la précision des instruments n'améliorera pas la précision de cette mesure simultanée. La même année, il participe au Congrès Solvay qui oppose les physiciens sur l'interprétation de ce principe et de la mécanique quantique en général.

À partir de 1929, il travaille avec Wolfgang Pauli à l'élaboration de la théorie quantique des champs.

Il reçoit le prix Nobel de physique en 1933(mais pour l'année 1932) « pour la création de la mécanique quantique, dont l'application a, entre autres, mené à la découverte des variétés allotropiques de l'hydrogène » (l'orthohydrogène et le parahydrogène).

Après la découverte du neutron par James Chadwick en 1932, Heisenberg propose le modèle proton-neutron du noyau atomique, et s'en sert pour expliquer le spin nucléaire des isotopes.

Heisenberg décide de rester en Allemagne nazie dès les débuts du régime, non par sympathie, dit-il, mais pour préserver l'avenir et préparer l'après-guerre, idée qui lui serait venue d'un entretien avec Max Planck. De 1942 jusqu'à 1945, Heisenberg dirige l'Institut de Physique Kaiser-Wilhelm à Dahlem et enseigne à l'université Humboldt de Berlin, tout en étant l'un des pères du projet Uranium destiné au développement des armes secrètes allemandes. Il dirige le programme allemand d'armement nucléaire à l'Institut Kaiser Wilhelm de Berlin, mais la réalité de sa collaboration est sujette à controverse. Il affirme qu'avec Carl Friedrich von Weizsäcker, ils essayent de développer le programme vers le développement de l'énergie nucléaire pacifique, et que, de toute façon, la suite des recherches les convaint que la possibilité technique d'une bombe ne viendrait que bien après la guerre, notamment en raison de la difficulté d'obtention en quantités importantes d'uranium 235. Les nazis eux-mêmes se seraient désintéressés de cette option, affirme-t-il.

Cependant, entre 1941 et 1944, Heisenberg participe à plusieurs voyages de propagande nazie en Hongrie, au Danemark, aux Pays-Bas et en Pologne, dans le rôle d'éminence culturelle accompagné par des officiels du parti et célébré par les autorités militaires d'occupation, pour gagner les élites locales à la collaboration. Et lors de ses entretiens avec Niels Bohr à Copenhague en septembre 1941, il lui dit sa « ferme conviction que l'Allemagne gagnera la guerre et que nous étions fous d'espérer (sa défaite) et de refuser la collaboration », et lui donne la nette impression que « sous (sa) direction, tout était fait en Allemagne pour fabriquer l'arme nucléaire ». Cette réunion jette un froid entre Heisenberg et Bohr, qui quitte alors le Danemark et rejoint le projet Manhattan. Cependant, les Allemands ne réussirent pas à produire d'arme nucléaire.

Il y a beaucoup de controverses pour savoir si Heisenberg a vraiment tenté de ralentir le projet. Heisenberg affirme après la guerre qu'il aurait freiné ce programme s'il avait eu une chance de réussir. Le livre Heisenberg's War de Thomas Power, et la pièce de théâtre Copenhague de Michael Frayn exposent cette vision des choses.

En février 2002, ont été publiées des lettres que Bohr écrit à Heisenberg en 1961, sans se résoudre à les envoyer. Dans celles-ci, Bohr précise qu'Heisenberg, lors de leur rencontre en 1941, n'exprime aucun scrupule moral concernant le projet allemand de bombe atomique, et qu'il a passé les deux années précédant cette rencontre à travailler sur ce projet. Il est convaincu qu'elle déciderait de l'issue de la guerre. De nombreux historiens des sciences prennent cette lettre comme une preuve de l'implication d'Heisenberg dans le programme allemand, mais Heisenberg a soutenu que Bohr ne l'avait pas comprise.

Dans sa pénétrante étude de la mentalité d'Heisenberg, Cassidy estime que son nationalisme et son ambition personnelle l'ont conduit à accepter et à se faire bien voir du régime nazi ; et que s'il avait pu faire fonctionner son réacteur nucléaire, contrairement à ce qu'il déclara par la suite, « il aurait certainement procédé à l'étape suivante, qui est d'extraire du plutonium à usage militaire ». Robert Jungk qui, dans son Brighter than a thousand suns (1956), lance la fable d'un Heisenberg prétendant en 1941 dresser les physiciens du monde contre la Bombe, s'est ensuite rétracté, accusant von Weizsäcker de l'avoir trompé, et accusant Heisenberg d'avoir confirmé la fable de von Weizsäcker.

Après une brève période d'internement, il continue ses travaux après-guerre et défend la création de la Deutsche Forschungsgemeinschaft (Conseil de recherche allemand), qui est retardée mais dont il sera nommé président en 1951. Directeur de l'Institut Max-Planck sur la physique, nouvellement créé, il présidera également la Fondation Alexander von Humboldt.

Avec d'autres physiciens, les « 18 de Göttingen », il écrit une lettre au chancelier Adenauer afin que ce dernier abandonne le projet de développement d'une bombe atomique, considérant que l'Allemagne devait développer plutôt son « soft power » (avant la lettre).

Heisenberg écrit plusieurs livres de vulgarisation, ainsi qu'un ouvrage intitulé Der Teil und das Ganze (La partie et le tout) à propos de sa vie, de son amitié avec Bohr et de l'évolution de la physique quantique.

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