Bencze Gyula

HEISENBERG, A MAGFIZIKUS
Születése századik évfordulóján

 A tudományos közösség számára Heisenberg neve elválaszthatatlanul összeforrt a kvantummechanikával. Kiemelkedő eredményei nyomán 1927-ben, 26 éves korában már a lipcsei egyetem professzora lett. Ugyanebben az évben született meg híres határoztalansági relációja, amely annyira közismertté vált, hogy olyanok is rendszeresen hivatkoznak rá – okkal-ok nélkül –, akik nincsenek tisztában ennek az alapvető fontosságú eredménynek fizikai jelentésével és pontos tartalmával.

Heisenberg, aki már diákként a Bohr-atommodell lelkes híve volt, 1922-ben ismerkedett meg Bohrral annak göttingeni látogatása alkalmából, és néhány megjegyzésével azonnal felhívta magára figyelmét. A találkozást koppenhágai meghívás követte a Nobel-díjas kutató egyetemi intézetébe, amelynek az akkor 21 éves Heisenberg, a nagyhírű Arnold Sommerfeld professzor legbriliánsabb tanítványa örömmel tett eleget 1924-ben. A látogatás eredménye szoros szakmai együttműködés és barátság lett. Heisenberg Dániában dolgozta ki 1925 folyamán a kvantummechanika mátrixformalizmusát, 1927-es koppenhágai látogatásának eredménye pedig a híres "határozatlansági reláció" volt. Bohr és Heisenberg nevéhez fűződik többek közt a kvantummechanika "koppenhágai interpretációja".

Heisenberg 1964-ben Budapesten, amikor az ELTE díszdoktorrá avatta

Jóval kevesebben tudják, hogy Heisenberg indította el az atommag elméleti vizsgálatát, amely mint kutatási terület, az ő úttörő munkássága nyomán indult robbanásszerű fejlődésnek.  Wigner Jenő, az elméleti magfizika egyik nagy egyénisége e munkásságot a következőképpen értékelte [1]: „Az atommagra vonatkozó modern elméletek kiindulópontját egyrészről a neutron – a hidrogénatoméval közel egyező tömegű  (egységnyi tömegszámú) semleges részecske – felfedezése képezi (Chadwick, 1932), másrészről Heisenberg röviddel ezután tett javaslata, amely szerint a magokat alkotó elemi építőkövek a neutronok és a protonok.”

 Néhány szót szóljunk az előzményekről. Az atommag létezését Rutherford fedezte fel 1911-ben szóráskísérletei során, majd ugyancsak ő 1919-ben létrehozta az első mesterséges magreakciót, amelyben sikerült a reakció következtében keletkező protont, mint a hidrogénatom magját, azonosítani. A következő években aztán egyre több ismeret halmozódott fel az atommagok tulajdonságairól. A magfizika önálló diszciplínaként azonban 1932-ben kelt életre, amikor Chadwick magreakciók kísérleti tanulmányozása során felfedezte a neutront, egy a protonnal majdnem azonos tömegű, de elektromosan semleges részecskét.

Az atommag szerkezetére vonatkozó korábbi elképzelések nyomán nem sokat váratott magára a felismerés, hogy az atommagnak protonokból és neutronokból kell felépülnie. Az ötletet „A neutron hipotézis” címmel elsőként  D. Ivanenko, a leningrádi Fizikai-Technikai Intézet kutatója közölte le egy nyúlfarknyi cikkben a tekintélyes Nature folyóiratban  1932 áprilisában [2].

 Igen röviddel utána érkezett be 1932. június 7-én Heisenberg cikke a Zeitschrift für Physikbe [3], amelyben megmutatta, hogy az atommag szerkezetének leírására a kvantummechanika eszköztára kiválóan alkalmas. Ebben a cikkben elsőként vetette fel a proton és neutron egységes tárgyalásának lehetőségét, vagyis lényegében bevezette az izospin, akkori nevén „töltés-koordináta” fogalmát. Az izospin formalizmus precíz, csoportelméleten alapuló megalapozását és kidolgozását Wigner Jenő végezte el 1937-ben [4].

 Heisenberg a kísérleti adatok ismeretében felismerte, hogy a nukleonok közti kölcsönhatás szükségképpen rövid hatótávolságú, de nem lehet tisztán vonzó, különben a mag összeroppanna. A kémiai erők és magerők közti hasonlóság nyomán feltételezte, hogy a magot alkotó építőkövek között kicserélődési erők is hatnak, amelyek az állapotfüggvény szimmetriájától függően hol vonzók, hol pedig taszítók. Ez a Heisenberg által feltételezett kölcsönhatás egyaránt függött a kölcsönható részek térbeli, valamint spin-szimmetriájától.

 Ugyanebben az alapvető cikkben felvetette a p-p és n-n kölcsonhatások azonosságnak lehetőségét is. Sajnos Heisenberg kicserélődési kölcsönhatásra vonatkozó konkrét feltevését a tapasztalat nem erősítette meg,  ellene szólt például a zérus spinű He4 atommag kiugróan nagy kötési energiája. Ezt az ellentmondást Majorana küszöbölte ki [5], aki a kicserélődési kölcsönhatásnak csupán térbeli szimmetriától való függést tulajdonított, ezzel a kísérletekkel való egyezés helyreállt.

 A kicserélődési kölcsönhatás bevezetése tehát képes volt magyarázni mind a magok kötési energiájának tömegszámfüggését, mind pedig a nagyjából állandó magsűrűséget. Heisenberg és Majorana munkái nyomán megindult a nukleon-nukleon kölcsönhatás kísérleti és elméleti vizsgálata is, amely egyre gazdagította az atommagokra vonatkozó ismereteket. Ebben nagy segítséget nyújtott a Cockcroft és Walton által létrehozott elekrosztatikus gyorsítóberendezés, valamint az Amerikában Lawrence által kifejlesztett ciklotron, amely lehetővé tette az atommagreakciók részletekbe menő kísérleti tanulmányozását. Érdekes egybeesés, hogy Heisenberg 1932-ben, ugyanabban az évben nyerte el a Nobel-díjat is, amikor az atommag szerkezetére vonatkozó úttörő cikke megjelent. A cikk  június 7-én érkezett be a szerkesztőségbe, a díj elnyerését pedig szokás szerint október folyamán jelentették be.

A kvantumelmélet három nagy úttörője 1936-ban Koppenhágában.
Balról jobbra: Niels Bohr, Werner Heisenberg és Wolfgang Pauli

Heisenberg továbbra is figyelemmel kísérte az atommagra vonatkozó ismeretek felhalmozódását, és minden alkalmat megragadott, hogy neves kollégáival konzultáljon. 1936 folyamán meglátogatta Niels Bohrt Koppenhágában, ahol módjában volt megvitatni vele, és az éppen szintén ott vendégeskedő Rutherforddal az atommagra vonatkozó legújabb elképzeléseket. A beszélgetés során, amely az atommag  szerkezetére vonatkozó különböző modellekről folyt, felvetődött az atommagokban rejlő energia felszabadításának lehetősége is. Míg Bohr és Heisenberg  elvben, megfelelő körülmények között lehetségesnek tartotta a nukleáris energia hasznosítását, Rutherford rendkívül szkeptikusan ítélte meg a lehetőségeket.
 Heisenberg így emlékezik vissza Rutherford szavaira [6]: Rutherford: „... Ami tehát az energia felszabadításának esélyeit illeti, minden erre irányuló magkisérlet eleve kárba veszett fáradság. Akik a magenergia technikai hasznosításáról fecsegnek, egytől egyig álomvilágban élnek.”

 A neves tudósok nem láthatták előre, hogy a maghasadás Hahn és Strassman általi felfedezése 1938-ban gyökeresen megváltoztatja majd a helyzetet. A láncreakció gondolatát kidolgozó és azt szabadalmaztatni akaró Szilárd Leó azonnal felismerte, hogy egy maghasadási láncreakció létrehozása milyen félelmetes következményekkel járhat. A helyzetet csak súlyosbította, hogy Európában a már érezni lehetett a háború előszelét.
 Heisenberg 1938-ban még egy hosszabb körutat tett az Egyesült Államokban, ahol az egyre inkább érezhető európai háborús hangulat miatt vendéglátói igyekeztek rávenni az emigrálásra. Heisenberg azonban erre nem volt hajlandó, és az utolsó menetrendszerinti hajóval 1939 augusztusában visszatért hazájába.

1939 szeptemberében aztán Heisenberg is megkapta a behívóparancsot, de meglepetésére nem a hegyivadászokhoz, hanem a  Wehrmacht Fegyverügyi Csoportfőnökségére. Itt alakult meg egy Uranverein (urániumklub) néven emlegetett kutatócsoport, amelynek feladata a maghasadás esetleges katonai alkalmazásainak vizsgálata volt. Kézenfekvőnek látszott tehát, hogy más tudósokkal, köztük Carl Friedrich von Weizsäckerrel együtt a hazatérő Heisenberget, a magfizika világhírű szaktekintélyét is ehhez a projekthez vezényeljék, amelynek ő lett a vezetője. A későbbi fejlemények miatt lényeges hangsúlyozni, hogy Heisenberg erre a feladatra nem önként jelentkezett.

Heisenberg tudományos presztizsének  köszönhetően 1941-ben a berlini egyetem professzora lett, 1942. áprilisában pedig kinevezték a Vilmos Császár Fizikai Intézet (Kaiser Wilhelm Institut für Physik) igazgatójává is. Tudományos munkásságával vezetői beosztása ellenére sem hagyott fel, és 1943-ban még publikált egy cikket az atommagreakciók ill. kvantumos ütközések elméleti tárgyalásában fontos szerepet játszó ún. „ütközési mátrix” John A. Wheeler által bevezetett fogalmával kapcsolatban [7].

A háborús évek azonban egyre inkább éreztették hatásukat a tudomány körében is, és mind a szövetségesek, mind pedig Németország tudósai dolgozni kezdtek az atomenergia háborús felhasználásának megvalósításán. A szövetségesek tudósai Heisenberget igen nagyra tartották, és féltek attól, hogy vezetése alatt a németek előbb készülnek el az atombombával. Ezalatt a németek valójában egy atomreaktor tervén dolgoztak, és a bomba megvalósítását belátható időn belül lehetetlennek tartották [8]. Érdekességképpen érdemes megemlíteni, hogy Heisenberg korábbi tanítványa és barátja, az Amerikába emigrált Viktor Weisskopf, valamint Hans Bethe javaslatára az OSS, a CIA elődszervezete, a német tudós Svájcba csalásával, elrablásának tervével komolyan foglalkozott, sőt végső megoldásként még likvidálásának gondolata is felmerült! [9]  Az már csak lélektani drámába illő epizód, hogy amikor a háború után 1949-ben Heisenberg amerikai látogatást tett, éppen Weisskopf rendezett a tiszteletére egy nagy fogadást, amelyen azonban Los Alamos kutatóinak többsége nem jelent meg, mivel „nem volt hajlandó kezet szorítani azzal az emberrel, aki atombombát akart csinálni Hitlernek”.

A történészek különösen nagy figyelmet fordítottak Heisenberg 1941-es koppenhágai látogatására, amely alkalmával ő állítólag meg akarta nyugtatni  Bohrt, hogy a németek nem dolgoznak az atombombán, mindössze egy reaktor felépítésén fáradoznak.  Ez a körülmény újból a fizikusokra irányította az érdeklődést: 1999-ben Londonban bemutatták Michael Frayn Copenhagen című szindarabját, amely ismét a tudomány  berkeibe, a tudósok lelki problémái közé kalauzolja a nézőt. A hosszú londoni sorozat után 2000. áprilisában a darab amerikai bemutatójára is sor került, amelynek szövegét a szerző kissé átdolgozta az amerikai közönség számára és azt könyv alakban is megjelentette [10,11].

 A titokzatos koppenhágai találkozóra 1941 szeptemberében került sor. Heisenberg közeli munkatársa, Weizsäcker kiséretében szeptember 15-én, egy hétfői napon reggel érkezett meg vonattal a németek által megszállt dán fővárosba [9].

Heisenberg többször is látogatást tett Bohr intézetében, ahol együtt ebédeltek, és egy alkalommal Bohr otthonában is vendégül látta vacsorára, felesége határozott tiltakozása ellenére. A személyes találkozóra így feszült légkörben került sor. Az elhangzottakról azonban Bohr nem készített feljegyzést, és emlékeit sem vetette papírra, így az ő verziójára vonatkozóan csak közvetett információk állnak rendelkezésre.

 Heisenberg a következőképpen idézte fel a háború után a találkozót [6]: Ha jól emlékszem, 1941 őszén októberben értem Dániába, és tüstént meglátogattam Nielst carlsbergi otthonában, de egészen az esti séta időpontjáig nem hozakodtam elő a veszedelmes témával. Jó okom volt hinni, hogy Niels német ügynökök megfigyelése alatt áll, azért a legnagyobb körültekintéssel beszéltem. Célzásokat tettem rá, hogy elvben nincs többé akadálya atombombák építésének, gyakorlatban azonban emberfeletti technikai erőfeszítéseket igényel az ügy, ám a fizikusok mindenképpen odáig jutottak, hogy fel kell tennünk önmagunknak a kérdést: szabad-e tovább kutatni e téren?...”

Weisskopf, aki a Manhattan-projekten dolgozott, 1948-ban állítólag kifaggatta Bohrt erről a találkozásról, és szerinte Bohr a következőképpen emlékezett vissza [13] : „Heisenberg tudni akarta, hogy Bohr mennyit tud a szövetségesek nukleáris programjáról... Azt mondta magában: ŤHeisenberg vagy nem őszinte, vagy pedig a náci kormány felhasználja őtť. Arra gondolt, hogy a kormány Heisenberget arra akarja használni, hogy hátráltassa a szövetségesek munkáját a bombán. De Bohr mindig is azt mondta, soha nem volt biztos abban, mit is akart Heisenberg.”

Nos, akármi is történt 1941-ben Koppenhágában, Heisenberg és Bohr korábbi szoros barátsága törést szenvedett, és csak jóval később, a háború után állt helyre, de viszonyuk többé már nem volt olyan bensőséges, mint a háború előtt.

A szövetségesek a német atomtudósok felkutatására és kézrekerítésére Alsos néven egy külön csapatot hoztak létre, amelynek szakmai vezetője Samuel Goudsmit, Amerikába emigrált holland fizikus, a spin felfedezője volt. Az amerikaiak meglepetve fedezték fel, hogy a németek milyen messzire álltak az atombomba megvalósításától [8-9] . Goudsmit európai utazása alkalmával tudta meg, hogy Hollandiában élő szüleit a németek elhurcolták, és Auschwitzben pusztultak el. Ez a személyes dráma érthetően befolyásolta németek iránti érzelmeit, ezért a korábban baráti viszonyban lévő Heisenbergről az Alsos-misszióról 1947-ben megjelent könyvében [14] eléggé nagy ellenszenvvel írt. E könyv hatására az amerikai újságok címlapján Heisenberg jó ideig csak „top náci” jelzővel szerepelt.

 A szövetségesek az Alsos bizottság ajánlása alapján tíz vezető német tudóst elfogtak, és Angliába internáltak. Fogságuk alatt minden beszélgetésüket lehallgatták, és azt igyekeztek megtudni, miért is nem volt német atombomba. A lehallgatott beszélgetések átirata csak 1993-ban került nyilvánosságra [15], és ez újból felélesztette a találgatásokat és új izgalommal töltötte el a történészeket [8,9,16-17]. A hazai sajtóban több cikk is foglalkozott a titkos magnószalagok tartalmát ismertető művel [18-21], és az azokból levonható következtetésekkel.

 Heisenberg kilenc hónapos internálás után csak 1946-ban térhetett vissza Németországba, ahol Göttingenben lett egyetemi tanár, majd kinevezték a Kaiser Wilhelm Institut jogutódja, a Max Planck Institut für Physik und Astrophysik igazgatójává. Az intézet 1958-ban Münchenbe költözött át, de Heisenberg az igazgatói  posztot haláláig betöltötte.

 Heisenberg a német urániumprogramban játszott szerepe, valamint a sok rosszindulatú támadás miatt eléggé elszigetelődött a fizikusok közösségében, ami mind saját bevallása, mind pedig felesége visszaemlékezései szerint igen sok fájdalmat okozott neki [22].
 A már korábban említett Jeremy Bernstein, állítólagos fizikus és újságíró, számos, a német atombombával foglalkozó írás szerzője így itélkezik: „Heisenberg naív, arrogáns, érzéketlen és önző volt, de nem különösebben bátor; amíg nem látok komoly bizonyítékot, semmi okom, hogy higyjek Heisenberg Németország elleni tudatos hazaárulásában.”

 Milyen közel álltak a németek a sikerhez? Bernstein szerint [14]: „ …nem túl közel. Erre több magyarázat is létezik. Az egyik szerint Németországban a szövetségesek bombázása miatt nagyon megnehezedtek a dolgok. A másik szerint, háború ide, háború oda, a feladathoz nem volt meg a szükséges ipari kapacitás. A harmadik érv szerint az Urániumklub nem is nagyon erőltette a dolgot, sőt inkább szabotálta a projektet. Az én kedvenc magyarázatom ezzel szemben egyszerűen a megfelelő szakértelem hiánya.

 Gondoljuk csak el, hogy 1942 decemberében Enrico Fermi az Urániumklubénál nem jobb infrastruktúrával a Chicago Egyetem egy kézilabdapályáján sikerrel létrehozta az első működő reaktort. Ez a németeknek soha nem sikerült. A különbség az volt, hogy nekünk ott volt Fermi, míg a németeknek csak Heisenbergük volt. Bár a büszkesége nem engedte, hogy beismerje, Heisenberg nem volt egy jó mérnök. Ha a németeknek, akik előbb kezdték el a munkát, sikerült volna önfenntaró láncreakciót létrehozni, az egész projekt sokkal nagyobb lehetőségeket nyitott volna meg.”
A szikár tényekhez tartozik, hogy sem Heisenberg, sem Enrico Fermi nem volt mérnök. A chicagói „atommáglya” Szilárd és Fermi közös tervei alapján született meg – természetesen lényegesen jobb infrastruktúrával, mint ami akkor az Urániumklub rendelkezésére állt. Csak össze kell hasonlítani a projekten dolgozók létszámát, az arány máris elég jó fogalmat adhat a relatív erőfeszítésekről. A grafit-moderálás ötlete sem Fermitől származik, azt a valóban (budapesti) vegyészmérnöki diplomával rendelkező Wigner Jenő vetette fel. A projekt keretében természetes módon Wignerre hárultak az igazán mérnöki feladatok (beleértve a plutónium termelését is) [23].

 A Bernstein által egyszerű inkompetenciával magyarázott sikertelenség oka főként annak volt tulajdonítható, hogy a grafitra vonatkozó pontos adatok hiányában nehézvizet alkalmaztak moderátornak és természetes uránnal próbálkoztak.

Baráti eszmecsere a Puskin utcában a magyar elméleti fizika nagyjaival.
Balról jobbra: Fényes Imre, Werner Heisenberg, Novobátzky Károly, Gombás Pál, Nagy Károly, Marx György

 Ami Heisenberg inkompetenciáját illeti, az egykori tanítvány, a nemrég Corvin-lánccal kitüntetett Teller Ede egészen más véleményen van [24]: „Dolgoztam az atombombán, ezt nem sajnálom. Ha nem mi találtuk volna fel? Tudom, az oroszok akkor már dolgoztak rajta, és nekik is igazuk volt. A németek is dolgoztak rajta, és mi ettől féltünk. Ma már tudjuk, hogy Heisenberg, a tanárom, aki ezen dolgozott, szinte nem csinált mást csak hibákat. Pedig rendszerint ő sohasem hibázott. Az a gyanúm, hogy nemigen akart a náciknak dolgozni.”

 Persze nem mindenki tört pálcát Heisenberg felett, főleg az európai országok kutatói értették meg a náci Németországban dolgozó tudósok helyzetét. Ezt támasztja alá az a tény is, hogy 1964-ben az ELTE díszdoktorává választotta a kiváló tudóst, a XX. század fizikájának egyik vezéralakját. Ő csak egy becsületes ember és igazi értelemben vett német hazafi volt, aki mindenekelőtt hazája tudományát féltette a szerinte katasztrofális vereséghez vezető háború következményeitől. Európában elsőként írt monográfiát az elméleti magfizikáról [25], megelőzve sokkal híresebbé vált tankönyveket [26-28] Talán némi elégtételt jelentett Heisenbergnek, hogy 1976-ban bekövetkezett halála előtt megérhette hogy az előtte elhunyt Goudsmit végül nyilvánosan is igazságot szolgáltatott neki [10]: „Heisenberg nagy fizikus volt, mélyen gondolkodó, nagyszerű és finom személyiség, és igen bátor ember. Egyike volt korunk legnagyobb fizikusainak, de igen sokat szenvedett egyes fanatikus kollégáinak igazságtalan kirohanásai miatt. Véleményem szerint bizonyos szempontból őt is a náci rezsim áldozatatihoz kell számítani.”

 A kiindulóponthoz visszatérve, Heisenberg sok más egyéb mellett az elméleti magfizika egyik úttörője volt, és mint számos más területen, itt is maradandót alkotott. A XX. század első évében született, és munkássága elválaszthatatlan része a fizika fejlődésének. Bár sok igazságtalan kritika érte, végül is napjainkra a történészeken kívül már senki sem kételkedik emberi és tudósi kvalitásaiban. Csak reménykedhetünk abban, hogy 2001-ben is megszületett már valahol valaki, aki hasonlóan kimagasló vezéralakja lehet a XXI. század tudományának.
 

Irodalom
[1] E.P.Wigner, L. Eisenbud, Nuclear Structure, Princeton Univ.Press, 1958, (magyarul L.Eisenbud, G.T.Garvey, E.P.Wigner, Az atommag szerkezete, Akadémiai Kiadó, Budapest, 1969.)
[2] L.D. Ivanenko, Nature 129 (1932) 798., magyarul: A neutron hipotézis, Magy. Fiz. Folyóirat 4 (1956)509.
[3] W.Heisenberg,  Z.Phys. 77(1932)1, magyarul: Az atommagok szerkezetéről, Magyar Fiz. Folyóirat 4 (1956) 511.
[4]  E.P. Wigner, Phys. Rev. 51(1937)106.
[5] E. Majorana, Z. Phys. 82(1933)137.
[6]  W.Heisenberg, A rész és az egész, Gondolat, Budapest, 1975):
[7] J.A.Wheeler, Phys.Rev. 52 (1937)1107., W. Heisenberg, Z. Phys. 120 (1943) 513, 673.
[8] Thomas Powers, Heisenberg`s War, The Secret History of the German Bomb, Little, Brown & Co., Boston, New York, 1998.
[9]  Bencze Gyula, A német atombomba mitosza, Természet Világa, 1991. március, 138 old
[10]  Michael Frayn,  Copenhagen, Methuen Publishing Ltd., New York, 2000.
[11] Bencze Gyula, Fizikusok II., Természet Világa, 2000. november, 521-523 old.
[13] Paul Rose, Heisenberg and the Nazi Atomic Bomb, University of California Press, Berkeley, Los Angeles, 1998
[14]  Samuel Goudsmit, Alsos, Henry Schuman, New York, 1947.
[15] Operation Epsilon, The Farm Hall Transcripts, University of California Press, Berkeley. Los Angeles, Oxford, 1993.
[16] Jeremy Bernstein, Hitler`s Uranium Club, the Secret Recordings of Farm Hall, American Institute of Physics, Woodbury, New York, 1996.
[17] Jeremy Bernstein, Building Hitler`s Bomb, Commentary, 1999. május, 49-54 old
[18]  Jeremy Bernstein, Vacsora a kastélyban, Világosság, 1994/1 58-75.old.
[19] Palló Gábor,  A fizikus dilemmái, Világosság, 1994/1, 45-47.old.
[20]  Bencze Gyula,  Az epszilon hadművelet, Természet Világa, 1994. május, 211-215.old.
[21]  Bencze Gyula, Heisenberg, a „rossz mérnök”, Magyar Tudomány 1999/11, 1362-1366 old
[22] Elisabeth Heisenberg, Egy politika nélküli ember politikus élete, Holnap Kiadó, Budapest, 1993.
[23] The Recollections of Eugene P. Wigner as told to Andrew Szanton, Plenum Press, New York and London, 1992.
[24] Teller Ede és Zeley László, Légiposta, Háttér, Budapest 1990.
[25]  W. Heisenberg, Theorie des Atomkerns, Göttingen, Max Planck Inst.f.Phys.,1951.
[26]  J.M.Blatt, V.F. Weisskopf, Theoretical Nuclear Physics, Wiley, New York, 1952.
[27] R.G.Sachs, Nuclear Theory, Addison Wesley, Cambridge, Mass., 1953.
[28]  E.P.Wigner, L. Eisenbud, Nuclear Structure, Princeton Univ.Press. 1958.