Werner Heisenberg

WERNER HEISENBERG lebte in einer Zeit tiefgreifender gesellschaftlicher Umbrüche und neuer wissenschaftlicher Erkenntnisse. Der Erste Weltkrieg (1914-1918) und vor allem der Zweite Weltkrieg (1939-1945) beeinflussten auch sein Leben wesentlich. In der Naturwissenschaft wurden neue Theorien entwickelt, die tiefgreifende Auswirkungen auf das physikalische Weltbild hatten: MAX PLANCK (1858-1947) begründete 1900 die Quantentheorie, ALBERT EINSTEIN (1879-1955) veröffentlichte 1905 die Photonentheorie und die spezielle Relativitätstheorie und 1916 die allgemeine Relativitätstheorie. ERNEST RUTHERFORD (1871-1937) und NIELS BOHR (1885-1962) stellten in den Jahre 1911 und 1913 Atommodelle vor. Entdeckt wurden die Radioaktivität und die Kernspaltung sowie neue Elementarteilchen. Deutschland war in der ersten Hälfte des 20. Jahrhundert eines der Zentren physikalischer Forschung in der Welt.

Kindheit, Jugend und Ausbildung

WERNER HEISENBERG wurde am 5. Dezember 1901 in Würzburg geboren. Sein Vater war Gymnasiallehrer und später Professor für Byzantinistik. Der Junge wurde schon frühzeitig gefördert, besuchte in München des Maximilians-Gymnasium und legte dort 1920 ein ausgezeichnetes Abitur ab.
Anschließend studierte er in München mathematische Physik, vorrangig bei dem Mitbegründer des bohr-sommerfeldschen Atommodells ARNOLD SOMMERFELD (1868-1951), der in München eine der weltweit wichtigsten Schulen der theoretischen Physik begründet hatte.

Zwischenzeitlich war HEISENBERG 1922/23 persönlicher Assistent von MAX BORN in Göttingen und lernte hier die führenden Atomphysiker Europas kennen.
1923 schloss HEISENBERG in München seine Promotion mit einer Arbeit über die Turbulenz von Strömungen ab und wechselte dann nach Göttingen, wo er sich 1924 habilitierte.

Tätigkeit als Hochschullehrer und Forscher

Nach einem Studienaufenthalt bei NIELS BOHR in Kopenhagen war WERNER HEISENBERG ab 1925 als Privatdozent an der Universität Göttingen tätig. 1927 erhielt er eine Berufung an die Universität Leipzig und wurde dort Professor für theoretische Physik. Hier schuf HEISENBERG ein Zentrum der Atomphysik in Deutschland und hatte auch zahlreiche Schüler, die später Bedeutendes leisteten, u.a. F. BLOCH, R. PEIERLS, E. TELLER („Vater der amerikanischen Wasserstoffbombe“) und C. F. von WEIZSÄCKER. 1929 unternahm er Vortragsreisen durch die USA, Japan und Indien. Nach der Machtergreifung der Nationalsozialisten 1933 lehrte HEISENBERG weiter theoretische Physik, auch unter Einschluss der Lehren EINSTEINs. Dadurch war er zeitweise Anfeindungen ausgesetzt und wurde als „weißer Jude“ beschimpft. Im Unterschied zu vielen anderen bedeutenden Wissenschaftlern - genannt seien nur A. EINSTEIN, J. FRANCK und M. BORN - blieb er in Deutschland.

Seit Beginn des 2. Weltkrieges (1939) arbeitete HEISENBERG im „Uranverein“ an der Entwicklung einer sich selbst erhaltenden Kettenreaktion in einem Kernreaktor, schloss aber aus, dass sich eine „Uranbombe“ zu Kriegszeiten würde realisieren lassen. 1940 legte er eine Theorie des Kernreaktors vor. 1942 wurde er zum Direktor des Kaiser-Wilhelm-Instituts für Physik in Berlin-Dahlem und zugleich zum Professor an die Berliner Universität berufen. Der in den südwestdeutschen Ort Haigerloch ausgelagerte und dort in einem ehemaligen Weinkeller wieder aufgebaute Reaktor wurde nicht kritisch - er war zu klein.
Nach Kriegsende war HEISENBERG mit anderen deutschen Atomphysikern bis 1946 in Farm Hall in England interniert. Dort erfahren die Wissenschaftler auch vom Abwurf der ersten Atombomben durch die USA im August 1945.
Nach der Rückkehr nach Deutschland baute HEISENBERG in Göttingen das Physikalische Institut wieder auf, das 1956 als MAX-PLANCK-Institut nach München verlegt und erweitert wurde. 1970 trat er aus Altergründen als Direktor dieses Instituts zurück. HEISENBERG war mehrfacher Ehrendoktor, Mitglied zahlreicher Akademie und Träger vieler Auszeichnungen. Er starb am 1. Februar 1976 in seinem Haus in München.

Wissenschaftliche Leistungen

Schon früh wurde WERNER HEISENBERG mit den Unzulänglichkeiten des BOHR-SOMMERFELD`schen Atommodells konfrontiert. Deshalb nutzte er modifizierte Vertauschungsregeln für Ort und Impuls. Zu Beschreibung inneratomarer Vorgänge wandte er die Matrizenrechnung an. Aus diesen Untersuchungen erwuchs 1925 eine entscheidende Arbeit, die unter dem Titel „Über die quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen“ erschien. Mit der mathematischen Ausgestaltung durch MAX BORN und PASCUAL JORDAN entstand die neue „Matrizenmechanik“. Daraus entwickelte sich in Auseinandersetzung mit der „Wellenmechanik“ von ERWIN SCHRÖDINGER (1887-1961) die Kopenhagener Deutung der Quantentheorie. Deren physikalische Grundpfeiler waren die 1927 von HEISENBERG formulierte Unschärferelation und das Komplementaritätsprinzip von NIELS BOHR. Dafür erhielt WERNER HEISENBERG 1932 den Nobelpreis für Physik. In der Folge konzentrierte er sich auf Anwendungen der Quantenmechanik.

Unschärferelation wird auch als Unschärfebeziehung oder Unbestimmtheitsrelation bezeichnet. HEISENBERG formulierte damit ein grundlegendes Gesetz der Quantenphysik. In seinem Buch „Die Physik der Atomkerne“ charakterisiert er selbst dieses Gesetz folgendermaßen:
„Man kann nie die beiden für die Bewegung entscheidenden Bestimmungsstücke eines solchen kleinsten Teilchens - etwa seinen Ort und seine Geschwindigkeit - gleichzeitig genau kennen. Wenn man ein Experiment macht, das genau angibt, wo es sich im Augenblick befindet, so wird die Bewegung in solchem Grade gestört, daß man das Teilchen nachher gar nicht mehr wiederfinden kann. Umgekehrt wird bei einer genauen Messung der Geschwindigkeit das Bild des Ortes völlig verwischt.“

Die Unbestimmtheitsrelation besagt, dass der Ort x und der Impuls p eines Quantenobjektes nicht gleichzeitig genau bestimmt werden können und wird häufig folgender mathematischen Beziehung angegeben:

$\begin{array}{l}\Delta x·\Delta p\ge \frac{h}{4\pi }\\ \\ h=\text{plancksches}\text{Wirkungsspektrum}\end{array}$

Das ist eine, aber nicht die einzige Möglichkeit, die heisenbergsche Unbestimmtheitsrelation zu formulieren. Die wichtigste Schlussfolgerung dieser elementaren Beziehung der Quantanmechanik lautet:

Elektronen können nicht durch klassische physikalische Bahnkurven beschrieben werden. Sie bewegen sich nur mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit im Raum. Diese Wahrscheinlichkeit muss mit aufwändigen mathematischen Verfahren berechnet werden.

Nach der Entdeckung des Neutrons durch JAMES CHADWICK (1891-1974) im Jahre 1932 entwickelte HEISENBERG ein Modell für den Atomkern, der aus Protonen und Neutronen bestehen und von Austauschkräften zusammengehalten werden soll. Nach der Entdeckung der Kernspaltung 1938/39 beschäftigte sich HEISENBERG mit der Theorie und experimentellen Vorarbeiten für den Bau eines Kernreaktors. Weder die Leipziger Anordnung noch die in einem Weinkeller in Haigerloch (Schwäbische Alp) 1945 aufgebaute Anordnung wurden kritisch, auch wenn das - wie man später feststellte - nur eine Frage der Größe war.

1958 stellte HEISENBERG anlässlich der Feiern zum 100. Geburtstag von MAX PLANCK seine Weltformel vor, mit der es möglich sein sollte, die Eigenschaften und das Verhalten aller Elementarteilchen zu erklären. Bei der weiteren Ausarbeitung seiner Theorie stieß er allerdings auf so große Schwierigkeiten, dass sie unvollendet blieb.

Philosophische Auffassungen

WERNER HEISENBERG lernte im Elternhaus schon früh verschiedene philosophischen Auffassungen kennen. Auch später beschäftigte er sich viel mit philosophischen, insbesondere erkenntnistheoretischen Problemen, die eng mit seinen physikalischen Forschungen zusammenhängen. So wandte er sich strikt gegen Materialismus und Determinismus. Grundsätzlich nahm er nur beobachtbare Größe in seine Theorien auf. HEISENBERGs einheitliche Feldgleichung der Elementarteilchen führte ihn zu Überlegungen, dass diese durch eine symmetrische Feldgleichung zu beschreiben seien. Diese neue Einheit der materiellen Welt, in der sich aus Symmetrien die Eigenschaften der Teilchen ergeben, betrachtete HEISENBERG als modernes Analogon zu den antiken Auffassungen über die platonischen Weltkörper.
Die politische Haltung von HEISENBERG zeichnets sich durch seine Verantwortung gegenüber der Menschheit aus. Unter dem Eindruck der Atombombengefahr in der Zeit des kalten Krieges zwischen den USA und der Sowjetunion unterzeichnete der u.a. 1955 die Mainauer Erklärung der Nobelpreisträger gegen einen Einsatz von Kernwaffen und wandte sich 1957 zusammen mit anderen deutschen Nobelpreisträgern gegen die atomare Aufrüstung.