Werner Heisenberg

Bedeutung und zentrale Beiträge

Werner Karl Heisenberg (5. Dezember 1901 in Würzburg – 1. Februar 1976 in München) war ein deutscher Physiker und gilt als Begründer der Quantenmechanik. Diese beschreibt Vorgänge auf atomarer und subatomarer Ebene. Heisenberg gab 1925 die erste mathematische Formulierung der Quantenmechanik an. 1927 formulierte er die Heisenbergsche Unschärferelation, ein fundamentales Prinzip der Quantenmechanik. Für die Begründung der Quantenmechanik erhielt er 1933 den Nobelpreis für Physik des Jahres 1932.

Die Unschärferelation besagt, dass wichtige physikalische Messgrößen wie Ort und Impuls oder Zeit und Energie nicht gleichzeitig scharfe Werte haben können. Mathematisch wird dies dadurch ausgedrückt, dass die zugehörigen Operatoren beziehungsweise Matrizen nicht miteinander vertauschen; dies zeigt sich in den kanonischen Kommutatoren. Heisenbergs Beiträge zusammen mit Niels Bohrs Komplementaritätsprinzip bildeten eine Grundlage der Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik.

Ausbildung und wissenschaftliche Laufbahn

Heisenberg wuchs in einer Gelehrtenfamilie auf und besuchte das Maximiliansgymnasium in München. Nach dem Kriegshilfsdienst 1918 beteiligte er sich 1919 in einer Freiwilligeneinheit, die dem Freikorps Lützow zugeordnet war, an der Niederschlagung der Münchner Räterepublik.

Zunächst schwankte Heisenberg zwischen Musik, Mathematik und Naturwissenschaften. Mit Unterstützung Arnold Sommerfelds studierte er Physik in München und schloss das Studium in drei Jahren ab. Er arbeitete über den anomalen Zeemaneffekt und promovierte 1923 mit einer Dissertation über Stabilität und Turbulenz von Flüssigkeitsströmen. In der mündlichen Prüfung erhielt er nur den dritthöchsten Grad cum laude von vier möglichen Graden; der Experimentalphysiker Wilhelm Wien kritisierte besonders seine Kenntnisse der Experimentalphysik.

1924 wurde Heisenberg Assistent von Max Born in Göttingen und habilitierte sich im selben Jahr. Von März/April 1924 bis Anfang April 1925 sowie nochmals im Herbst 1925 arbeitete er mit Niels Bohr in Kopenhagen. Gemeinsam mit Born und Pascual Jordan begründete er in den folgenden Jahren die theoretische Quantenmechanik.

1927 wurde Heisenberg im Alter von 25 Jahren Professor an der Universität Leipzig. Zusammen mit Friedrich Hund machte er Leipzig zu einem Zentrum der theoretischen Physik, besonders der Kernphysik. Das dortige Seminar zog Schüler aus vielen Ländern an. Von 1942 bis 1945 leitete Heisenberg das Kaiser-Wilhelm-Institut für Physik in Berlin-Dahlem und lehrte an der Berliner Universität. Nach dem Krieg war er von 1946 bis 1958 Direktor des Max-Planck-Instituts für Physik in Göttingen und von 1958 bis 1970 Direktor des Instituts in München. Von 1949 bis 1951 war er Präsident des Deutschen Forschungsrates; 1952 wurde er zum Vorsitzenden des Europäischen Rates für Kernforschung gewählt. Von 1953 bis 1975 war er außerdem erster Präsident der Alexander-von-Humboldt-Stiftung.

Physikalisches Werk

Heisenbergs Durchbruch zur Quantenmechanik erfolgte im Juni 1925 während eines Aufenthalts auf Helgoland. Statt der nicht beobachtbaren Elektronenbahnen des Bohrschen Atommodells verwendete er beobachtbare Frequenzen und Übergangswahrscheinlichkeiten. Er ordnete diese Größen in einem Schema an, das Max Born später als mathematische Matrix erkannte. Die darauf folgenden Arbeiten Heisenbergs mit Born und Pascual Jordan gelten als Geburtsstunde der Quantenmechanik.

In der älteren Quantentheorie führte Heisenberg beim anomalen Zeemaneffekt erstmals halbzahlige Quantenzahlen ein, gleichzeitig mit Alfred Landé. Zu seinen weiteren Beiträgen gehören die Einführung des Isospins in der Kernphysik, die Theorie des Ferromagnetismus mit Austausch-Wechselwirkung von 1928 sowie Pionierarbeiten zur Quantenfeldtheorie mit Wolfgang Pauli und Hans Euler. Mit John Archibald Wheeler gilt er als einer der Väter der S-Matrix, also der Streumatrix. Außerdem untersuchte er Modelle mit fundamentaler Länge, die kosmische Höhenstrahlung und Teilchenschauer sowie die Einführung einer indefiniten Metrik in der Quantenfeldtheorie.

Bereits bei seiner frühen Arbeit über Turbulenz beschäftigte er sich mit nichtlinearen Gleichungen, die trotz einfacher Form sehr komplexes Verhalten zeigen können. In den 1940er Jahren untersuchte er die statistische Theorie der homogenen Turbulenz. In der Nachkriegszeit arbeitete er unter anderem an Supraleitung und an einer einheitlichen Feldtheorie der Elementarteilchenphysik. Diese Theorie erweiterte die Dirac-Gleichung um eine nichtlineare Selbstwechselwirkung und einen Isospin-Freiheitsgrad. Sie erhielt große Medienaufmerksamkeit, wurde aber früh von internationalen Fachkollegen, auch von Wolfgang Pauli, abgelehnt. Heisenberg konnte in dieser Zeit trotz einzelner respektabler Leistungen nicht mehr vollständig an die internationale Forschung anschließen.

Uranprojekt, Krieg und politische Verantwortung

Während des Zweiten Weltkriegs war Heisenberg am deutschen Uranprojekt des Heereswaffenamtes beteiligt. Gemeinsam mit Physikern wie Otto Hahn und Carl Friedrich von Weizsäcker sollte er Einsatzmöglichkeiten der Kernspaltung untersuchen. Heisenberg übernahm bald eine führende Rolle.

Die beteiligten Physiker kamen früh zu dem Schluss, dass eine aufwendige Anreicherung von Uran 235 mit den verfügbaren Ressourcen während der voraussichtlichen Kriegsdauer nicht durchführbar sei. Sie informierten Albert Speer darüber am 4. Juni 1942. Die Möglichkeit einer Plutoniumbombe, für deren Herstellung die Trennung chemisch einfacher gewesen wäre, verschwiegen sie jedoch oder deuteten sie nur an. Auf Speers Frage, wie lange sie für eine Bombe benötigen würden, nannte Heisenberg drei bis fünf Jahre; dadurch verlor das Projekt seine Priorität. Danach arbeiteten die deutschen Kernphysiker vor allem an einem Schwerwasserreaktor. Die Versuchsanlage wurde nach Haigerloch ausgelagert und gelangte am Kriegsende beinahe zu einer sich selbst erhaltenden Kettenreaktion.

Heisenbergs Mitarbeit wurde später besonders von amerikanischen und exilierten deutschen Physikern kritisiert. Umstritten blieb, ob er die Entwicklung einer Atombombe aus moralischen Gründen nicht ernsthaft verfolgte oder ob er die dafür erforderliche Physik nicht vollständig beherrschte. Auch das Gespräch mit Bohr in Kopenhagen 1941 ist nicht abschließend geklärt. Heisenberg erklärte später, er habe über die Folgen einer deutschen Atombombe sprechen und den amerikanischen Physikern mitteilen wollen, dass Deutschland die Bombenentwicklung zurückgestellt habe. Bohr verstand seine Äußerungen jedoch als Hinweis auf ein ernsthaft betriebenes deutsches Programm und verweigerte weitere Gespräche. Ob dies auf einem Missverständnis beruhte, ist ungeklärt. Bohrs später entworfene, aber nicht abgesandte kritische Briefe wurden in den 1990er Jahren veröffentlicht.

Am 1. März 1945 meldete Heisenberg nach Berlin eine Neutronenvermehrung um das 10-Fache und erklärte, man stehe kurz vor einer sich selbst erhaltenden Kettenreaktion. Kurz vor Kriegsende wurde das Uran vergraben. Heisenberg floh in der Nacht vom 22. auf den 23. April 1945 mit dem Fahrrad aus Hechingen nach Bayern und wurde am 2. Mai 1945 in Urfeld von der Alsos-Mission gefunden.

Nach dem Krieg wurde er mit anderen deutschen Physikern in Farm Hall interniert. Die abgehörten Gespräche wurden als Farm-Hall-Protokolle veröffentlicht; ihre Interpretation ist umstritten, weil einige Gefangene möglicherweise wussten, dass sie abgehört wurden. Heisenberg lehnte später eine militärische Nutzung der Kernenergie ab, setzte sich aber für Kernforschung und Reaktoren ein. 1957 gehörte er zu den 18 Unterzeichnern des Göttinger Manifests gegen die geplante atomare Bewaffnung. 1961 unterstützte er außerdem das Tübinger Memorandum gegen atomare Bewaffnung und für die Anerkennung der Oder-Neiße-Grenze.

Philosophie, Person und Nachwirkung

Heisenberg verband Physik und Philosophie eng miteinander. Er meinte, die kleinsten Einheiten der Materie seien keine physikalischen Objekte im gewöhnlichen Sinn, sondern Formen und Strukturen, über die man eindeutig nur in der Sprache der Mathematik sprechen könne. Symmetrieprinzipien hatten für ihn eine grundlegende Bedeutung. Er kritisierte die cartesianische Trennung von Materie und Geist und betonte, dass in der modernen Physik die Unterscheidung zwischen Kraftfeld und Stoff an Bedeutung verliere, weil zu jedem Kraftfeld eine besondere Art von Elementarteilchen gehöre.

Ein zentraler Gedanke war die Einheit der Materie: Elementarteilchen können bei Stößen hinreichender Energie in andere Teilchen umgewandelt, aus kinetischer Energie erzeugt und wieder in Energie, etwa Strahlung, verwandelt werden. Heisenberg fasste dies als gemeinsame Substanz aller Elementarteilchen auf, die als Energie oder universelle Materie bezeichnet werden könne. Die Suche nach der tiefsten Quelle des Verstehens sah er als gemeinsamen Ursprung von Religion und Wissenschaft. Er beschäftigte sich zudem mit Goethes Naturbild und Naturphilosophie.

Privat war Heisenberg musikalisch, sportlich und naturverbunden. 1937 heiratete er Elisabeth Schumacher; das Paar hatte sieben Kinder. Zu seinen bekanntesten nichtfachwissenschaftlichen Schriften gehört die Autobiographie Der Teil und das Ganze. Gespräche im Umkreis der Atomphysik von 1969, in der er Gespräche mit Forschern wie Sommerfeld, Bohr und Pauli rekonstruiert und seine philosophischen Interessen darstellt.

Zu seinen wichtigen Auszeichnungen zählen die Max-Planck-Medaille (1933), der Kopernikus-Preis (1943), die Friedensklasse des Pour le Mérite (1957), der Bayerische Verdienstorden (1961), das Große Verdienstkreuz des Verdienstordens der Bundesrepublik Deutschland mit Stern und Schulterband (1964) und der Romano-Guardini-Preis (1973). Nach seinem Tod wurden unter anderem das Heisenberg-Programm der Deutschen Forschungsgemeinschaft, Schulen, Straßen und ein Asteroid (13149) Heisenberg nach ihm benannt. Michael Frayns Theaterstück Kopenhagen von 1998 dramatisierte das Gespräch mit Bohr und trug zur erneuten öffentlichen Diskussion darüber bei.