Werner Heisenberg

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Werner Heisenberg
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Werner Heisenberg en 1933

Naissance
Wurtzbourg (Empire allemand)
Décès (à 74 ans)
Munich (Allemagne fédérale)
Nationalité Drapeau de l'Allemagne Allemand
Domaines Physique quantique
Institutions Université de Göttingen
Université de Leipzig
Diplôme Université Louis-et-Maximilien de Munich
Renommé pour Fondateur de la mécanique quantique
Participation à l'Uranprojekt lors de la Seconde Guerre mondiale
Distinctions Prix Nobel de physique (1932)
Médaille Max-Planck (1933)
Signature de Werner Heisenberg

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Werner Karl Heisenberg, né le à Wurtzbourg, Empire allemand, mort le à Munich, Allemagne, est un physicien allemand qui est l'un des fondateurs de la mécanique quantique[1]. 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[2] ».

Biographie et carrière universitaire

Werner Carl Heisenberg naît en 1901 à Würtzburg dans une famille d'enseignants : son père August Heisenberg est un professeur au lycée de la ville et assistant de littérature byzantine à l'université, sa mère Annie Wecklein est la fille du directeur du lycée dans lequel Werner et son frère aîné Erwin font leurs études[3]. Quand il a neuf ans, la famille s'installe à Munich, où son père a décroché un poste à l'université en 1909. Heisenberg y fréquente le lycée Maximilien ; il apprend les langues, les mathématiques et la musique, il joue du piano et est aussi éclaireur scout. Mais ce n'est qu'après 1920, qu'il devient véritablement, au sein du mouvement de jeunesse, un randonneur à travers tout le pays et un pratiquant amateur et assidu dans de multiples domaines sportifs.

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 que Heisenberg a lu un livre de Hermann Weyl sur la relativité générale, il rompt l'entretien avec ces mots : « Alors vous êtes vraiment perdu pour les mathématiques[4],[5] ! ».

Il assiste à la proclamation de la République des conseils de Bavière et participe à sa répression violente par les Corps francs, comme aide au combat et combattant volontaire[6].

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[7] » sous la direction d’Arnold Sommerfeld. Après avoir obtenu son doctorat le , il devient dès 1924 l’assistant de Max Born à Göttingen tout en gardant des relations avec son ancien maître Arnold Sommerfeld puis il est lecteur à Copenhague de 1926 à 1927. Il travaille alors avec le physicien théoricien Niels Bohr. C'est au cours des années suivantes qu'avec Max Born et Pascual Jordan, il jette les bases théoriques de la mécanique quantique.

Werner Heisenberg vers 1927.

Heisenberg est recruté en 1927 comme professeur de physique atomique à l'université de Leipzig, âgé seulement de 26 ans. Il fait de cet établissement universitaire l'un des hauts lieux de la physique théorique (et en particulier de la physique nucléaire) durant l'entre-deux-guerre en Europe et dans le monde entier. Il y reste jusqu'en 1941, date où il est appelé à l'institut Kaiser Wilhelm de physique.

En 1929, le jeune physicien donne des cours et des conférences en Amérique, au Japon et en Inde. Le célèbre professeur reçoit le prix Nobel de physique en 1932.

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 de la recherche allemande par des « îlots de stabilité », idée qui lui serait venue d'un entretien avec Max Planck[8]. Le physicien célibataire est d'abord inquiété par les autorités nazies qui le soumettent à une enquête de plus en plus pressante. Sa mère informée fait appel à la mère de Heinrich Himmler, qu'elle connaît personnellement, pour mettre un point final à ces inquiétantes convocations renouvelées avec des incessants interrogatoires sur ses rapports avec Einstein et les autres physiciens exilés. Heisenberg prétend rester un simple citoyen obéissant aux lois du Reich et sans engagement politique.

Il joue souvent du piano, appliqué à partir de partitions de Bach ou Mozart, de Beethoven ou Schubert, lors des soirées mondaines chez ses amis, il rencontre Elisabeth Schumacher au cours d'une petite soirée musicale à Leipzig en janvier 1937, le couple se marie et fonde une famille.

Mécanique quantique

Heisenberg à l'âge de 23 ans s'exile sur l'île de Heligoland pour soigner une allergie aux pollens de fleurs. Le jeune assistant à l'université de Göttingen y développe la première formalisation de la mécanique quantique publiée en 1925, en même temps qu'Erwin Schrödinger. Toutefois le formalisme mathématique est différent ; Heisenberg adopte une formalisation matricielle à opération non commutative, la « mécanique matricielle », alors que Schrödinger utilise une approche ondulatoire, par résolution de fonctions d'ondes en utilisant 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[9]. Toutefois, au niveau de la signification physique, ces deux courants de la mécanique quantique restent en opposition. Albert Einstein, qui n'a jamais apprécié l'abscons formalisme matriciel, se pose en adversaire scientifique de ces constructions théoriques.

Le principe d'incertitude, ou mieux le "principe d'indétermination", énoncé en 1927, affirme que la détermination de certains couples de valeurs de physique classique, par exemple la position et la quantité de mouvement, ne peut se faire avec une précision arbitraire[10]. Ce principe affirme simplement qu'une particule quantique n'est jamais un corpuscule décrit par la physique classique. On peut le formaliser sous la forme d'un produit mathématique : 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⁄4π (ou bien ħ⁄2, où ħ est la constante de Planck réduite) et donc toute précision dans la mesure d'une des deux quantités classiques se fait au détriment de l'autre. Cette incertitude ou mieux cette indétermination n'est pas liée à une mesure caduque, mais marque la limite des propriétés réelles décrites par une approche par valeurs classiques: améliorer la précision des instruments n'améliorera pas la précision de ces mesures classiques simultanées[11]. 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[12](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[2] » (c'est-à-dire 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.

Sous le régime nazi (1933-1945)

Les ennuis (1933-1939)

Les nazis arrivent au pouvoir en 1933. En 1934 le physicien allemand Arnold Sommerfeld prend sa retraite. Pour le remplacer il propose Heisenberg. Mais le gouvernement nazi refuse car ce dernier n'est pas membre du parti et n'est pas connu pour être un partisan du Führer. Ce malentendu dure et finalement un pronazi est nommé à la chaire de physique à l'université de Munich (1935)[13]. C'est une défaite pour Heisenberg. L'institut Heisenberg est débaptisé en faveur d'un scientifique nazi (Philipp Lenard)[14]. Malgré cette déconvenue Heisenberg va continuer à s'opposer au régime.

En 1936 un article du Volkischer Beobachter, le quotidien du parti nazi, dénonce la "physique juive" (les juifs et leurs acolytes) qui ont envahi l'université allemande, et demande à purger ces éléments pour rétablir une université aryenne allemande. Heisenberg n'est pas cité mais il est clairement visé. Heisenberg demande alors un droit de réponse au Volkischer Beobachter qui lui est évidemment refusé. Cette fois, l'aile armée du parti s'en mêle : en 1937, c'est le journal des SS, le Schwarze Korps qui le 15 juillet 1937 l'accuse publiquement de "faire de la physique juive", d'être "l'esprit de l'esprit d'Einstein"[14], Heisenberg est insulté, on lui reproche d'être "le Juif blanc de la science", on le surnomme l' "Ossietzky de la Physique"[15], on appelle même à son meurtre, à son "élimination"[14]. Heisenberg craint, à juste titre, pour sa vie.

Heureusement, sa mère était une très bonne amie de la mère de Himmler, le chef de la SS, qui décide de lancer une enquête officielle. Un an après, Heisenberg est pratiquement réhabilité, les attaques cessent ; en échange, il s'engage à ne plus parler de "physique juive"[16], à ne plus mentionner publiquement les noms d'Einstein et Bohr[17]. Il ne fait toutefois pas partie du programme de recherche nucléaire militaire. Ce n'est qu'en 1942, quand le programme est abandonné par les militaires, qu'il en prend la tête[18].

Le travail pendant la Seconde Guerre mondiale (1939–1945)

Article détaillé : Recherches atomiques sous le régime nazi.

A la recherche de la bombe nucléaire

Dès décembre 1938, le chercheur Otto Hahn découvre la fission nucléaire. La voie vers un réacteur et une bombe nucléaire est ouverte. Un programme militaire allemand (l'Uranverein en allemand ou "Uranium Club" en anglais) est mis sur pied pour mettre au point la première bombe nucléaire de l'histoire. Heisenberg n'en fait pas partie, mais travaille sur le pan civil de la chose : la mise au point d'un réacteur nucléaire. A la fin de 1941, le programme militaire est officiellement abandonné car trop coûteux et seul le pan civil est conservé. De 1942 à 1945, Heisenberg dirige l’Institut de Physique Kaiser-Wilhelm à Dahlem et enseigne à l’université Humboldt de Berlin. De 1942 à 1945, Heisenberg dirige donc le programme nucléaire allemand qui n'a officiellement pas de but militaire. Heisenberg n'arrive pas à développer un premier réacteur nucléaire. Le 23 juin 1942, son prototype de réacteur nucléaire explose. Les bombardements alliés sur l'Allemagne et les restrictions budgétaires et en matières premières empêchèrent Heisenberg de mener à bien son projet. C'est avec un grand étonnement qu'il apprendra l'explosion de la bombe atomique en 1945.

Heisenberg et N. Bohr avant guerre.

Au service de la propagande nazie

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[19]. 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 »[20]. Cette réunion jette un froid entre Heisenberg et Bohr.

En 1943, Heisenberg se rend aux Pays-Bas et confie qu'une victoire de l'Allemagne serait un moindre mal[21]. Il se rend également en Pologne occupée, dirigée par Hans Frank, un ami d'enfance, où il prononce un discours réservé aux Allemands[22].

La polémique Heisenberg-Bohr

Après la guerre, Heisenberg s'est présenté comme un savant capable de construire la bombe, mais qui a refusé de le faire pour ne pas servir Hitler. Cette vision des faits a été défendue par l'écrivain allemand Robert Jungk en 1957 dans son livre Plus clair que mille soleils. Heisenberg et Jungk expliquaient que Bohr avait mal interprété les paroles du savant allemand.

Mais, 30 ans plus tard, en 1990, Jungk s'est ensuite rétracté, accusant un collègue de Heisenberg, von Weizsäcker, de l'avoir trompé, et accusant Heisenberg de l'avoir trompé également [23].

Il fallut attendre février 2002 pour que soient publiées des lettres que Bohr écrivit à Heisenberg en 1961, sans se résoudre à les envoyer[20]. Dans celles-ci, Bohr précise que 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 de Heisenberg dans le programme allemand, mais Heisenberg a soutenu que Bohr ne l'avait pas comprise.

Les historiens restent divisés sur les réelles intentions de Heisenberg de concevoir la bombe : pour le physicien Samuel Goudsmit (Alsos Mission 1947) et les historiens David Cassidy (Uncertainty : the life and science of Werner Heisenberg 1992), Paul Lawrence Rose (Heisenberg and the Nazi atomic bomb project, 1998) et Jeremy Bernstein (Hitler's uranium club : the secret recordings at Farm Hall, 2001), Heisenberg était dans l'impossibilité matérielle de faire la bombe, mais il l'aurait certainement produite s'il avait pu ; pour l'historien Mark Walker (Nazi science, 1995), la question ne se pose pas car de fait Heisenberg n'aurait pas pu la faire même s'il l'avait voulu ; pour le journaliste Thomas Powers (Le mystère Heisenberg, 1992) et le dramaturge Michael Frayn (Copenhague, 1998), Heisenberg aurait pu fabriquer la bombe mais, par bonté d'âme, a refusé de le faire.

Après-guerre

Werner Heisenberg figure allemande de l'après-guerre

Après une brève période de captivité puis six mois d'internement avec d'autres chercheurs allemands de la bombe de juillet à fin décembre 1945 à Farm Hall en Angleterre par la couronne britannique, Werner Heisenberg prématurément vieilli continue ses travaux de physique après la guerre et défend la création de la Deutsche Forschungsgemeinschaft (Conseil de recherche allemand). Sa fondation de recherche allemande est retardée faute de moyens et de bâtiments mais il en est nommé président en 1951. Directeur de l'Institut Max-Planck concernant la physique, institut nouvellement créé, il préside plus tard 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[24]).

Werner Heisenberg à Copenhague en 1963

Heisenberg écrit plusieurs ouvrages de vulgarisation, ainsi qu'un livre intitulé Der Teil und das Ganze (La Partie et le Tout), à propos de sa vie, de son amitié avec Niels Bohr et de l'évolution de la physique quantique.

Œuvres

  • La recherche nucléaire en Allemagne, dans Revue mensuelle des questions allemandes, no 4, Strasbourg, 1955, p. 443–452[25].
  • Physique et philosophie: la science moderne en révolution [« Physics and philosophy: the revolution in modern science »] (trad. de l'anglais par Jacqueline Hadamard), Paris, Albin Michel, coll. « Les savants et le monde », , 253 p. (BNF 33040078)
  • Werner Heisenberg (trad. B. Champion et E. Hochard, préf. Louis de Broglie), Les principes physiques de la théorie des quanta, Paris, J. Gabay, coll. « Grands classiques Gauthier-Villars », (ISBN 978-2-876-47080-4, OCLC 32143057)
  • La nature dans la physique contemporaine, Gallimard 1962, réédition en 2000 chez Gallimard, coll. « Folio Essais »
  • La partie et le tout: le monde de la physique atomique, souvenirs, 1920-1965 [« Der Teil und das Ganze : Gespräche im Umkreis der Atomphysik »] (trad. de l'allemand par Paul Kessler), Paris, Albin Michel, coll. « Les savants et le monde », , 335 p.
    Réédité dans la collection Champs (no 215), Flammarion (1990) (ISBN 2-08-081215-7)

Heisenberg dans la fiction

Roman

Cinéma et télévision

  • Ben Lewin présente la mission de Moe Berg, joueur de base-ball devenu agent OSS pendant la guerre, chargé d'assasiner Heisenberg dans le film The catcher was a spy en 2018.
  • Kampen om tungtvannet (Heavy water war, en français : Les soldats de l'ombre), série télévisée norvégienne en 6 épisodes de 45 minutes, raconte la guerre de l'eau lourde et propose un portrait nuancé de Heisenberg.
  • Dans la série Breaking Bad, Walter White utilise le pseudonyme Heisenberg en référence à ses talents en chimie organique.
  • Dans le téléfilm en 3 parties La Course à la bombe, il est interprété par Michael Ironside[26].
  • Dans la série Genius, il est interprété par Christian Rubeck.

Notes et références

  1. ↑ Heisenberg Werner Karl (1901–1976). (« [L]e principal fondateur », écrit l'Encyclopédie Universalis, consultée le )
  2. ↑ a et b (en) « [F]or the creation of quantum mechanics, the application of which has, inter alia, led to the discovery of the allotropic forms of hydrogen » in Personnel de rédaction, « The Nobel Prize in Physics 1932 », Fondation Nobel, 2010. Consulté le 15 juin 2010.
  3. ↑ (en) Elizabeth H. Oakes, Encyclopedia of World Scientists, New York, Facts on File, coll. « Facts on File science library », , 450 p. (ISBN 978-0-816-04130-5 et 0-816-04130-X, OCLC 43701668), p. 319.
  4. ↑ Textuellement : « Dann sind sie ja für die Mathematik ganz und gar verloren ! »
  5. ↑ (de) Armin Hermann, Die Jahrhundertwissenschaft. Werner Heisenberg und die Geschichte der Atomphysik, Rowohlt Taschenbuch Verlag, , p. 39.
  6. ↑ (de) Ernst Peter Fischer, Werner Heisenberg — ein Wanderer zwischen zwei Welten, Springer-Verlag, .
  7. ↑ Titre original : Über Stabilität und Turbulenz von Flüssigkeitsströmen, Munich, 1923.
  8. ↑ Heisenberg, La partie et le tout.
  9. ↑ D’après Alain Connes, Triangles de pensées, Éditions Odile Jacob, p. 72.
  10. ↑ Le mot qualifiant ce principe est d'abord Unsicherheit, qui est trop vite traduit par Paul Langevin en français. Werner Heisenberg préfère et choisit ensuite Unbestimmtheit beaucoup plus approprié et pertinent.
  11. ↑ En d'autres termes, ce n'est pas la mécanique quantique qui est imprécise ou floue, mais les notions classiques réunies de vitesse et de position, de temps et d'énergie qui perdent leurs pertinences descriptives pour ces objets quantiques singuliers. Extrait cours d'Etienne Klein sur la méprise de cette révolution ontologique
  12. ↑ Werner Heisenberg, The development of quantum mechanics, Nobel Lecture, December 11, 1933.
  13. ↑ Thomas Powers, Le mystère Heisenberg, Paris, Albin Michel, p. 61
  14. ↑ a b et c Powers p. 62
  15. ↑ Mark Walker, The Kaiser Whilhelm Society under national socialism, Cambridge, 2009, p.358
  16. ↑ Powers p.62-63
  17. ↑ Powers p.64
  18. ↑ Powers p.166
  19. ↑ Cf. Mark Walker (1989, 1992, ici 1995). – Paul Lawrence Rose, Heisenberg and the Nazi Atomic Bomb Project, 1998, (ISBN 0-7923-3794-8). – N.P. Landsmann, Getting even with Heisenberg, recension en ligne du précédent.
  20. ↑ a et b Niels Bohr, « Papiers mis en ligne »(Archive.org • Wikiwix • Archive.is • Google • Que faire ?)
  21. ↑ Cornwell, John, 1940- ... et Impr. Firmin-Didot), Les savants d'Hitler : histoire d'un pacte avec le diable, A. Michel, impr. 2008 (ISBN 9782226189745 et 2226189742, OCLC 471038821, lire en ligne), p.337
  22. ↑ Cornwell, John, 1940- ... et Impr. Firmin-Didot), Les savants d'Hitler : histoire d'un pacte avec le diable, A. Michel, impr. 2008 (ISBN 9782226189745 et 2226189742, OCLC 471038821, lire en ligne), p.339
  23. ↑ Voir Robert Jungk, Vorwort in Walker, Die Uran maschine. Mythos and Wirklichkeit der deutschen Atombombe (Berlin, 1990), 7-10, et Walker, « Legends surrounding the German atomic bomb » in Science, medicine, and cultural imperialism (New York, 1991), 62. 6.
  24. ↑ Cf. son autobiographie, ce n'est évidemment pas le terme qu'il utilise.
  25. ↑ D'abord paru sous le titre de Die Atomforschung in Deutschland. Entwicklungslinien der friedlichen Atomtechnik, dans Deutsche Universitätszeitung, année 10, cahiers 7–8 du .
  26. ↑ Predrag Manojlovic, Jean-Paul Muel, Maury Chaykin et Tom Rack, Race for the Bomb, (lire en ligne)

Bibliographie

  • (en) David C. Cassidy, Uncertainty: The Life and Science of Werner Heisenberg, W.H. Freeman & Co., , 688 p. (ISBN 978-0716725039)
  • (en) Gerd W. Buschhorn (dir.) et Julius Wess (dir.), Fundamental Physics - Heisenberg and Beyond, Springer-Verlag, (ISBN 3-540-20201-3)
    Ouvrage publié à l'occasion du colloque pour le centenaire de la naissance de Heisenberg, intitulé : Developments in Modern Physics.
  • Elisabeth Heisenberg, Heisenberg : le témoignage de sa femme, Belin, coll. « Un savant, une époque », (ISBN 2-7011-1058-0)
  • Charles Frank (trad. Vincent Fleury), Opération Epsilon. Les transcriptions de Farm Hall, Flammarion, 1993/1994, 382 p.
  • Rainer Karlsch (trad. Olivier Mannoni), La Bombe de Hitler : Histoire secrète des tentatives allemandes pour obtenir l'arme nucléaire, Calmann-Lévy, (ISBN 978-2-7021-3844-1)
  • Thomas Powers, Le mystère Heisenberg, Albin Michel, 1993.
  • Cédric Villani et Edmond Baudoin, Les rêveurs lunaires : quatre génies qui ont changé l'histoire (Biographie), Paris, Gallimard Grasset, (ISBN 978-2-070-66593-8, OCLC 905911777) (Werner Heisenberg, Alan Turing, Leo Szilard et Hugh Dowding)- Roman graphique

Annexes

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