Werner Heisenberg

Mary Stone | September 26, 2022

Zusammenfassung

Werner Carl Heisenberg (5. Dezember 1901, Würzburg – 1. Februar 1976, München) war ein deutscher theoretischer Physiker, einer der Begründer der Quantenmechanik, Nobelpreisträger für Physik (1932) und Mitglied mehrerer Akademien und wissenschaftlicher Gesellschaften.

Heisenberg ist der Autor einer Reihe grundlegender Ergebnisse in der Quantentheorie: Er legte die Grundlagen der Matrixmechanik, formulierte die Unschärferelation, wandte den Formalismus der Quantenmechanik auf die Probleme des Ferromagnetismus, den anomalen Zeeman-Effekt und andere an. Später beteiligte er sich aktiv an der Entwicklung der Quantenelektrodynamik (Heisenberg-Pauli-Theorie) und der Quantenfeldtheorie (S-Matrix-Theorie); in den letzten Jahrzehnten seines Lebens unternahm er Versuche, eine einheitliche Feldtheorie zu schaffen. Heisenberg gehört zu den ersten quantenmechanischen Theoretikern der Kernkräfte, während des Zweiten Weltkriegs war er der führende Theoretiker des deutschen Atomprojekts. Er beschäftigte sich auch mit der Physik der kosmischen Strahlung, der Turbulenztheorie und philosophischen Problemen der Naturwissenschaften. Heisenberg spielte eine wichtige Rolle bei der Organisation der wissenschaftlichen Forschung im Nachkriegsdeutschland.

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Die Teenagerjahre (1901-1920)

Werner Heisenberg wurde in Würzburg als Sohn von August Heisenberg, Professor für mittelalterliche und neugriechische Philologie, und Annie Wecklein, Tochter des Direktors des Maximilian-Gymnasiums in München, geboren. Er war das zweite Kind der Familie, sein älterer Bruder Erwin (1900-1965) wurde später Chemiker. Die Familie zog 1910 nach München, wo Werner die Schule besuchte und sich in Mathematik, Physik und Grammatik auszeichnete. Seine Ausbildung wurde im Frühjahr 1918 unterbrochen, als er mit anderen 16-Jährigen zu Hilfsarbeiten auf einen Bauernhof geschickt wurde. Zu dieser Zeit begann er sich ernsthaft für Philosophie zu interessieren und las Platon und Kant. Nach dem Ende des Ersten Weltkriegs befanden sich das Land und die Stadt in einer unsicheren Lage, die Macht wechselte von einer politischen Gruppe zur anderen. Im Frühjahr 1919 diente Heisenberg kurzzeitig als Gemeindemitglied und half den Truppen der neuen bayerischen Regierung, die in die Stadt eingezogen waren. Damals engagierte er sich in einer Jugendbewegung, die sich zum Teil stark gegen den Status quo, die alten Traditionen und Vorurteile richtete. So erinnerte sich Heisenberg selbst an eines der Treffen dieser jungen Leute:

Es gab viele Reden, deren Pathos uns heute fremd erscheinen würde. Was ist wichtiger, das Schicksal unseres Volkes oder das Schicksal der Menschheit; ob der Opfertod der Gefallenen in der Niederlage bedeutungslos ist; ob junge Menschen das Recht haben, ihr Leben nach ihren eigenen Wertvorstellungen zu gestalten; was wichtiger ist, die Loyalität zu sich selbst oder die alten Formen, die das Leben der Menschen seit Jahrhunderten geordnet haben – all diese Dinge wurden leidenschaftlich diskutiert und erörtert. Ich war in allen Fragen zu zögerlich, um mich an diesen Debatten zu beteiligen, aber ich habe sie mir immer wieder angehört…

Sein Hauptinteresse galt zu dieser Zeit jedoch nicht der Politik, der Philosophie oder der Musik (Heisenberg war ein begnadeter Pianist und konnte, wie sich Felix Bloch erinnert, stundenlang auf dem Instrument spielen), sondern der Mathematik und der Physik. Er studierte sie größtenteils selbständig, und sein Wissen, das weit über den Schulunterricht hinausging, machte sich vor allem in den Abschlussprüfungen des Gymnasiums bemerkbar. Während einer langen Krankheit las er Hermann Weills Buch „Raum, Zeit und Materie“ und war beeindruckt von der Kraft der mathematischen Methoden und ihrer Anwendungen. Er beschloss, Mathematik an der Universität München zu studieren, wo er sich im Sommer 1920 einschrieb. Ferdinand von Lindemann, ein Mathematikprofessor, weigerte sich jedoch, den Neuling in sein Seminar aufzunehmen, und auf Anraten seines Vaters ging Heisenberg zu dem bekannten theoretischen Physiker Arnold Sommerfeld. Er war sofort bereit, Werner in seine Gruppe aufzunehmen, in der bereits der junge Wolfgang Pauli arbeitete, der bald ein enger Freund Heisenbergs wurde.

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München – Göttingen – Kopenhagen (1920-1927)

Unter Sommerfelds Anleitung begann Heisenberg im Sinne der so genannten „alten Quantentheorie“ zu arbeiten. Sommerfeld verbrachte den Winter 1922-1923 an der University of Wisconsin (USA) und empfahl seinem Schüler, in Göttingen bei Max Born zu arbeiten. So begann eine fruchtbare Zusammenarbeit zwischen den beiden Wissenschaftlern. Es sei darauf hingewiesen, dass Heisenberg bereits im Juni 1922 im Rahmen des so genannten „Bohr-Festivals“, einer Vortragsreihe von Niels Bohr über die neue Atomphysik, Göttingen besucht hatte. Der junge Physiker lernte den berühmten Dänen sogar kennen und unterhielt sich bei einem seiner Spaziergänge mit ihm. Wie sich Heisenberg später selbst erinnerte, hatte dieses Gespräch einen großen Einfluss auf seine Ansichten und seine Herangehensweise an wissenschaftliche Probleme. Die Rolle der verschiedenen Einflüsse in seinem Leben definierte er folgendermaßen: „Ich habe von Sommerfeld Optimismus, von Göttingen Mathematik und von Bohr Physik gelernt.

Für das Sommersemester 1923 kehrte Heisenberg nach München zurück. Bis zu diesem Zeitpunkt hatte er eine These, die sich mit einigen grundlegenden Problemen der Hydrodynamik. Das Thema war von Sommerfeld vorgeschlagen worden, der der Meinung war, dass ein eher klassisches Thema die Verteidigung vereinfachen würde. Zusätzlich zur Dissertation war jedoch eine mündliche Prüfung in drei Fächern erforderlich, um den Doktortitel zu erhalten. Besonders schwierig war ein Test in der Experimentalphysik, dem Heisenberg nicht viel Aufmerksamkeit geschenkt hatte. Am Ende konnte er keine der Fragen von Prof. Wilhelm Wien (über die Auflösung des Fabry-Perot-Interferometers, des Mikroskops, des Fernrohrs und des Prinzips der Bleibatterie) beantworten, aber dank der Fürsprache Sommerfelds erhielt er dennoch die niedrigste Note, die für die Verleihung des Diploms ausreichte.

Im Herbst 1923 kehrte Heisenberg nach Göttingen zurück, um Born aufzusuchen, der ihm eine zusätzliche Assistentenstelle verschaffte. Born beschrieb seinen neuen Mitarbeiter wie folgt:

Er sah aus wie ein einfacher Bauernjunge, mit kurzem, blondem Haar, klaren, lebhaften Augen und einem charmanten Gesichtsausdruck. Er nahm seine Aufgaben als Assistent ernster als Pauli und war mir eine große Hilfe. Seine unfassbare Schnelligkeit und sein scharfer Verstand ermöglichten es ihm stets, ohne große Anstrengung eine riesige Menge an Arbeit zu bewältigen.

In Göttingen setzte der junge Wissenschaftler seine Arbeiten zur Theorie des Zeeman-Effekts und zu anderen Quantenproblemen fort, und im folgenden Jahr habilitierte er sich und erhielt die offizielle Genehmigung, Vorlesungen zu halten. Im Herbst 1924 kam Heisenberg zum ersten Mal nach Kopenhagen, um bei Niels Bohr zu arbeiten. Er begann auch eine enge Zusammenarbeit mit Hendrik Kramers und schrieb eine gemeinsame Arbeit über die Quantendispersionstheorie.

Im Frühjahr 1925 kehrte Heisenberg nach Göttingen zurück und machte in den nächsten Monaten entscheidende Fortschritte bei der Konstruktion der ersten logisch kohärenten Quantentheorie, der Matrixmechanik. In der Folge wurde der Formalismus der Theorie mit Hilfe von Born und Pascual Jordan vervollkommnet. Eine weitere Formulierung der Theorie, die Wellenmechanik, stammt von Erwin Schrödinger und regte sowohl zu zahlreichen konkreten Anwendungen als auch zu einer eingehenden Ausarbeitung der physikalischen Grundlagen der Theorie an. Eines der Ergebnisse dieser Tätigkeit war die Heisenbergsche Unschärferelation, die Anfang 1927 formuliert wurde.

Im Mai 1926 zog Heisenberg nach Dänemark und nahm seine Tätigkeit als außerordentlicher Professor an der Universität Kopenhagen und Assistent von Niels Bohr auf.

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Von Leipzig nach Berlin (1927-1945)

Die Anerkennung der wissenschaftlichen Verdienste Heisenbergs führte zu Rufen auf Professuren in Leipzig und Zürich. Der Wissenschaftler entschied sich für Leipzig, wo Peter Debye Direktor des physikalischen Instituts der Universität war, und trat im Oktober 1927 eine Professur für theoretische Physik an. Seine weiteren Kollegen waren Gregor Wentzel und Friedrich Hund, sein erster Assistent war Guido Beck. Heisenberg erfüllte eine Reihe von Aufgaben in der Abteilung, hielt Vorlesungen über theoretische Physik und organisierte ein wöchentliches Seminar über Atomtheorie, das nicht nur von intensiven Diskussionen über wissenschaftliche Probleme begleitet wurde, sondern auch von freundschaftlichen Teepartys und gelegentlichen Tischtennisturnieren (der junge Professor spielte sehr gut und mit großer Begeisterung). Wie die Biographen Neville Mott und Rudolf Peierls betonen, hatte Heisenbergs früher Ruhm jedoch wenig Einfluss auf seine persönlichen Eigenschaften:

Niemand hätte ihn verurteilt, wenn er begonnen hätte, sich selbst ernst zu nehmen und ein wenig wichtigtuerisch zu werden, nachdem er mindestens zwei entscheidende Schritte unternommen hatte, die das Gesicht der Physik veränderten, und nachdem er in so jungen Jahren Professor geworden war, wodurch sich auch viele ältere und weniger wichtige Menschen wichtig fühlten, aber er blieb, wie er war – ungezwungen und fröhlich in seinem Umgang, fast jungenhaft und mit einer an Schüchternheit grenzenden Bescheidenheit.

Heisenbergs erste Schüler kamen nach Leipzig, wo sich bald eine bedeutende wissenschaftliche Schule bildete. Zu den Mitgliedern der theoretischen Gruppe gehörten zeitweise Felix Bloch, Hugo Fano, Erich Hückel, Robert Mulliken, Rudolf Peierls, Georg Placzek, John Slater und Edward Teller, Laszlo Tissa, John Hasbrouck van Fleck, Victor Weisskopf, Karl von Weizsäcker, Clarence Zehner, Isidor Rabi, Gleb Vatagin, Erich Bagge, Hans Euler, Siegfried Flügge, Theodor Förster.  Theodor Förster, Grete Hermann, Hermann Arthur Jahn, Fritz Sauter, Ivan Supek, Harald Wergeland, Giancarlo Wieck, William Vermillion Houston und viele andere. Obwohl der Professor in der Regel nicht auf die mathematischen Details der Arbeiten seiner Studenten einging, trug er oft zur Klärung der physikalischen Natur des Problems bei, das er untersuchte. Felix Bloch, Heisenbergs erster Schüler (und späterer Nobelpreisträger), beschrieb die pädagogischen und wissenschaftlichen Qualitäten seines Mentors wie folgt

Wenn ich nur eine seiner großen Qualitäten als Lehrer herausgreifen müsste, dann wäre es seine außerordentlich positive Einstellung zu jedem Fortschritt und seine Ermutigung in dieser Hinsicht. …Eines der auffälligsten Merkmale Heisenbergs war die fast unverkennbare Intuition, mit der er an ein physikalisches Problem herangegangen ist, und die phänomenale Art und Weise, in der Lösungen vom Himmel zu fallen schienen.

Im Jahr 1933 erhielt Heisenberg den Nobelpreis für Physik für das vorangegangene Jahr mit der Formulierung „für die Schaffung der Quantenmechanik, deren Anwendungen unter anderem zur Entdeckung der allotropen Formen des Wasserstoffs führten“. Trotz seiner Freude drückte der Wissenschaftler seine Verwunderung darüber aus, dass seine Kollegen Paul Dirac und Erwin Schrödinger die gleiche Auszeichnung (für 1933) für zwei erhielten, während Max Born vom Nobelkomitee völlig ignoriert wurde. Im Januar 1937 lernte er eine junge Frau kennen, Elisabeth Schumacher (1914-1998), die Tochter eines Berliner Wirtschaftsprofessors, die er im April heiratete. Im folgenden Jahr bekamen sie die Zwillinge Wolfgang und Anna-Maria. Sie hatten insgesamt sieben Kinder, von denen einige auch ein Interesse an der Wissenschaft entwickelten: Martin Heisenberg wurde Genetiker, Jochen Heisenberg Physiker und Anna-Marie und Verena Physiologen.

Zu diesem Zeitpunkt hatte sich die politische Situation in Deutschland grundlegend geändert: Hitler war an die Macht gekommen. Heisenberg, der beschloss, im Land zu bleiben, wurde bald von den Gegnern der so genannten „jüdischen Physik“ angegriffen, zu der die Quantenmechanik und die Relativitätstheorie gehörten. Dennoch arbeitete der Wissenschaftler in den 1930er und frühen 1940er Jahren intensiv an Problemen der Atomkerntheorie, der Physik der kosmischen Strahlung und der Quantenfeldtheorie. Ab 1939 nahm er als einer der Leiter am deutschen Atomprojekt teil und wurde 1942 zum Professor für Physik an der Berliner Universität und zum Leiter des Physikalischen Instituts der Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft ernannt.

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Nachkriegszeit (1946-1976)

Während der Operation Epsilon wurden zehn deutsche Wissenschaftler (darunter Heisenberg), die in Nazi-Deutschland an Atomwaffen arbeiteten, von den Alliierten festgenommen. Die Wissenschaftler wurden zwischen dem 1. Mai und dem 30. Juni 1945 gefangen genommen und nach Farm Hall, einem verwanzten Gebäude in Godmanchester in der Nähe von Cambridge, England, gebracht. Sie wurden dort vom 3. Juli 1945 bis zum 3. Januar 1946 festgehalten, um festzustellen, wie nahe die Deutschen dem Bau einer Atombombe waren.

Anfang 1946 lud Colonel B. K. Blount, Mitglied der Wissenschaftsabteilung der Militärregierung der britischen Besatzungszone, Heisenberg und Otto Hahn nach Göttingen ein, wo die Wiederbelebung der Wissenschaft im zerstörten Deutschland beginnen sollte. Die Wissenschaftler widmeten sich intensiv der Organisationsarbeit, zunächst im Wissenschaftsrat und dann in der Max-Planck-Gesellschaft, die die Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft ablöste. 1949, nach der Gründung der BRD, wurde Heisenberg der erste Präsident der Deutschen Forschungsgemeinschaft, die die wissenschaftliche Arbeit im Lande fördern sollte. Als Leiter des Ausschusses für Atomphysik war er einer der Initiatoren der Arbeiten an Kernreaktoren in Deutschland. Gleichzeitig wandte sich Heisenberg gegen die Anschaffung von Atomwaffen durch die Adenauer-Regierung. Im Jahr 1955 spielte er eine aktive Rolle bei der Entstehung der so genannten Mainauer Erklärung, die von sechzehn Nobelpreisträgern unterzeichnet wurde, und zwei Jahre später beim Göttinger Manifest von achtzehn deutschen Wissenschaftlern. Im Jahr 1958 unterzeichnete er einen von Linus Pauling initiierten Appell an den Generalsekretär der Vereinten Nationen, in dem ein Verbot von Atomtests gefordert wurde. Ein fernes Ergebnis dieser Tätigkeit war der Beitritt der BRD zum Vertrag über die Nichtverbreitung von Kernwaffen.

Heisenberg unterstützte aktiv die Gründung des CERN und nahm an einer Reihe von dessen Ausschüssen teil. Er war insbesondere der erste Vorsitzende des Ausschusses für Wissenschaftspolitik und war an der Festlegung der Richtung der Entwicklung des CERN beteiligt. Zugleich war Heisenberg Direktor des Max-Planck-Instituts für Physik, das 1958 von Göttingen nach München umzog und in Max-Planck-Institut für Physik umbenannt wurde. Der Wissenschaftler leitete diese Einrichtung bis zu seiner Pensionierung im Jahr 1970. Er nutzte seinen Einfluss, um neue Institute innerhalb der Gesellschaft zu gründen – das Forschungszentrum Karlsruhe (heute Teil der Universität Karlsruhe), das Max-Planck-Institut für Plasmaphysik und das Institut für extraterrestrische Physik. Im Jahr 1953 wurde er der erste Nachkriegspräsident der Alexander von Humboldt-Stiftung, deren Ziel es war, ausländische Wissenschaftler zu fördern, die in Deutschland arbeiten wollten. In dieser Position, die er zwei Jahrzehnte lang innehatte, sorgte Heisenberg für die Autonomie der Stiftung und ihrer Struktur, die frei von den bürokratischen Unzulänglichkeiten staatlicher Stellen war.

Trotz seiner zahlreichen administrativen und sozialen Verpflichtungen setzte der Wissenschaftler seine wissenschaftliche Arbeit fort und konzentrierte sich in den letzten Jahren auf die Entwicklung einer einheitlichen Feldtheorie. Zu seinen Mitarbeitern in der Göttinger Gruppe gehörten zu verschiedenen Zeiten Karl von Weizsäcker, Kazuhiko Nishijima, Harry Lehmann, Gerhart Lueders, Reinhard Oehme, Walter Thierring, Bruno Zumino, Hans-Peter Dürr und andere. Nach seiner Pensionierung sprach Heisenberg hauptsächlich über allgemeine oder philosophische Fragen der Naturwissenschaft. 1975 begann sich sein Gesundheitszustand zu verschlechtern, und am 1. Februar 1976 starb er. Der renommierte Physiker Eugene Wigner schrieb zu diesem Anlass:

Es gibt keinen lebenden theoretischen Physiker, der einen größeren Beitrag zu unserer Wissenschaft geleistet hat als er. Gleichzeitig war er freundlich zu allen, nicht arrogant und leistete uns angenehme Gesellschaft.

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Die alte Quantentheorie

Die frühen 1920er Jahre waren in der Atomphysik die Zeit der so genannten „alten Quantentheorie“, die ursprünglich auf den Ideen von Niels Bohr beruhte und in den Arbeiten von Sommerfeld und anderen Wissenschaftlern weiterentwickelt wurde. Eine der wichtigsten Methoden zur Erlangung neuer Ergebnisse war das Bohrsche Korrespondenzprinzip. Trotz einer Reihe von Erfolgen konnten viele Fragen noch nicht zufriedenstellend gelöst werden, wie etwa das Problem mehrerer wechselwirkender Teilchen oder das Problem der räumlichen Quantisierung. Außerdem war die Theorie selbst inkonsistent: Die klassischen Newtonschen Gesetze konnten nur auf stationäre Bahnen des Elektrons angewandt werden, während der Übergang zwischen ihnen auf dieser Grundlage nicht beschrieben werden konnte.

Sommerfeld, der sich all dieser Schwierigkeiten bewusst war, beauftragte Heisenberg mit der Ausarbeitung der Theorie. Seine erste Arbeit, die Anfang 1922 veröffentlicht wurde, befasste sich mit einem phänomenologischen Modell des Zeeman-Effekts. Diese Arbeit, die ein kühnes Modell der Atomhülle in Wechselwirkung mit Valenzelektronen vorschlug und halbzahlige Quantenzahlen einführte, machte den jungen Wissenschaftler sofort zu einem der führenden Vertreter der theoretischen Spektroskopie. In nachfolgenden Arbeiten wurden die Breite und Intensität von Spektrallinien und deren zeemanische Komponenten auf der Grundlage des Korrespondenzprinzips diskutiert. Die in Zusammenarbeit mit Max Born verfassten Arbeiten befassten sich mit allgemeinen Problemen der Theorie von Atomen mit mehreren Elektronen (im Rahmen der klassischen Störungstheorie), analysierten die Theorie der Moleküle und schlugen eine Hierarchie intramolekularer Bewegungen vor, die sich in ihrer Energie unterscheiden (Molekülrotationen und -schwingungen, elektronische Anregungen), bewerteten die Werte atomarer Polarisierbarkeiten und kamen zu dem Schluss, dass die Einführung von halbzahligen Quantenzahlen notwendig war. Eine weitere Änderung der Quantenbeziehungen, die darin bestand, den Quantenzuständen des Atoms zwei halbganzzahlige Werte der Drehimpulsquantenzahlen zuzuordnen, ergab sich aus der Berücksichtigung des anomalen Zeeman-Effekts (diese Änderung wurde später durch das Vorhandensein des Elektronenspins erklärt). Diese Arbeit diente auf Anregung von Born als Habilitationsschrift, d.h. als Grundlage für die Habilitation, die Heisenberg im Alter von 22 Jahren an der Universität Göttingen erhielt.

Die gemeinsame Arbeit mit Hendrik Kramers, geschrieben in Kopenhagen, enthielt eine Formulierung der Dispersionstheorie, die die jüngsten Ergebnisse von Born und Kramers selbst verallgemeinert. Sie führte zu quantentheoretischen Analogien von Dispersionsformeln für die Polarisierbarkeit des Atoms in einem bestimmten stationären Zustand, wobei die Möglichkeit von Übergängen zu höheren und niedrigeren Zuständen berücksichtigt wurde. Diese wichtige Arbeit, die Anfang 1925 veröffentlicht wurde, war der unmittelbare Vorläufer der ersten Formulierung der Quantenmechanik.

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Erstellen von Matrixmechaniken

Heisenberg war nicht zufrieden mit dem Stand der Theorie, die es erforderlich machte, jedes einzelne Problem der klassischen Physik zu lösen und es dann mit Hilfe des Korrespondenzprinzips in die Quantensprache zu übertragen. Ein solcher Ansatz führte nicht immer zu Ergebnissen und hing weitgehend von der Intuition des Forschers ab. Auf der Suche nach einem strengen und logisch konsistenten Formalismus beschloss Heisenberg im Frühjahr 1925, die alte Beschreibung aufzugeben und sie durch eine Beschreibung in Form der so genannten beobachtbaren Größen zu ersetzen. Diese Idee wurde durch die Arbeit von Albert Einstein beeinflusst, der eine relativistische Definition der Zeit anstelle der unbeobachtbaren absoluten Newtonschen Zeit gab. (Allerdings bemerkte Einstein bereits im April 1926 in einem privaten Gespräch mit Heisenberg, dass es die Theorie ist, die bestimmt, welche Größen beobachtbar sind und welche nicht). Heisenberg verwarf die klassischen Konzepte von Position und Impuls des Elektrons im Atom und betrachtete Frequenz und Amplitude der Schwingungen, die durch optische Experimente bestimmt werden können. Es gelang ihm, diese Größen als Mengen komplexer Zahlen darzustellen und die Regel ihrer Multiplikation anzugeben, die sich als nicht kommutativ erwies, und dann die entwickelte Methode auf das Problem des anharmonischen Oszillators anzuwenden. Für einen besonderen Fall des harmonischen Oszillators ergab sich daraus natürlich die Existenz der so genannten „Nullpunktenergie“. So wurde das Korrespondenzprinzip in die Grundlagen des entwickelten mathematischen Schemas aufgenommen.

Heisenberg erhielt die Lösung im Juni 1925 auf der Insel Helgoland, wo er sich von einem Heuschnupfenanfall erholte. Als er nach Göttingen zurückkehrte, beschrieb er seine Ergebnisse in einem Papier „Über die quantentheoretische Interpretation kinematischer und mechanischer Beziehungen“ und schickte es an Wolfgang Pauli. Nachdem er sich die Zustimmung des letzteren gesichert hatte, gab Heisenberg das Papier an Born zur Veröffentlichung in der Zeitschrift für Physik, wo es am 29. Juli 1925 einging. Born erkannte bald, dass die Zahlenmengen, die physikalische Größen darstellen, nichts anderes als Matrizen waren und dass Heisenbergs Regel für ihre Multiplikation die Matrixmultiplikationsregel war.

Im Allgemeinen erwartete die Matrixmechanik eine eher passive Aufnahme durch die physikalische Gemeinschaft, die mit dem mathematischen Formalismus der Matrizen wenig vertraut war und durch die extreme Abstraktheit der Theorie entmutigt wurde. Nur wenige Wissenschaftler schenkten Heisenbergs Artikel große Aufmerksamkeit. Niels Bohr zum Beispiel lobte sie sofort und erklärte, dass „eine neue Ära der gegenseitigen Befruchtung von Mechanik und Mathematik begonnen hat“. Die erste strenge Formulierung der Matrixmechanik wurde von Born und Pascual Jordan in ihrem gemeinsamen Papier „On Quantum Mechanics“ im September 1925 vorgelegt. Sie erhielten die grundlegende Permutationsbeziehung (Quantenbedingung) für die Koordinaten- und Impulsmatrizen. Heisenberg beteiligte sich bald an diesen Forschungen, die in der berühmten „Drei-Männer-Arbeit“ gipfelten, die im November 1925 abgeschlossen wurde. Es präsentiert eine allgemeine Methode zur Lösung von Problemen im Rahmen der Matrix-Mechanik, insbesondere unter Berücksichtigung der Systeme mit einer beliebigen Anzahl von Freiheitsgraden, die Einführung der kanonischen Transformationen, die die Grundlagen der Quanten-Mechanische Theorie der Störungen, die Lösung des Problems der Drehimpuls Quantisierung, die Diskussion der Auswahl Regeln und eine Reihe von anderen Fragen.

Weitere Modifikationen der Matrixmechanik erfolgten in zwei Hauptrichtungen: die Verallgemeinerung von Matrizen in Form von Operatoren, die von Born und Norbert Wiener durchgeführt wurde, und die Darstellung der Theorie in algebraischer Form (im Rahmen des Hamilton-Formalismus), die von Paul Dirac entwickelt wurde. Letzterer erinnerte sich viele Jahre später daran, wie anregend die Entstehung der Matrixmechanik für die weitere Entwicklung der Atomphysik gewesen war:

Ich habe den zwingendsten Grund, ein Bewunderer von Werner Heisenberg zu sein. Wir studierten zur gleichen Zeit, waren fast gleich alt und arbeiteten an demselben Problem. Heisenberg war erfolgreich, wo ich versagt hatte. Bis dahin hatte sich eine riesige Menge an spektroskopischem Material angesammelt und Heisenberg hatte den richtigen Weg durch sein Labyrinth gefunden. Damit läutete er ein goldenes Zeitalter der theoretischen Physik ein, und bald konnte auch ein zweitklassiger Student erstklassige Arbeit leisten.

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Verhältnis der Unsicherheiten

Anfang 1926 erschien Erwin Schrödingers Arbeit zur Wellenmechanik, die atomare Vorgänge in der üblichen Form kontinuierlicher Differentialgleichungen beschrieb und, wie sich bald herausstellte, mathematisch mit dem Matrixformalismus identisch war, im Druck. Heisenberg stand der neuen Theorie kritisch gegenüber, insbesondere ihrer ursprünglichen Interpretation als reale Wellen, die eine elektrische Ladung tragen. Und selbst das Erscheinen der Bornschen Wahrscheinlichkeitsrechnung für die Wellenfunktion löste nicht das Problem der Interpretation des Formalismus, d. h. der Klärung der Bedeutung der darin verwendeten Begriffe. Die Notwendigkeit einer Lösung dieses Problems wurde besonders deutlich im September 1926, nach Schrödingers Besuch in Kopenhagen, wo er in einer langen Diskussion mit Bohr und Heisenberg das Bild der Kontinuität der atomaren Phänomene verteidigte und das Konzept der Diskretion und der Quantensprünge kritisierte.

Ausgangspunkt der Heisenberg“schen Analyse war die Erkenntnis, dass die klassischen Begriffe (wie „Koordinate“ und „Impuls“) angepasst werden müssen, damit sie in der Mikrophysik verwendet werden können, so wie die Relativitätstheorie die Begriffe Raum und Zeit angepasst hat und damit dem Lorentz-Transformationsformalismus einen Sinn gab. Er fand einen Ausweg aus dieser Situation, indem er der Verwendung klassischer Begriffe eine Grenze setzte, die mathematisch in Form der Unschärferelation ausgedrückt wird: „Je genauer die Position definiert ist, desto ungenauer ist der Impuls bekannt und vice versa“. Er demonstrierte seine Schlussfolgerungen mit einem berühmten Gedankenexperiment mit einem Gammastrahlenmikroskop. Heisenberg legte seine Ergebnisse in einem 14-seitigen Brief an Pauli dar, der sie lobte. Bohr, der aus dem Urlaub in Norwegen zurückgekehrt war, war nicht ganz zufrieden und machte eine Reihe von Anmerkungen, aber Heisenberg weigerte sich, Änderungen an seinem Text vorzunehmen und erwähnte Bohrs Vorschläge in einem Postskriptum. Ein Artikel „Über den Anschauungsgehalt der quantentheoretischen Kinematik und Mechanik“, in dem die Unschärferelation erläutert wird, ging am 23. März 1927 bei den Herausgebern der Zeitschrift für Physik ein.

Die Unschärferelation spielte nicht nur eine wichtige Rolle bei der Entwicklung der Interpretation der Quantenmechanik, sondern warf auch eine Reihe von philosophischen Problemen auf. Bohr verknüpfte sie mit dem allgemeineren Konzept der Zusätzlichkeit, das er zur gleichen Zeit entwickelte: Er interpretierte die Unschärferelationen als mathematischen Ausdruck der Grenze, bis zu der sich gegenseitig ausschließende (zusätzliche) Konzepte möglich sind. Darüber hinaus lenkte Heisenbergs Artikel die Aufmerksamkeit von Physikern und Philosophen auf das Konzept der Messung sowie auf ein neues, ungewöhnliches Verständnis von Kausalität, das der Autor vorschlug: „… in einer starken Formulierung des Kausalitätsgesetzes: “wenn man die Gegenwart genau kennt, kann man die Zukunft vorhersagen“, ist die Prämisse falsch, nicht die Schlussfolgerung. Wir können die Gegenwart im Prinzip nicht in allen Einzelheiten kennen“. Später, im Jahr 1929, führte er den Begriff „Kollaps des Wellenpakets“ in die Quantentheorie ein, der zu einem der Grundbegriffe der so genannten „Kopenhagener Deutung“ der Quantenmechanik wurde.

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Anwendungen der Quantenmechanik

Die Entstehung der Quantenmechanik (zunächst in Matrix- und dann in Wellenform), die von der wissenschaftlichen Gemeinschaft sofort anerkannt wurde, führte zu raschen Fortschritten bei der Entwicklung von Quantenkonzepten und zur Lösung einer Reihe spezifischer Probleme. Heisenberg selbst verfasste im März 1926 ein gemeinsames Papier mit Jordan, in dem er den anomalen Zeeman-Effekt mit Hilfe der Gaudsmit- und Uhlenbeck-Hypothese des Elektronenspins erklärte. In seinen späteren Arbeiten, die bereits unter Verwendung des Schrödinger-Formalismus verfasst wurden, betrachtete er Mehrteilchensysteme und zeigte die Bedeutung der Zustandssymmetrie für das Verständnis der spektralen Eigenschaften von Helium (die Begriffe Para- und Orthohelium), Lithiumionen und Zwei-Chrom-Molekülen, was zu der Schlussfolgerung führte, dass es zwei allotrope Formen von Wasserstoff gibt, Ortho- und Para-Wasserstoff. Tatsächlich gelangte Heisenberg unabhängig davon zu der Fermi-Dirac-Statistik für Systeme, die das Pauli-Prinzip erfüllen.

1928 begründete Heisenberg die Quantentheorie des Ferromagnetismus (Heisenberg-Modell), indem er das von Pierre Weiss 1907 eingeführte Konzept der Austauschkräfte zwischen Elektronen zur Erklärung des so genannten „molekularen Feldes“ verwendete. In diesem Fall spielte die relative Richtung der Elektronenspins eine Schlüsselrolle, die die Symmetrie des räumlichen Teils der Wellenfunktion bestimmt und somit die räumliche Verteilung der Elektronen und die elektrostatische Wechselwirkung zwischen ihnen beeinflusst. In der zweiten Hälfte der 1940er Jahre unternahm Heisenberg einen erfolglosen Versuch, eine Theorie der Supraleitung zu konstruieren, die nur die elektrostatische Wechselwirkung zwischen den Elektronen berücksichtigte.

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Quantenelektrodynamik

Seit Ende 1927 war das Hauptproblem, das Heisenberg beschäftigte, die Konstruktion der Quantenelektrodynamik, die nicht nur das Vorhandensein eines quantisierten elektromagnetischen Feldes, sondern auch dessen Wechselwirkung mit relativistisch geladenen Teilchen berücksichtigen sollte. Die Dirac-Gleichung für das relativistische Elektron, die Anfang 1928 erschien, wies einerseits den richtigen Weg, warf aber andererseits eine Reihe von Problemen auf, die scheinbar unlösbar waren – das Problem der Eigenenergie des Elektrons, das mit dem Auftreten eines unendlich großen Zusatzes zur Teilchenmasse verbunden war, und das Problem der Zustände mit negativer Energie. Die Forschungen, die Heisenberg zusammen mit Pauli durchführte, gerieten in eine Sackgasse, und er gab sie vorübergehend auf, um sich der Theorie des Ferromagnetismus zuzuwenden. Erst Anfang 1929 gelang es ihnen, ein allgemeines Schema der relativistischen Theorie zu entwerfen, das in einem im März desselben Jahres fertiggestellten Papier skizziert wurde. Das vorgeschlagene Schema basiert auf einem Quantisierungsverfahren der klassischen Feldtheorie mit einer relativistisch invarianten Lagrange. Die Wissenschaftler wendeten diesen Formalismus auf ein System mit einem elektromagnetischen Feld und Materiewellen an, die miteinander wechselwirken. In der nächsten Arbeit, die 1930 veröffentlicht wurde, vereinfachten sie die Theorie erheblich, indem sie Symmetrieüberlegungen aus der Kommunikation mit dem berühmten Mathematiker Hermann Weil nutzten. Dies betraf in erster Linie Überlegungen zur Eichinvarianz, die es ermöglichten, einige künstliche Konstruktionen der ursprünglichen Formulierung zu beseitigen.

Obwohl der Versuch von Heisenberg und Pauli, eine Quantenelektrodynamik zu konstruieren, die Grenzen der Atomtheorie erheblich erweiterte und eine Reihe bekannter Ergebnisse einbezog, erwies es sich als unfähig, die mit der unendlichen Eigenenergie des Punktelektrons verbundenen Divergenzen zu beseitigen. Alle späteren Versuche, dieses Problem zu lösen, einschließlich so radikaler Versuche wie die Raumquantisierung (Gittermodell), waren erfolglos. Die Lösung wurde erst viel später im Rahmen der Renormierungstheorie gefunden.

Seit 1932 widmete Heisenberg dem Phänomen der kosmischen Strahlung große Aufmerksamkeit, da es seiner Meinung nach die Möglichkeit bot, die theoretischen Konzepte ernsthaft zu überprüfen. In der kosmischen Strahlung entdeckte Carl Anderson das von Dirac vorhergesagte Positron (Diracs „Loch“). 1934 entwickelte Heisenberg die Lochtheorie, indem er Positronen in den Formalismus der Quantenelektrodynamik einbezog. Gleichzeitig postulierte er wie Dirac die Existenz des Phänomens der Vakuumpolarisation und berechnete 1936 zusammen mit Hans Euler die mit diesem Effekt verbundenen Quantenkorrekturen der Maxwellschen Gleichungen (die sogenannte Heisenberg-Euler-Lagrange).

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Nuklearphysik

1932, kurz nach der Entdeckung des Neutrons durch James Chadwick, schlug Heisenberg die Idee einer Proton-Neutron-Struktur des Atomkerns vor (etwas früher war sie unabhängig von Dmitri Iwanenko vorgeschlagen worden), und in drei Artikeln versuchte er, eine quantenmechanische Theorie eines solchen Kerns zu konstruieren. Mit dieser Hypothese konnten zwar viele Schwierigkeiten des früheren (Proton-Elektron-)Modells gelöst werden, doch blieben der Ursprung der bei Betazerfallsprozessen emittierten Elektronen, einige Merkmale der Kernteilchenstatistik und die Natur der Kräfte zwischen den Nukleonen unklar. Heisenberg versuchte, diese Fragen zu klären, indem er von der Existenz von Austauschwechselwirkungen zwischen Protonen und Neutronen im Kern ausging, die den Kräften zwischen dem Proton und dem Wasserstoffatom, das das Wasserstoffmolekülion bildet, ähneln. Diese Wechselwirkung soll über Elektronen stattfinden, die zwischen Neutron und Proton ausgetauscht werden, aber diesen Kernelektronen mussten „falsche“ Eigenschaften zugeschrieben werden (insbesondere sollten sie spinlos, also Bosonen sein). Die Wechselwirkung zwischen Neutronen wurde ähnlich beschrieben wie die Wechselwirkung zwischen zwei neutralen Atomen in einem Wasserstoffmolekül. Hier äußerte der Wissenschaftler zum ersten Mal die Idee der isotopischen Invarianz, die mit dem Ladungsaustausch zwischen Nukleonen und der Ladungsunabhängigkeit der Kernkräfte zusammenhängt. Weitere Verbesserungen an diesem Modell wurden von Ettore Majorana vorgenommen, der den Sättigungseffekt der Kernkräfte entdeckte.

Nach dem Erscheinen der von Enrico Fermi entwickelten Theorie des Betazerfalls im Jahr 1934 beteiligte sich Heisenberg an deren Erweiterung und schlug vor, dass die Kernkräfte nicht durch den Austausch von Elektronen, sondern durch Elektron-Neutrino-Paare entstehen (unabhängig davon wurde diese Idee von Iwanenko, Igor Tamm und Arnold Nordsik entwickelt). Das Ausmaß dieser Wechselwirkung war jedoch wesentlich geringer als im Experiment nachgewiesen. Dennoch blieb dieses Modell (mit einigen Ergänzungen) bis zum Erscheinen der Theorie von Hideki Yukawa vorherrschend, die die Existenz von schwereren Teilchen postulierte, die die Wechselwirkung von Neutronen und Protonen im Kern ermöglichen. 1938 entwickelten Heisenberg und Euler Methoden zur Analyse der Absorptionsdaten der kosmischen Strahlung und konnten erstmals die Lebensdauer eines Teilchens („Mesotron“ oder Meson, wie es später genannt wurde) schätzen, das zur harten Komponente der Strahlung gehört und zunächst mit dem hypothetischen Yukawa-Teilchen in Verbindung gebracht wurde. Im folgenden Jahr analysierte Heisenberg die Grenzen der bestehenden Quantentheorien der Elementarteilchen-Wechselwirkungen auf der Grundlage der Störungstheorie und diskutierte die Möglichkeit, über diese Theorien hinaus in den hohen Energiebereich der kosmischen Strahlung vorzudringen. In diesem Bereich ist die Entstehung von Mehrfachteilchen in der kosmischen Strahlung möglich, die er im Rahmen der Theorie der Vektormesonen betrachtet.

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Quantenfeldtheorie

In einer Reihe von drei Papieren, die zwischen September 1942 und Mai 1944 geschrieben wurden, schlug Heisenberg einen radikalen Weg vor, um die Divergenz in der Quantenfeldtheorie zu beseitigen. Die Idee einer fundamentalen Länge (das Raumquantum) veranlasste ihn, die Beschreibung durch eine kontinuierliche Schrödinger-Gleichung aufzugeben. Er kehrte zum Konzept der Observablen zurück, deren Beziehungen untereinander die Grundlage für eine zukünftige Theorie bilden müssen. Für die Beziehungen zwischen diesen Größen, auf die er sich eindeutig bezog, Energien stationärer Zustände und asymptotisches Verhalten der Wellenfunktion bei Streu-, Absorptions- und Emissionsprozessen, führte er (unabhängig von John Wheeler, der dies 1937 tat) das Konzept der S-Matrix (Streumatrix) ein, nämlich den Operator, der eine einfallende Wellenfunktion in eine gestreute Wellenfunktion umwandelt. Nach Heisenbergs Idee sollte die S-Matrix in der zukünftigen Theorie den Hamiltonian ersetzen. Trotz der Schwierigkeiten beim Austausch wissenschaftlicher Informationen unter Kriegsbedingungen wurde die Streumatrixtheorie bald von einer Reihe von Wissenschaftlern aufgegriffen (Ernst Stückelberg in Genf, Hendrik Kramers in Leiden, Christian Møller in Kopenhagen, Pauli in Princeton), die sich daran machten, den Formalismus weiterzuentwickeln und seine physikalischen Aspekte zu klären. Mit der Zeit wurde jedoch klar, dass diese Theorie in ihrer reinen Form keine Alternative zur gewöhnlichen Quantenfeldtheorie sein kann, sondern eines der nützlichen mathematischen Werkzeuge innerhalb dieser Theorie darstellt. Sie wird insbesondere (in modifizierter Form) im Feynman-Formalismus der Quantenelektrodynamik verwendet. Das Konzept der S-Matrix, ergänzt durch eine Reihe von Bedingungen, hat einen zentralen Platz bei der Formulierung der so genannten axiomatischen Quantenfeldtheorie und später bei der Entwicklung der Stringtheorie eingenommen.

In der Nachkriegszeit, als die Zahl der neu entdeckten Elementarteilchen zunahm, stellte sich das Problem, sie mit Hilfe der kleinstmöglichen Anzahl von Feldern und Wechselwirkungen zu beschreiben, im einfachsten Fall mit einem einzigen Feld (dann kann man von einer „einheitlichen Feldtheorie“ sprechen). Seit etwa 1950 steht das Problem, die richtige Gleichung zur Beschreibung eines einzelnen Feldes zu finden, im Mittelpunkt der wissenschaftlichen Arbeit Heisenbergs. Sein Ansatz basierte auf einer nichtlinearen Verallgemeinerung der Dirac-Gleichung und dem Vorhandensein einer fundamentalen Länge (in der Größenordnung des klassischen Elektronenradius), die die Anwendbarkeit der gewöhnlichen Quantenmechanik begrenzt. Im Allgemeinen wurde diese Richtung, die sofort mit gewaltigen mathematischen Problemen und der Notwendigkeit konfrontiert war, eine riesige Menge an experimentellen Daten unterzubringen, von der wissenschaftlichen Gemeinschaft skeptisch aufgenommen und fast ausschließlich in Heisenbergs Gruppe entwickelt. Obwohl der Erfolg ausblieb und die Entwicklung der Quantentheorie hauptsächlich auf anderen Wegen verlief, haben einige Ideen und Methoden, die in den Arbeiten des deutschen Wissenschaftlers auftauchen, ihre Rolle bei dieser Weiterentwicklung gespielt. Insbesondere die Idee, das Neutrino als Goldsteinteilchen darzustellen, das durch spontane Symmetriebrechung entsteht, beeinflusste die Entwicklung des Supersymmetriekonzepts.

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Hydrodynamik

Heisenberg begann in den frühen 1920er Jahren, sich mit den grundlegenden Problemen der Hydrodynamik zu befassen. In seiner ersten Arbeit versuchte er, im Anschluss an Theodore von Karman, die Parameter des Wirbelschweifs zu bestimmen, der hinter einer sich bewegenden Platte auftritt. In seiner Dissertation untersuchte er die Stabilität der laminaren Strömung und das Wesen der Turbulenz am Beispiel einer Flüssigkeitsströmung zwischen zwei planparallelen Platten. Er konnte zeigen, dass eine laminare Strömung, die bei niedrigen Reynoldszahlen (unterhalb eines kritischen Wertes) stabil ist, zunächst instabil wird, aber bei sehr hohen Werten ihre Stabilität zunimmt (nur langwellige Störungen sind instabil). Heisenberg kehrte 1945, als er in England interniert war, zu dem Problem der Turbulenz zurück. Er entwickelte einen Ansatz, der sich auf die statistische Mechanik stützt und den Ideen von Geoffrey Taylor, Andrei Kolmogorov und anderen Wissenschaftlern sehr ähnlich ist. Insbesondere konnte er zeigen, wie Energie zwischen unterschiedlich großen Wirbeln ausgetauscht wird.

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Beziehung zum Naziregime

Schon bald nach Hitlers Machtergreifung im Januar 1933 begann eine grobe Invasion der Politik in das etablierte Universitätsleben mit dem Ziel, Wissenschaft und Bildung von Juden und anderen unerwünschten Elementen zu „säubern“. Heisenberg war, wie viele seiner Kollegen, schockiert über den schieren Anti-Intellektualismus des neuen Regimes, der die deutsche Wissenschaft zwangsläufig schwächen würde. Zunächst war er jedoch noch geneigt, die positiven Aspekte der Veränderungen im Land zu betonen. Die nationalsozialistische Rhetorik der deutschen Renaissance und der deutschen Kultur scheint ihn angezogen zu haben, weil sie den romantischen Idealen der Jugendbewegung nach dem Ersten Weltkrieg nahe steht. Wie David Cassidy, der Biograph des Wissenschaftlers, feststellt, hing die Passivität, mit der Heisenberg und seine Kollegen die Veränderungen wahrnahmen, wahrscheinlich mit der Tradition zusammen, die Wissenschaft als eine Institution außerhalb der Politik zu betrachten.

Die Versuche von Heisenberg, Max Planck und Max von Laue, die Politik gegenüber jüdischen Wissenschaftlern zu ändern oder zumindest ihre Auswirkungen durch persönliche Kontakte und Petitionen auf dem Dienstweg abzumildern, blieben erfolglos. Seit Herbst 1933 wurden „Nichtarier“, Frauen und Personen mit linker Gesinnung von der Lehre ausgeschlossen. 1938 mussten angehende Dozenten ihre politische Eignung nachweisen. In dieser Situation versuchten Heisenberg und seine Kollegen, die den Erhalt der deutschen Physik als vorrangig ansahen, die vakanten Stellen mit deutschen oder sogar ausländischen Wissenschaftlern zu besetzen, was in der wissenschaftlichen Gemeinschaft negativ aufgenommen wurde und auch nicht zum Ziel führte. Ein letzter Ausweg war der Rücktritt aus Protest, aber Planck hielt Heisenberg davon ab, indem er darauf hinwies, wie wichtig das Überleben der Physik trotz der Katastrophe war, die Deutschland in der Zukunft erwartete.

Das Bestreben, ihre unpolitische Haltung beizubehalten, hinderte Heisenberg und andere Wissenschaftler nicht nur daran, sich dem wachsenden Antisemitismus in Universitätskreisen zu widersetzen, sondern brachte sie bald selbst in ernsthafte Angriffe von „arischen Physikern“. Im Jahr 1935 verstärkten sich die Angriffe gegen die „jüdische Physik“, zu der auch die Relativitätstheorie und die Quantenmechanik gehörten. Diese Aktionen, die von der offiziellen Presse unterstützt wurden, wurden von aktiven Unterstützern des Naziregimes, den Nobelpreisträgern Johannes Stark und Philipp Lenard, geleitet. Der Rücktritt von Arnold Sommerfeld, der seinen berühmten Schüler zum Nachfolger als Professor an der Universität München ernannt hatte, führte zu Angriffen auf Heisenberg, den Stark im Dezember 1935 als „Geist von Einsteins Geist“ bezeichnete. Der Wissenschaftler veröffentlichte eine Antwort in der NS-Parteizeitung Völkischer Beobachter, in der er dazu aufrief, den grundlegenden physikalischen Theorien mehr Beachtung zu schenken. Im Frühjahr 1936 gelang es Heisenberg zusammen mit Hans Geiger und Max Wien, die Unterschriften von 75 Professoren für eine Petition zur Unterstützung dieser Forderung zu sammeln. Diese Gegenmaßnahmen schienen das Reichserziehungsministerium auf die Seite der Wissenschaftler zu ziehen, doch am 15. Juli 1937 änderte sich die Situation erneut. An diesem Tag veröffentlichte die offizielle SS-Zeitung Das Schwarze Korps einen großen Artikel von Stark mit dem Titel „Weiße Juden“ in der Wissenschaft“, in dem er die Notwendigkeit verkündete, den „jüdischen Geist“ aus der deutschen Physik zu entfernen. Heisenberg wurde persönlich mit der Einweisung in ein Konzentrationslager bedroht und zum „Osiecki der Physik“ ernannt. Trotz zahlreicher Einladungen aus dem Ausland war Heisenberg nicht bereit, das Land zu verlassen, und beschloss, mit der Regierung zu verhandeln. David Cassidy hat diese schwierige Entscheidung wie folgt beschrieben

Hätte das Regime seinen übergeordneten Status wiederhergestellt, hätte er die geforderten Kompromisse akzeptiert und sich selbst von der Gerechtigkeit der neuen Rechtfertigung überzeugt: Mit dem persönlichen Opfer, in seiner Position zu bleiben, schützte er die korrekte deutsche Physik vor der Entstellung durch den Nationalsozialismus.

Heisenberg folgte seiner Wahl und verfasste zwei offizielle Schreiben – an das Reichserziehungsministerium und an SS-Reichsführer Heinrich Himmler – in denen er eine offizielle Antwort auf die Aktionen von Stark und seinen Anhängern forderte. In den Briefen erklärte er, dass er sein Amt niederlegen würde, falls die Anschläge offiziell von den Behörden genehmigt würden; falls nicht, benötige er staatlichen Schutz. Dank einer Bekanntschaft der Mutter des Wissenschaftlers mit der Mutter Himmlers erreichte der Brief sein Ziel. Es dauerte jedoch fast ein Jahr, in dem Heisenberg von der Gestapo verhört, seine Privatgespräche abgehört und seine Handlungen bespitzelt wurden, bevor er eine positive Antwort von einem hohen Reichsbeamten erhielt. Dennoch wurde die Professorenstelle in München an einen anderen, parteitreueren Kandidaten vergeben.

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Der Beginn des Uranprojekts. Reise nach Kopenhagen

Der zwischen Heisenberg und der Naziführung erzielte Kompromiss wurde von Cassidy bildlich als faustischer Pakt bezeichnet. Einerseits bedeutete der Erfolg gegen die „arischen Physiker“ und die öffentliche Rehabilitierung des Wissenschaftlers die Anerkennung seiner Bedeutung (und der seiner Kollegen) für die Aufrechterhaltung eines hohen Niveaus der Physikausbildung und -forschung im Land. Die andere Seite dieses Kompromisses war die Bereitschaft der deutschen Wissenschaftler (einschließlich Heisenbergs), mit den Behörden zusammenzuarbeiten und sich an den militärischen Entwicklungen des Dritten Reiches zu beteiligen. Letztere gewannen vor allem mit dem Ausbruch des Zweiten Weltkriegs an Bedeutung, nicht nur für die Armee, sondern auch für die Wissenschaftler selbst, da die Zusammenarbeit mit dem Militär einen zuverlässigen Schutz vor der Einberufung an die Front bot. Heisenbergs Zustimmung, für die Nazi-Regierung zu arbeiten, hatte noch eine andere Seite, die von Mott und Peierls wie folgt beschrieben wird:

…Es ist anzunehmen, dass er wollte, dass Deutschland den Krieg gewinnt. Er war mit vielen Aspekten des Nazi-Regimes nicht einverstanden, aber er war ein Patriot. Der Wunsch, sein Land zu besiegen, hätte weitaus rebellischere Ansichten impliziert als die, die er vertrat.

Bereits im September 1939 unterstützte die Armeeführung die Gründung des so genannten „Uranvereins“, um die Aussichten für die Nutzung der von Otto Hahn und Fritz Strassmann Ende 1938 entdeckten Kernspaltung von Uran zu vertiefen. Heisenberg wurde zu einer der ersten Besprechungen des Problems am 26. September 1939 eingeladen, bei der die Grundzüge des Projekts und die Möglichkeit einer militärischen Nutzung der Kernenergie erläutert wurden. Der Wissenschaftler sollte die Funktionsweise der „Uranmaschine“, wie der Kernreaktor damals genannt wurde, theoretisch untersuchen. Im Dezember 1939 legte er seinen ersten geheimen Bericht mit einer theoretischen Analyse der Möglichkeit der Energiegewinnung durch Kernspaltung vor. In diesem Bericht wurden Kohlenstoff und schweres Wasser als Moderatoren vorgeschlagen, aber ab Sommer 1940 wurde beschlossen, letzteres als wirtschaftlichere und erschwinglichere Option zu verwenden (es war bereits im besetzten Norwegen hergestellt worden).

Nach seiner Rehabilitierung durch die NS-Führung durfte Heisenberg nicht nur in Deutschland, sondern auch in anderen europäischen Ländern (einschließlich der besetzten Länder) Vorträge halten. Aus der Sicht der Parteibürokraten sollte er die Verkörperung des Wohlstands der deutschen Wissenschaft sein. Mark Walker, ein renommierter Experte für die Geschichte der deutschen Wissenschaft in dieser Zeit, schrieb zu diesem Thema:

Es ist klar, dass Heisenberg unwissentlich, vielleicht sogar unwissentlich, für die Nazi-Propaganda arbeitete. Es ist jedoch ebenso klar, dass die betreffenden nationalsozialistischen Funktionäre ihn zu Propagandazwecken benutzten, dass seine Aktivitäten in dieser Hinsicht wirksam waren und dass seine ausländischen Kollegen Grund zu der Annahme hatten, dass er für den Nationalsozialismus warb… Solche ausländischen Vortragsreisen vergifteten vielleicht mehr als alles andere seine Beziehungen zu vielen ausländischen Kollegen und ehemaligen Freunden außerhalb Deutschlands.

Das vielleicht berühmteste Beispiel für eine solche Reise war ein Treffen mit Niels Bohr in Kopenhagen im September 1941. Die Einzelheiten des Gesprächs zwischen den beiden Wissenschaftlern sind nicht bekannt und werden sehr unterschiedlich interpretiert. Nach eigenen Angaben wollte Heisenberg die Meinung seines Lehrers über den moralischen Aspekt der Entwicklung neuer Waffen wissen, aber da er nicht offen sprechen konnte, wurde er von Bohr missverstanden. Der Däne gab eine ganz andere Interpretation der Begegnung. Er hatte den Eindruck, dass die Deutschen sich intensiv mit dem Thema Uran beschäftigten und Heisenberg wollte herausfinden, was er darüber wusste. Außerdem glaubte Bohr, dass sein Gast ihm vorgeschlagen hatte, mit den Nazis zu kooperieren. Die Ansichten des dänischen Wissenschaftlers spiegelten sich in Briefentwürfen wider, die erstmals 2002 veröffentlicht und in der Presse breit diskutiert wurden.

1998 wurde in London das Stück Kopenhagen des englischen Dramatikers Michael Frayn uraufgeführt, in dem es um eine Episode in der Beziehung zwischen Bohr und Heisenberg geht, die nicht vollständig geklärt wurde. Der Erfolg des Films im Vereinigten Königreich und dann am Broadway hat unter Physikern und Wissenschaftshistorikern eine Debatte über die Rolle des deutschen Wissenschaftlers bei der Entwicklung der „Bombe für Hitler“ und den Inhalt des Gesprächs mit Bohr ausgelöst. Es wird vermutet, dass Heisenberg über Bohr den alliierten Physikern mitteilen wollte, dass sie keine Atomwaffen entwickeln und sich auf einen friedlichen Reaktor konzentrieren sollten, wie es deutsche Wissenschaftler taten. Laut Walker sagte Heisenberg in dem Gespräch „drei Dinge: 1) die Deutschen arbeiten an der Atombombe; 2) er selbst steht dieser Arbeit zwiespältig gegenüber; 3) Bohr sollte mit dem Deutschen Wissenschaftlichen Institut und mit den Besatzungsbehörden zusammenarbeiten. Es ist daher nicht verwunderlich, dass der Däne, der im Herbst 1943 nach England und dann in die USA ging, die rasche Entwicklung der Atombombe in diesen Ländern unterstützte.

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Versuche zum Bau eines Reaktors

Trotz des Mangels an Uran und schwerem Wasser gelang es verschiedenen Gruppen von Wissenschaftlern in Deutschland bis Anfang 1942, Laborexperimente mit ermutigenden Ergebnissen im Hinblick auf den Bau einer „Uranmaschine“ durchzuführen. Insbesondere konnte Robert Döpel in Leipzig eine positive Erhöhung der Neutronenzahl in der von Heisenberg vorgeschlagenen kugelförmigen Geometrie der Uranschichtanordnung erreichen. Insgesamt arbeiteten in Deutschland 70-100 Wissenschaftler in verschiedenen Gruppen an der Uranproblematik, die durch eine gemeinsame Leitung verbunden waren. Von großer Bedeutung für das Schicksal des Projekts war eine vom Wissenschaftlichen Militärrat im Februar 1942 organisierte Konferenz (einer der Vortragenden war Heisenberg). Bei diesem Treffen wurde zwar das militärische Potenzial der Kernenergie anerkannt, aber angesichts der derzeitigen wirtschaftlichen und militärischen Lage in Deutschland wurde beschlossen, dass ihre Nutzung innerhalb eines angemessenen Zeitraums (etwa ein Jahr) nicht möglich sein wird und diese neue Waffe daher den Krieg nicht beeinflussen kann. Dennoch wurde die Kernforschung als wichtig für die Zukunft erachtet (sowohl militärisch als auch friedlich), und es wurde beschlossen, sie weiterhin zu finanzieren, aber die Gesamtleitung wurde vom Militär auf den Kaiserlichen Forschungsrat übertragen. Diese Entscheidung wurde im Juni 1942 bei einem Treffen von Wissenschaftlern mit Rüstungsminister Albert Speer bestätigt, und das Hauptziel war der Bau eines Kernreaktors. Wie Walker betont, erwies sich die Entscheidung, die Arbeiten nicht auf eine industrielle Ebene zu bringen, als entscheidend für das Schicksal des gesamten deutschen Uranprojekts:

Obwohl bis dahin die amerikanische und die deutsche Forschung parallel liefen, waren die Amerikaner den Deutschen bald voraus… Vergleicht man die seit dem Winter 1941 durchgeführten Arbeiten

Im Juli 1942 wurde das Physikalische Institut in Berlin an die Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft zurückgegeben, um die Arbeiten an der „Uranmaschine“ zu organisieren, und Heisenberg wurde zum Leiter des Instituts ernannt (er wurde auch zum Professor an der Berliner Universität ernannt). Da Peter Debye, der noch nicht aus den USA zurückgekehrt war, formell Direktor des Instituts blieb, lautete der Titel von Heisenbergs Stelle „Direktor am Institut“. Trotz des Materialmangels wurden in den folgenden Jahren in Berlin mehrere Experimente mit dem Ziel durchgeführt, eine selbsterhaltende Kettenreaktion in Kernkesseln verschiedener Geometrien zu erreichen. Dieses Ziel wurde im Februar 1945 fast erreicht, als das letzte Experiment, das sich bereits in der Evakuierung befand, in einem in einen Felsen gehauenen Raum im Dorf Heigerloh stattfand (das Institut selbst befindet sich in der Nähe, in Hehingen). Hier wurden die Wissenschaftler und die Anlage im April 1945 von der geheimen Alsos-Mission gefangen genommen.

Kurz vor dem Eintreffen der amerikanischen Truppen fuhr Heisenberg mit dem Fahrrad in das bayerische Dorf Urfeld, wo seine Familie lebte und wo er bald von den Alliierten gefunden wurde. Im Juli 1945 war er einer von zehn wichtigen deutschen Wissenschaftlern, die am Atomprojekt der Nazis beteiligt waren und in Farm Hall bei Cambridge interniert wurden. Die Physiker wurden sechs Monate lang ständig überwacht, und ihre Gespräche wurden mit versteckten Mikrofonen aufgezeichnet. Die Aufzeichnungen wurden von der britischen Regierung im Februar 1992 freigegeben und sind ein wertvolles Dokument über die Geschichte des deutschen Atomprojekts.

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Diskussionen in der Nachkriegszeit

Kurz nach dem Ende des Weltkriegs begann eine hitzige Debatte über die Gründe für das Scheitern der deutschen Physiker beim Bau der Atombombe. Im November 1946 veröffentlichte die Zeitschrift Die Naturwissenschaften einen Artikel Heisenbergs über das Atomprojekt der Nazis. Mark Walker wies auf mehrere charakteristische Ungenauigkeiten in der Darstellung der Ereignisse durch den deutschen Wissenschaftler hin: Verharmlosung der Rolle von Physikern, die eng mit militärischen Kreisen verbunden waren und daraus keinen Hehl machten (Betonung eines experimentellen Fehlers, der zur Wahl von schwerem Wasser (statt Graphit) als Moderator führte, obwohl diese Wahl in erster Linie von wirtschaftlichen Erwägungen geleitet war; Verschleierung des Verständnisses der deutschen Wissenschaftler für die Rolle des Kernreaktors bei der Herstellung von waffenfähigem Plutonium; dem Treffen der Wissenschaftler mit Minister Speer die entscheidende Rolle bei der Erkenntnis zu, dass der Bau von Atomwaffen vor Kriegsende unmöglich war, obwohl dies von der Armeeführung schon früher erkannt worden war, die beschlossen hatte, die Forschung nicht zu industrialisieren und keine wertvollen Ressourcen dafür zu verschwenden. In demselben Artikel tauchte erstmals der Hinweis auf, dass die deutschen Physiker (zumindest die im Umfeld Heisenbergs) den Verlauf der Arbeiten kontrollierten und aus moralischen Gründen versuchten, sie von der Entwicklung von Kernwaffen abzulenken. Wie Walker jedoch feststellt,

Erstens haben Heisenberg und sein Gefolge die deutschen Bemühungen um die Beherrschung der Kernenergie nicht nur nicht kontrolliert, sondern sie hätten dies auch nicht tun können, wenn sie es überhaupt versucht hätten, und zweitens mussten sich Heisenberg und andere Wissenschaftler, die sich mit dem Nuklearproblem befassten, dank der Entscheidung der Heeresleitung von 1942 und der allgemeinen Kriegssituation nie dem schwierigen moralischen Dilemma stellen, das sich bei dem Gedanken an die Herstellung von Kernwaffen für die Nazis ergibt. Warum sollten sie das Risiko eingehen, zu versuchen, die Richtung der Forschung zu ändern, wenn sie sicher waren, dass sie den Ausgang des Krieges nicht beeinflussen konnten?

Die andere Seite der Debatte wurde von Sam Goudsmit vertreten, der bei Kriegsende als wissenschaftlicher Leiter der Alsos-Mission fungiert hatte (früher waren er und Heisenberg ziemlich eng befreundet gewesen). In einem emotionalen Streit, der sich über mehrere Jahre hinzog, argumentierte Goudsmit, dass das Hindernis für den Erfolg in Deutschland die Unzulänglichkeiten der Wissenschaft in einer totalitären Gesellschaft seien, beschuldigte aber in Wirklichkeit die deutschen Wissenschaftler der Inkompetenz, da er glaubte, dass sie die Physik der Bombe nicht vollständig verstanden hätten. Heisenberg widersprach der letzteren Behauptung vehement. Walker zufolge „störte ihn der Schaden, der seinem Ruf als Physiker zugefügt wurde, wahrscheinlich mehr als die Kritik, dass er den Nazis gedient hatte.

Heisenbergs These vom „moralischen Widerstand“ wurde von Robert Jung in seinem Bestseller „Heller als tausend Sonnen“ weiterentwickelt, in dem er sogar behauptete, deutsche Wissenschaftler hätten die Entwicklung neuer Waffen bewusst sabotiert. Später wurde diese Version auch in einem Buch von Thomas Powers aufgegriffen. Andererseits wurde Goudsmits Idee von der Inkompetenz der Physiker, die unter den Nazis zutage trat, von General Leslie Groves, dem Leiter des Manhattan-Projekts, aufgegriffen und später von Paul Lawrence Rose in seinem Buch zum Ausdruck gebracht. Laut Walker, der den Hauptgrund für das Scheitern in den wirtschaftlichen Schwierigkeiten der Kriegsjahre sah, waren beide gegensätzlichen Thesen weit von historischer Genauigkeit entfernt und spiegelten die Bedürfnisse der Zeit wider: Die Heisenberg-These sollte die Rechte der deutschen Wissenschaft wiederherstellen und Wissenschaftler rehabilitieren, die mit den Nazis kollaboriert hatten, während Goudsmits Aussage dazu diente, die Angst vor den Atomwaffen der Nazis und die Bemühungen der Alliierten um deren Bau zu rechtfertigen. Mott und Pyerls teilten im Grunde auch die Ansicht, dass technische Schwierigkeiten ausschlaggebend waren und dass Deutschland unter den gegebenen Umständen keine so großen Anstrengungen unternehmen konnte.

Die beiden gegensätzlichen Ansichten (Sabotage und Inkompetenz) werden durch die Aufzeichnungen der Gespräche der deutschen Physiker während ihrer Internierung in Farm Hall nicht vollständig bestätigt. Außerdem wurden sie in Farm Hall zum ersten Mal mit der Frage nach den Gründen für das Scheitern konfrontiert, denn bis zum Bombenangriff auf Hiroshima waren sie davon überzeugt, dass sie den Amerikanern und Briten in der nuklearen Entwicklung weit voraus waren. Im Verlauf dieser Diskussion brachte Karl von Weizsäcker erstmals den Gedanken auf, dass sie die Bombe nicht gebaut haben, weil sie es nicht wollten“. Der Historiker Horst Kant weist darauf hin, dass dies sinnvoll ist, da Heisenberg und Weizsäcker, anders als beim Manhattan-Projekt, nicht ihre gesamte Zeit der nuklearen Entwicklung widmeten. Insbesondere entwickelte Heisenberg gerade in den Jahren 1942-1944 aktiv die Theorie der S-Matrix, und hatte vielleicht gerade kein besonderes Interesse an einer rein militärischen Forschung. Auch Hans Bethe, der während des Krieges Leiter der theoretischen Abteilung des Los Alamos Laboratory war, schloss aus den Farm-Hall-Filmen, dass Heisenberg nicht an der Atombombe arbeitete. Die Debatte dauert bis heute an und ist noch lange nicht beendet, aber Cassidy ist der Meinung, dass man Heisenberg

…nicht als Held oder grausamer Bösewicht, sondern als hochbegabter, gebildeter Mann, der den schrecklichen Umständen seiner Zeit, auf die er, wie die meisten Menschen, völlig unvorbereitet war, leider hilflos ausgeliefert war.

Sein ganzes Leben lang widmete Heisenberg den philosophischen Grundlagen der Wissenschaft besondere Aufmerksamkeit, denen er eine Reihe von Veröffentlichungen und Reden widmete. Ende der 1950er Jahre veröffentlichte er Physics and Philosophy, einen Text der Gifford Lectures an der University of St. Andrews, und zehn Jahre später seinen autobiografischen Part and the Whole, den Carl von Weizsäcker als den einzigen platonischen Dialog unserer Zeit bezeichnete. Heisenberg lernte die Philosophie Platons als Schüler des klassischen Gymnasiums in München kennen, wo er eine hochwertige geisteswissenschaftliche Ausbildung erhielt. Darüber hinaus wurde er von seinem Vater, einem bedeutenden philosophischen Wissenschaftler, stark beeinflusst. Heisenberg interessierte sich zeitlebens für Platon und andere antike Philosophen und war sogar der Meinung, dass „man in der modernen Atomphysik kaum vorankommen kann, wenn man die griechische Philosophie nicht kennt. In der Entwicklung der theoretischen Physik in der zweiten Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts sah er eine Rückkehr (auf einer anderen Ebene) zu einigen der atomistischen Ideen von Platon:

Wenn wir die Ergebnisse der modernen Teilchenphysik mit den Ideen eines der alten Philosophen vergleichen wollen, scheint Platons Philosophie am besten geeignet zu sein: Die Teilchen der modernen Physik sind Vertreter von Symmetriegruppen, und in dieser Hinsicht ähneln sie den symmetrischen Figuren der Philosophie Platons.

Es waren die Symmetrien, die die Eigenschaften der Elementarteilchen bestimmen – nicht die Teilchen selbst -, die Heisenberg als etwas Primäres betrachtete, und eines der Kriterien für die Wahrheit einer Theorie, die diese Symmetrien und die damit verbundenen Erhaltungssätze sucht, sah er in ihrer Schönheit und logischen Konsistenz. Der Einfluss der Philosophie Platons zeigt sich auch in seinen früheren Arbeiten zur Quantenmechanik. Eine weitere Inspirationsquelle für den Denker Heisenberg waren die Arbeiten von Immanuel Kant, insbesondere sein Konzept des apriorischen Wissens und seine Analyse des experimentellen Denkens, die sich in der Interpretation der Quantentheorie widerspiegeln. Kants Einfluss zeigt sich sowohl in Heisenbergs Modifikation der Bedeutung von Kausalität als auch in seiner Auffassung von der Beobachtbarkeit physikalischer Größen, die zur Aufstellung der Unschärferelation und zur Formulierung des Messproblems in der Mikrophysik führte. Heisenbergs frühe Arbeiten zur Quantenmechanik wurden indirekt von den positivistischen Ideen Ernst Machs beeinflusst (durch die Schriften Einsteins).

Neben Einstein wurde Heisenberg durch seine Freundschaft und Zusammenarbeit mit Niels Bohr tiefgreifend beeinflusst, der sich besonders um die Interpretation der Theorie kümmerte und die Bedeutung der in ihr verwendeten Begriffe klärte. Heisenberg, den Wolfgang Pauli zunächst als reinen Formalisten bezeichnete, machte sich Bohrs Ideologie bald zu eigen und leistete mit seiner berühmten Arbeit über die Unschärferelation einen wesentlichen Beitrag zur Neudefinition der klassischen Begriffe im Mikrokosmos. Später war er nicht nur einer der Hauptakteure bei der endgültigen Formulierung der so genannten Kopenhagener Deutung der Quantenmechanik, sondern wandte sich auch wiederholt der historischen und konzeptionellen Analyse der modernen Physik zu. Der Philosoph Anatoly Akhutin identifizierte die Idee der Grenze im weitesten Sinne (das Konzept eines organisierenden Zentrums, um das herum ein einheitliches Bild der Welt und der Wissenschaft aufgebaut wird; das Problem, über das bestehende Wissen hinauszugehen und ein neues Bild der Realität zu konstruieren („Schritte über den Horizont hinaus“) als ein Hauptmotiv in Heisenbergs Argumentation.

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Wichtigste wissenschaftliche Artikel

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Einige Artikel in russischer Übersetzung

Quellen

1. Гейзенберг, Вернер
2. Werner Heisenberg
3. 1 2 Архив по истории математики Мактьютор
4. 1 2 Werner Heisenberg // Encyclopædia Britannica (англ.)
5. 1 2 Werner Heisenberg // Nationalencyklopedin (швед.) — 1999.
6. ^ a b Heisenberg“s work on quantum physics was preceded by a quarter century of research.
7. Werner Heisenberg: Der Teil und das Ganze. R. Piper & Co. Verlag, München 1969, S. 30.
8. Die Grade waren summa cum laude, magna cum laude, cum laude und als schlechteste Note ein einfaches bestanden.
9. Cassidy: Heisenberg, physics and the bomb. Bellevue Literary Press, 2009, S. 119.
10. Heisenberg: The Physical Principles of Quantum Mechanics. University of Chicago Press, 1930, S. 21.
11. Beschwerde über den Präsidenten der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt Herrn Prof. Dr. Johannes Stark. (Memento vom 8. Februar 2011 im Internet Archive) Geschrieben von Friedrich Hund am 20. Juli 1937.
12. ^ Cattaneo, pp. 5-7.