Werner Heisenberg

Werner Karl 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 d'abord du violoncelle puis 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 (d'inspiration communiste) en 1918 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 23 juillet 1923, 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 théorique 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.

Heisenberg et N. Bohr avant-guerre.

Heisenberg à l'âge de 23 ans s'exile sur l'île de Heligoland pour soigner une allergie aux pollens de fleurs. Devenu assistant à l'université de Göttingen, il 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[8]. Toutefois, au niveau de la signification physique, ces deux courants de la mécanique quantique restent en opposition. 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[9]. 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 : Δp_x Δx ≈ h où Δp_x 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[10]. La même année, Heisenberg 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[11](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.

Heisenberg décide de rester en Allemagne nazie dès les débuts du régime, non par sympathie, dira-t-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[12]. 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 Albert Einstein et les autres physiciens juifs ou 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 (1914-1998) au cours d'une petite soirée musicale à Leipzig en janvier 1937, le couple se marie et fonde une famille composée de sept enfants (les futurs généticien et neurobiologiste Martin Heisenberg, le physicien Jochen Heisenberg. Sa fille Christine Heisenberg se mariera à l'écrivain et psychologue Frido Mann, petit-fils de Thomas Mann. Un de ses petits-enfants est le réalisateur Benjamin Heisenberg et un autre encore, le biologiste Carl-Philipp Heisenberg) .

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].

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 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 » (c'est-à-dire un aryen qui agit comme un juif), on le surnomme l'« Ossietzky de la Physique »[15], on appelle même à son meurtre, à son « élimination »[14]. Heisenberg craint pour sa vie car les Juifs ont été violemment attaqués et incarcérés. Heisenberg riposte avec un éditorial et une lettre à Himmler, un des hommes forts du parti nazi, dans une tentative de résoudre le problème et de « retrouver son honneur ».

Heureusement pour lui, sa mère est une amie intime de celle de Heinrich Himmler, le chef de la SS, qui décide de lancer une enquête officielle qui blanchit son nom. Dans une lettre au général de la police nazie Reinhard Heydrich, Himmler déclara que l'Allemagne ne peut pas se permettre de perdre un enseignant (tel que Heisenberg) d'une génération de scientifiques ou de le faire taire. 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].

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.

En juin 1939, Heisenberg se rend aux États-Unis et rend visite à Samuel A. Goudsmit à l'université du Michigan à Ann Arbor ; il refuse une invitation à émigrer aux États-Unis, et ne revoit Goudsmit que six ans plus tard, lorsque celui-ci est devenu le principal conseiller scientifique de l'opération américaine Alsos, à la fin de la Seconde Guerre mondiale[19].

À la fin de 1941, le programme militaire est officiellement abandonné en Allemagne car trop coûteux^{[réf. nécessaire]} 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. Il 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, les restrictions budgétaires et en matières premières, et une approche théorique incomplète empêchent Heisenberg de mener à bien son projet. C'est, dit-il, avec un grand étonnement qu'il apprendra l'explosion de la bombe atomique en 1945.

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 nazi et célébré par les autorités militaires d'occupation, pour gagner les élites locales à la collaboration[20]. 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 »[21]. Cette réunion jette un froid entre Heisenberg et Bohr, lequel est exfiltré peu de jours après[22] vers la Suède puis l'Angleterre et de là aux États-Unis à Los Alamos.

Quand en 1943, Heisenberg se rend aux Pays-Bas, il confie qu'une victoire de l'Allemagne serait un moindre mal[23]. En Pologne occupée, dirigée par Hans Frank, un ami d'enfance, il prononce un discours réservé aux Allemands[24].

Après la guerre, Heisenberg se présente 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[25].

Il fallut attendre les années 1990 pour que soient publiées par l'Institut Niels Bohr de Copenhague des lettres que Bohr écrivit à Heisenberg dans les années 1950 et 1960, sans se résoudre à les envoyer[21]^,[26]. 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 ces documents comme une preuve de l'implication de Heisenberg dans le programme allemand, en dépit de ses dénégations antérieures.

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 le physicien Jeremy Bernstein (Hitler's uranium club : the secret recordings at Farm Hall, 2001), Heisenberg était dans l'impossibilité matérielle de faire la bombe (par manque de moyens et par une approche théorique inadéquate) mais il l'aurait certainement produite s'il avait pu car il le désirait ardemment ; c'est également l'avis du physicien du CNRS Sébastien Balibar, qui réfute aussi l'idée que Heisenberg ait voulu cacher aux nazis la possibilité de construire des armes nucléaires[27] ; 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.

Alors que les forces alliées avancent au cours de l’hiver 1944, Heisenberg déplace son équipe dans la cave d'un château dans la petite ville Haigerloch, au sud-ouest de l’Allemagne. C’est là qu'est construit le réacteur B-VIII composé de "664 cubes d’uranium enfilés avec des câbles d’avion, puis immergés dans un réservoir d’eau lourde protégé par du graphite pour éviter l’exposition aux radiations"[28]. Chaque cube métallique "à la surface irrégulière", mesure 5 cm de côté et pèse plus de 2 kg[29]. Mais comme Heisenberg le reconnaitra "la quantité d’uranium dans les cubes était insuffisante pour déclencher une réaction nucléaire soutenue".

Lors de l’arrivée des Alliés au mois d’avril 1945, une équipe américaine se met à la recherche d'Heisenberg qui démonte le B-VIII et enterre les cubes d’uranium dans un champ, il s’échappe dans la nuit à bicyclette avec un sac à dos rempli de quelques uns de ces blocs radioactifs. Dans la cave du château, les Alliés découvrent les morceaux du réacteur nucléaire expérimental et 659 des cubes d’uranium[30].

Werner Heisenberg, figure allemande de l'après-guerre.

Heisenberg et d'autres de ses collègues chercheurs allemands de la bombe sont finalement capturés et les cubes d'uranium sont récupérés.

Les scientifiques sont internés pendant six mois, de juillet à fin décembre 1945, dans un manoir du MI6 à Farm Hall près de Cambridge en Angleterre, par la couronne britannique, internement qui se poursuit ensuite dans la maison Albersmeyer à Alswede près de Lübbecke[31]^,[32]Les microphones installés enregistrent leurs conversations[33] au moment du largage des bombes sur Hiroshima et Nagasaki en août 1945, et « leur réaction principale était une sorte de vexation de n’avoir pas été capables de réaliser ce que les Américains (dont de très nombreux émigrés d’origine allemande) avaient réussi »[27]. Il s'agissait aussi de savoir pour eux comment les Américains avaient pu fabriquer cette bombe[34]. Il n'y a aucune preuve dans les transcriptions des conversations[35] que Heisenberg ou les autres physiciens aient tenté de perturber le programme nucléaire nazi mais dans ces transcriptions, cependant, il y a des preuves que Heisenberg était au courant des politiques nazies d'assassinats.

Par la suite, 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.

Werner Heisenberg à Copenhague en 1963.

Avec d'autres physiciens, les « 18 de Göttingen », il écrit une lettre au chancelier Konrad Adenauer afin que ce dernier abandonne le projet de développement d'une bombe atomique, considérant que l'Allemagne devait développer plutôt ce qu'on appellerait son « soft power » (avant la lettre[36]).

Sépulture au Waldfriedhof de Munich.

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.

Heisenberg est enterré dans la partie ancienne du cimetière de la forêt de Munich, tombe n° 163-W-29.

• Jérôme Ferrari, Le principe, Actes Sud, 2015 (ISBN 978-2-330-04871-6).

• Didier Alcante, LF Bollée et Rodier, La Bombe (bande dessinée), Glenat (ISBN 978-2344020630).

• 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[38].
• Dans la série Genius, il est interprété par Christian Rubeck.
• Dans la série Fringe, il est cité dans la saison 1 épisode 17.

• (en) David C. Cassidy, Uncertainty : The Life and Science of Werner Heisenberg, W.H. Freeman & Co., 15 août 1993, 688 p. (ISBN 978-0-7167-2503-9)
• (en) Gerd W. Buschhorn (dir.) et Julius Wess (dir.), Fundamental Physics : Heisenberg and Beyond, Berlin/New York, Springer-Verlag, 2004, 188 p. (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 (trad. de l'allemand), Heisenberg : le témoignage de sa femme, Paris, Belin, coll. « Un savant, une époque », 1990, 185 p. (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. de l'allemand par Olivier Mannoni), La Bombe de Hitler : Histoire secrète des tentatives allemandes pour obtenir l'arme nucléaire, Paris, Calmann-Lévy, 2007, 522 p. (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, 2015, 190 p. (ISBN 978-2-07-066593-8, OCLC 905911777) (Werner Heisenberg, Alan Turing, Leo Szilard et Hugh Dowding)- Roman graphique

• Science sous le Troisième Reich
• Course à la bombe
• Recherches atomiques sous le régime nazi
• Incident expérimental Leipzig L-IV

• (en) Biographie sur le site de la fondation Nobel (le bandeau sur la page comprend plusieurs liens relatifs à la remise du prix, dont un document rédigé par la personne lauréate — le Nobel Lecture — qui détaille ses apports)
• [vidéo] Werner Heisenberg - Le principe d'incertitude e-penser sur Youtube, durée : 16 min 19 s

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