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Werner Heisenberg

deutscher Physiker und Nobelpreisträger (1901–1976)
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Werner Karl Heisenberg (* 5. Dezember 1901 in Würzburg; † 1. Februar 1976 in München) war einer der bedeutendsten Physiker des 20. Jahrhunderts und Nobelpreisträger.

Skulptur Heisenbergs in der Aula des Werner-Heisenberg-Gymnasium Riesa

Leben

Werner Heisenberg wurde 1901 in Würzburg in einer Professorenfamilie geboren. Sein Vater war der Byzantinist August Heisenberg. Heisenberg war Neupfadfinder. Er besuchte das Münchner Maximiliansgymnasium.

Sein Studium der Physik in München unter Arnold Sommerfeld schloss er in der Mindeststudienzeit von drei Jahren ab, promovierte über Stabilität und Turbulenz von Flüssigkeitsströmen, wurde 1924 Assistent von Max Born in Göttingen und arbeitete mit Niels Bohr in Kopenhagen. In den folgenden Jahren begründete er mit Max Born und Pascual Jordan die theoretische Quantenmechanik.

Mit nur 26 Jahren wurde Heisenberg 1927 als Professor an die Universität Leipzig berufen; 1932 erhielt er den Nobelpreis für Physik. Von 1942 bis 1945 leitete Heisenberg das Kaiser-Wilhelm-Institut für Physik in Berlin-Dahlem und lehrte zudem als Professor an der Berliner Universität, wo er führend am Uranprojekt des Heereswaffenamtes beteiligt war. Diese Zeit ist ihm später insbesondere von vielen amerikanischen und exilierten deutschen Physikern verübelt worden.

Von 1945 bis 1946 war Heisenberg mit den anderen führenden Forschern des Uranprojektes der Nationalsozialisten in Farm Hall in England interniert. Im Nachkriegsdeutschland wurde er Direktor des Max-Planck-Instituts für Physik in Göttingen von 1946 bis 1958, von 1958 bis 1970 war er Direktor des Max-Planck-Instituts für Physik (heute auch Werner-Heisenberg-Institut genannt) in München. Heisenberg war zudem Präsident der Alexander von Humboldt-Stiftung und auch als Regierungsberater für Wissenschaftspolitik einflussreich.

Bekannte Schüler und Mitarbeiter Heisenbergs sind unter anderem der Physiker und Philosoph Carl Friedrich von Weizsäcker, der sog. „Vater der Wasserstoffbombe“ Eduard Teller, der spätere Nobelpreisträger Felix Bloch, Victor Weisskopf, Ettore Majorana und Hans-Peter Dürr, mit dem er in den 1960er Jahren an seiner "Einheitlichen Feldtheorie" arbeitete.

Für seine Arbeiten zur Quantenmechanik, namentlich für die quantitative Erklärung des Wasserstoffspektrums, wurde er 1932 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. 1933 wurde ihm die Max-Planck-Medaille verliehen. Heisenberg war Mitglied der Sächsischen Akademie der Wissenschaften in Leipzig.

Mit seiner Frau Elisabeth (geb. Schumacher), die er 1936 heiratete, hatte Heisenberg sieben Kinder, darunter den späteren Genetik-Professor Martin Heisenberg. Seine Tochter Christine Heisenberg ist seit 1966 mit Thomas Manns Enkel Frido Mann verheiratet. Einer seiner Enkel ist der Regisseur Benjamin Heisenberg.

Heisenberg und die Politik

Politisch stand Heisenberg konservativen Ideen nahe (in seiner Jugend stand er der Pfadfinder- und Wandervogel-Bewegung nahe), ohne jedoch die Ideologie der Nationalsozialisten zu unterstützen. Dennoch blieb er nach 1933 in Deutschland, während berühmte Physikerkollegen wie Albert Einstein und Erwin Schrödinger in die Emigration gezwungen wurden. Dieser Sachverhalt ist ihm später oft vorgeworfen worden. Zwischen 1933 und 1945 musste sich Heisenberg jedoch Angriffen der nationalsozialistisch orientierten Deutschen Physik erwehren, die die Physik von der angeblich jüdisch unterwanderten Quantenphysik und Relativitätstheorie frei halten wollten. Die Vertreter der "Deutschen Physik", allen voran Johannes Stark und Philipp Lenard, verwarfen seine Theorien mit dem Hinweis, er sei ein theoretischer Formalist und der „Geist von Einsteins Geist“. Stark veröffentlichte 1937 in der SS-Zeitung Das schwarze Korps einen Artikel über „Weiße Juden in der Wissenschaft“, in dem er vor allem Heisenberg angriff. Das ein solches Vorgehen im Dritten Reich schnell auch für ihn persönlich zu einer Bedrohung werden konnte, nutzte Heisenberg eine entfernte Bekanntschaft seiner Eltern zu der Familie Himmler (sein Vater war Griechisch Professor, Himmlers Vater Griechisch-Lehrer in München) um diese Angriffe zum Schweigen zu bringen.

In der Nachkriegszeit stand Heisenberg persönlich Konrad Adenauer nahe, setzte sich für eine verstärkte Kernforschung und den Bau von Reaktoren ein, lehnte jedoch gleichzeitig eine militärische Nutzung der Kernenergie ab. Gemeinsam mit siebzehn weiteren Physikern (Göttinger Achtzehn) wandte er sich im Göttinger Manifest April 1957 gegen eine atomare Wiederbewaffnung. Adenauer und sein Minister Strauss hatten sich für die Bewaffnung von Starfightern der Bundeswehr mit taktischen Nuklearwaffen der Amerikaner ausgesprochen. Als Ende der 1960er Jahre die Studentenbewegung auch sein Institut okkupierte reagierte Heisenberg empfindlich und zog Vergleiche zu nationalsozialistischen Studentenbewegungen in den 1930er Jahren.

Arbeit am Nuklearprogramm im "Dritten Reich"

Zu Beginn des Zweiten Weltkriegs wurden er und andere Physiker (z. B. Otto Hahn und Carl Friedrich von Weizsäcker) in das Heereswaffenamt berufen. Ihre Aufgabe im Rahmen des so genannten Uranprojektes sollte sein, Einsatzmöglichkeiten der Kernspaltung zu finden. Heisenberg hatte die wissenschaftliche Leitung des Projektes. Er und seine Kollegen kamen schon früh zu dem Schluss, dass die aufwändige Anreicherung des Spaltstoffes Uran 235 mit den im Dritten Reich zur Verfügung stehenden Ressourcen während der vorraussichtlichen Restdauer des Krieges nicht zu machen war und informierten dahingehend am 4.6.1942 Albert Speer. Allerdings verschwiegen sie die Möglichkeit eine Plutonium-Bombe zu bauen, bei der die Trennung viel einfacher chemisch erfolgen konnte und für die nur ein Schwerwasser-Brutreaktor mit Natururan erforderlich war, ähnlich den kanadischen Candu-Reaktoren, mit deren Hilfe die indische Atombombe gebaut wurde. Im weiteren Verlauf arbeiteten die deutschen Kernphysiker nur noch an einem Schwerwasserreaktor, der am Ende des Krieges ins schwäbische Haigerloch ausgelagert wurde (das als Moderator dienende schwere Wasser stammte aus den Norsk Hydro Werken in Norwegen). In den Experimenten der letzten Kriegstage gelang es den Reaktor beinahe "kritisch" werden zu lassen, 3 Jahre nach der erfolgreichen Inbetriebnahme eines Graphit-moderierten Reaktors durch Enrico Fermi in Chicago.

Auf dem Höhepunkt der Erfolge des Dritten Reichs 1941 reiste Heisenberg mit Carl Friedrich von Weizsäcker nach Kopenhagen, um mit seinem väterlichen Freund Niels Bohr über die Implikationen einer deutschen Atombombe zu sprechen und wohl auch den Physikern in Amerika die Botschaft zukommen lassen, dass die deutschen Physiker im Reich die Arbeit an der "Bombe" zurückgestellt hätten. Bohr reagierte schockiert und blockte weitere Gespräche ab. Kurz darauf floh er über Schweden in die USA, wo er den Los Alamos Physikern - so erinnert sich Hans Bethe - das Gespräch mit der Skizze einer "Bombe", die in Wirklichkeit ein Reaktor war, rekonstruierte. Im Nachhinein kam Heisenberg sein eigenes Vorgehen naiv vor. Als nach dem Krieg besonders die Mitglieder der amerikanischen "Alsos Mission" (ihr Mitglied Goudsmit schrieb darüber ein gleichnamiges Buch), die am Ende des 2.Weltkriegs die nukleare Hinterlassenschaft der deutschen Physiker einsammelten, den abfälligen Verdacht äußerten, Heisenberg hätte die Physik der Kernreaktoren/Atombomben wohl nicht gemeistert, wehrte sich Heisenberg, indem er moralische Gründe für das "Herunterfahren" des deutschen Atombomben-Programms in den Vordergrund stellte. Bohr reagierte darauf gereizt, als er in Robert Jungks Buch "Heller als tausend Sonnen", dass auf Interviews mit Heisenberg beruhte, davon las. Er entwarf auch einen Brief, schickte ihn aber nicht ab (später veröffentlicht vom Niels Bohr Institut, Kopenhagen).

Das Gespräch mit Bohr wurde von Michael Frayn unter dem Titel Copenhagen (1998) als Theaterstück dramatisiert. Verschiedene Spekulationen zum Gesprächsinhalt werden aus der Sichtweise der Beteiligten (Heisenberg, Bohr, Bohrs Frau) durchgesprochen und mögliche Motive analysiert.

Heisenberg und mehrere seiner Kollegen wurden nach dem Krieg im englischen "Farm Hall" inhaftiert und verbrachten einige Monate in Kriegsgefangenschaft in England. Die Gespräche der deutschen Physiker wurden abgehört und später als "Farm Hall Protokolle" veröffentlicht. Auch Heisenbergs Reaktion auf den Abwurf der Hiroshima/Nagasaki Bomben ist dort protokolliert: nach anfänglichem Unglauben überdachte er schnell das mögliche Konzept und hielt am folgenden Tag ein Seminar darüber. Die Interpretation der "Farm Hall" Protokolle ist umstritten, da einige der inhaftierten Physiker ahnten, dass sie abgehört wurden.

Werk

Heisenberg hat die Physik des 20. Jahrhunderts wesentlich mitbestimmt.

Als Arnold Sommerfelds "Musterschüler" beeindruckte er gleich 1924 mit seiner Disseration, für die ihm sein Lehrer das schwierige Problem der Turbulenz von Flüssigkeitsströmungen gestellt hatte. In einer "tour de force" gelangte er zur Abschätzung der Reynoldszahlen, wobei er neue Methoden enwickelte (WKB-Methode) die später in der Quantenmechanik "wiederentdeckt" wurden. Aus dieser Zeit stammt auch sein lebenslanges Interesse für nichtlineare Gleichungen, die trotz scheinbarer "Einfachheit" der Form zu sehr komplexem Verhalten führen (vgl. Heisenberg "Nonlinear problems in physics", physics today 1967). Insofern ist er auch ein Vorläufer der in den 1970er Jahren aufblühenden Chaostheorie. In den 1940er Jahren griff er das Thema Turbulenz noch einmal auf in der statistischen Theorie der homogenen Turbulenz, wie auch gleichzeitig Andrei Kolmogorov.

In seiner Doktor-Prüfung scheiterte Heisenberg beinahe am Ko-Prüfer, dem Experimentalphysiker Wilhelm Wien, der ihm "bodenlose Ignoranz" in der Experimentalphysik vorwarf. Nur energisches Eingreifen von Sommerfeld liess ihn gerade noch bestehen. Unter anderem fragte Wien nach dem Auflösungsvermögen des Mikroskops, eine Frage, die Heisenberg später in einem Gedankenexperiment zur Illustration der Unschärferelation nutzte.

Sommerfeld baute damals das Bohrsche Atommodell nach allen Seiten weiter aus. Bei Arbeiten zur Erklärung des Zeeman-Effekts führte Heisenberg erstmals halbzahlige Quantenzahlen ein, und das Verhalten der Atome im Bohr-Modell wurde immer verwirrender, man sprach schon von der "Zahlenmystik" der Sommerfeld-Schule. 1922 kam Bohr zu Diskussionen und Vorlesungen nach Göttingen und fand sofort einen "Draht" zu Heisenberg, der ihn später mehrfach längere Zeit in Kopenhagen besuchte und sogar dänisch lernte. Der Durchbruch kam bei einem Urlaubsaufenthalt Heisenbergs auf der Insel Helgoland, wo er seinen Heuschnupfen auskurieren wollte. Statt der nicht beobachtbaren Bohrschen Atombahnen verwendete er nur die beobachtbaren Frequenzen und Übergangswahrscheinlichkeiten, die er in einem Schema anordnete, die sein Chef in Göttingen, Max Born, später als Matrix identifizierte. Die "Quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen" (Zeitschrift für Physik Bd.33, 1925, S.879) ist mit den gleich darauf folgenden Arbeiten von und mit Max Born und Pascual Jordan die Geburtsstunde der Quantenmechanik.

Wie Heisenberg in "Der Teil und das Ganze" schildert, führte er bei einem Besuch in Berlin 1925 auch Diskussionen mit Albert Einstein über die neue Quantentheorie. Heisenberg dachte eigentlich, sein Beseitigen nicht-messbarer Grössen aus der physikalischen Theorie würde Einsteins Zustimmung finden, der sich von ähnlichen Überlegungen Ernst Machs bei seiner speziellen Relativitätstheorie leiten liess. Der Einstein der 1920er Jahre hielt eine solche "Säuberung" der Theorie aber für absurd.

Datei:Heisenbergsche Unschaerferelation.jpg
Darstellung der Unschärferelation

Über die Interpretation der neuen Theorie gab es kurz darauf intensive Diskussionen mit Niels Bohr in Kopenhagen, in denen sich Heisenberg schon als gleichwertiger Partner erwies. Bohr führten diese Gespräche zum Komplementaritätsprinzip, Heisenberg zur Unschärferelation, der Aussage dass wichtige physikalische Messgrössen wie Ort und Impuls (oder Zeit und Energie) nicht gleichzeitig scharf gemessen werden können ("Anschaulicher Inhalt der quantenmechanischen Kinematik", Zeitschrift für Physik Bd.43, 1927, S.172). Mathematisch fand das seinen Ausdruck darin, dass diese durch Operatoren bzw. Matrizen dargestellt wurden, die nicht miteinander vertauschten ("kanonische Kommutatoren"). Die Beiträge Bohrs und Heisenbergs bildeten die Grundlage der "Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik".

In seiner Leipziger Zeit leistete er wichtige Beiträge zur Kernphysik (Einführung des Isospins, Zeitschrift für Physik 1932, 1933), entwickelte eine Theorie des Ferromagnetismus ("Heisenberg- Ferromagnet" mit Austausch-Wechselwirkung, 1928) und leistete u.a. mit Wolfgang Pauli Pionierarbeit in der Quantenfeldtheorie. Hier sind auch insbesondere die Arbeiten mit seinem im Krieg gefallenen Assistenten Hans Euler zu erwähnen, u.a. zu Modifikation der Gleichungen des elektromagnetischen Feldes bei Paarerzeugung aus dem Vakuum. Heisenberg gilt mit John Archibald Wheeler als Vater der S-Matrix (Streumatrix, Zeitschrift für Physik 1942, 1944) und untersuchte schon früh Modelle der Quantenfeldtheorie mit "fundamentaler Länge" (Annalen der Physik 1938). In den 1940er Jahren beschäftigte er sich neben Reaktorphysik auch mit der kosmischen Höhenstrahlung und den durch sie erzeugten Teilchenschauern, die schon bald in England zur Entdeckung der ersten Mesonen führten und allgemein damals als Quelle für Elementarteilchen die Rolle der heutigen Teilchenbeschleuniger hatten. Von Heisenberg stammt auch die Einführung einer indefiniten Metrik in der Quantenfeldtheorie.

In der Nachkriegszeit gelang es ihm trotz respektabler Einzelleistungen nicht mehr, den Anschluss an das internationale Forschungsgeschehen zu finden. Er versuchte sich an einer Theorie der Supraleitung und an einer "einheitlichen Feldtheorie" für die Elementarteilchenphysik, einer Erweiterung der Diracgleichung mit nichtlinearer Selbstwechselwirkung. Heisenberg kannte das Potential nichtlinearer Gleichungen, in der Elementarteilchenphysik, die damals gerade erst anfing den Teilchenzoo zu klassifizieren, erwies sich ein solcher Ansatz allerdings als viel zu verfrüht. Die Theorie bekam damals viel Medienaufmerksamkeit ("Heisenbergs neue Weltformel"), wurde aber schon früh von den internationalen Fachkollegen, unter ihnen auch sein Freund Wolfgang Pauli, der anfangs noch enthusiastisch an der Theorie mitarbeiten wollte, abgelehnt.

Unter seinen nichtfachwissenschaftlichen Schriften ragt seine Autobiographie hervor: „Der Teil und das Ganze. Gespräche im Umkreis der Atomphysik“ (1969). Aus über vier Jahrzehnten Abstand rekonstruiert Heisenberg Dialoge, die veranschaulichen, wie seine Beiträge zur Quantenmechanik in engem Austausch mit befreundeten Mitforschern (Arnold Sommerfeld, Niels Bohr, Wolfgang Pauli u.v.a.) erarbeitet wurden. Hier zeigen sich seine philosophischen Interessen, die in Richtung eines Neoplatonismus gingen, wobei die Symmetrieprinzipien der Physik eine fundamentale Rolle spielen.

Zitate

"Der erste Schluck aus dem Becher der Naturwissenschaft macht atheistisch, doch auf dem Grund des Bechers wartet Gott."

Literatur

  • David C. Cassidy: Werner Heisenberg. Leben und Werk. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 1995, ISBN 3-86025-315-8
  • Armin Hermann: Werner Heisenberg, rororo Biographien 1976
  • Armin Hermann: Die Jahrhundertwissenschaft- Werner Heisenberg und die Physik seiner Zeit, Stuttgart, DVA 1976
  • Werner Heisenberg Collected works, mehrere Bde., Piper Verlag, ab 1984
  • dsb. Physikalische Prinzipien der Quantentheorie, BI Hochschultaschenbuch (Vorlesungen Universität Chicago 1930), neu Spektrum Verlag 1991
  • dsb. Der Teil und das Ganze. München: Piper, 2001 ISBN 3492222978
  • dsb. Ordnung der Wirklichkeit München: Piper, 1989 ISBN 3492109454
  • dsb. Physik und Philosophie Stuttgart: Hirzel, 6. Aufl. 2000 ISBN 3-7776-1024-0
  • dsb. Wandlungen in den Grundlagen der Naturwissenschaft Stuttgart: Hirzel, 12. Auflage 2005, ISBN 3-7776-1366-5
  • Thomas Powers Heisenbergs Krieg. Die Geheimgeschichte der deutschen Atombombe Hamburg: Hoffmann & Campe, 1993
  • Paul Lawrence Rose: Heisenberg and the Nazi Atomic Bomb Project, 1939–1945: A Study in German Culture University of California Press, 1998 ISBN 0520210778, deutsch: Heisenberg und das Atombombenprojekt der Nazis Zürich: Pendo, 2001 ISBN 3858424226
  • Michael Schaaf: Heisenberg, Hitler und die Bombe. Gespräche mit Zeitzeugen Berlin: GNT-Verlag, 2001, ISBN 3-928186-60-4
  • Mark Walker: German National Socialism and the Quest for Nuclear Power 1939–49. Cambridge University Press, 1989
  • Jagdish Mehra, Helmut Rechenberg: The historical development of quantum theory, Springer Verlag, mehrere Bände, 1982 ff


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Personendaten
NAME Heisenberg, Werner
ALTERNATIVNAMEN Heisenberg, Werner Karl
KURZBESCHREIBUNG Physiker, Nobelpreisträger
GEBURTSDATUM 5. Dezember 1901
GEBURTSORT Würzburg
STERBEDATUM 1. Februar 1976
STERBEORT München
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