Werner Heisenberg

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 1946 Direktor des Max-Planck-Instituts für Physik in Göttingen (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. 1949 wurde er korrespondierendes Mitglied der Mathematisch-naturwissenschaftlichen Klasse der Bayerischen Akademie der Wissenschaften, 1959 zum ordentlichen Mitglied gewählt.

Zu den Schülern Heisenbergs zählen Carl Friedrich von Weizsäcker, Edward Teller, Felix Bloch, Victor Weisskopf, Ettore Majorana, Shinichirō Tomonaga, Kurt Symanzik, Klaus Buchner und Hans-Peter Dürr, mit dem er in den 1960er Jahren an seiner Einheitlichen Feldtheorie arbeitete.

Privates und Familie

Heisenberg war stets sehr naturverbunden und sportlich. Er hatte ein optimistisches Naturell und Spaß daran, sich in Wettkämpfen zu messen – sei es bei der Lösung mathematischer Aufgaben oder in Tischtennisturnieren im Keller seines Leipziger Instituts. Weiter hatte er starke musische Interessen und spielte Klavier. 1939 erwarb er das ehemalige Sommerhaus von Lovis Corinth am Walchensee.

Seine Frau Elisabeth (geb. Schumacher), die im Buchhandel arbeitete und Tochter eines Berliner Professors der Nationalökonomie war, heiratete er 1936 und hatte mit ihr sieben Kinder, darunter den späteren Genetik-Professor und Biophysiker Martin Heisenberg. Seine Tochter Christine Heisenberg ist seit 1966 mit Thomas Manns Enkel Frido Mann verheiratet. Einer seiner Enkel ist der Regisseur Benjamin Heisenberg.

Sein Leichnam wurde auf dem Waldfriedhof in München/Alter Teil im Grab Nr. 163-W-29 beigesetzt.

Politik

Politisch stand Heisenberg konservativen Ideen 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. Da Angriffe dieser Art im Dritten Reich schnell zu einer persönlichen Bedrohung werden konnten, nutzte Heisenberg eine entfernte Bekanntschaft seiner Eltern zu der Familie Himmler (sein Vater war Griechischprofessor, Himmlers Vater Griechischlehrer in München), um die Angriffe abzustellen.

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 Hahnes und Carl Friedrich von Weizsäcker) in das Heereswaffenamt berufen. Ihre Aufgabe im Rahmen des so genannten Uranprojekt 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 voraussichtlichen Restdauer des Krieges nicht zu machen war und informierten dahingehend am 4. Juni 1942 Albert Speer. Allerdings verschwiegen sie (oder sprachen davon nur in Andeutungen) die Möglichkeit eine Plutoniumbombe zu bauen, bei der die Trennung viel einfacher chemisch erfolgen konnte und für die nur ein Natururan-Reaktor mit Schwerwasser als Moderator erforderlich war (ähnlich wie z. B. der heutige kanadische Candu-Reaktortyp, mit dessen Hilfe Indien in den Besitz von Kernwaffen gekommen ist). Auf die entscheidende Frage Speers, wie lange sie für eine Bombe bräuchten, gab er drei bis fünf Jahre an – womit das Projekt seine Priorität verlor.

Im weiteren Verlauf arbeiteten die deutschen Kernphysiker nur noch an einem Schwerwasserreaktor, der am Ende des Krieges ins schwäbische Haigerloch ausgelagert wurde. In den Experimenten der letzten Kriegstage, drei Jahre nach der erfolgreichen Inbetriebnahme eines Graphit-moderierten Reaktors durch Enrico Fermi in Chicago, gelang es, den Reaktor beinahe kritisch werden zu lassen.

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 Samuel Abraham Goudsmit schrieb darüber ein gleichnamiges Buch), welche 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, das 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 Atombombe auf Hiroshima und Nagasaki 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 würden.

Werk

Heisenberg hat die Physik des 20. Jahrhunderts wesentlich mitbestimmt.

Als Arnold Sommerfelds Musterschüler beeindruckte er gleich 1924 mit seiner Dissertation, für die ihm sein Lehrer das schwierige Problem der Turbulenz von Flüssigkeitsströmungen gestellt hatte. In einer tour de force gelangte er zur Abschätzung der kritischen Reynoldszahlen, wobei er neue Methoden entwickelte (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 in der statistischen Theorie der homogenen Turbulenz noch einmal auf, wie auch gleichzeitig Andrei Kolmogorov.

Im Rigorosum scheiterte Heisenberg beinahe am Mitprüfer, dem Experimentalphysiker Wilhelm Wien, der ihm bodenlose Ignoranz in der Experimentalphysik vorwarf. Nur energisches Eingreifen Sommerfelds ließ Heisenberg die Prüfung gerade noch bestehen. Wien fragte unter anderem nach dem Auflösungsvermögen des Mikroskops. Diese Frage nutzte Heisenberg später in einem Gedankenexperiment zur Illustration der Unschärferelation.

Sommerfeld baute damals das Bohrsche Atommodell nach allen Seiten weiter aus. Bei Arbeiten zur Erklärung des anomalen Zeeman-Effekts führte Heisenberg erstmals halbzahlige Quantenzahlen ein (gleichzeitig mit Alfred Landé), womit das Verhalten der Atome im Bohr-Modell immer verwirrender wurde, 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 Max Born später als Matrix identifizierte. Die Quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer BeziehungenZeitschrift 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 seiner Autobiographie 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, die er mit Gedankenexperimenten erläuterte und mit der er den Äther verbannte. Der Einstein der 1920er Jahre schätzte die Quantenmechanik zwar als bedeutsam ein, hielt eine solche Säuberung einer physikalischen Theorie aber für absurd. Er wollte die radikale Idee der Bohr-Heisenbergschen Interpretation der neuen Theorie, eine Messgröße würde erst im Augenblick einer Messung einen bestimmten Wert annehmen, nicht akzeptieren und schon gar nicht die statistische Interpretation durch Max Born. Einstein formulierte das in diversen von ihm erfundenen Paradoxien und in seinem bekannten Zitat „Jedenfalls bin ich überzeugt, daß der Alte (Gott) nicht würfelt.“

Darstellung der Unschärferelation

Über die Interpretation der neuen Theorie gab es kurz nach ihrer Entstehung 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 unter anderem mit Wolfgang Pauli Pionierarbeit in der Quantenfeldtheorie. Hier sind insbesondere die Arbeiten mit seinem im Krieg gefallenen Assistenten Hans Euler zu erwähnen, unter anderem zu Modifikation der Gleichungen des elektromagnetischen Feldes bei Paarerzeugung aus dem Vakuum. Heisenberg gilt mit John Archibald Wheeler als Vater der S-Matrixen (StreumatrixZeitschrift für Physik 1942, 1944) und untersuchte schon früh Modelle der Quantenfeldtheorie mit fundamentaler LängeAnnalen 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 Meson führten und allgemein damals als Quelle für Elementarteilchen die Rolle der heutigen Teilchenbeschleuniger hatten. Von Heisenberg stammt auch die Idee der Einführung einer indefiniten Metrik in der Quantenfeldtheorie.

In der Nachkriegszeit gelang es ihm trotz respektabler Einzelleistungen nicht mehr, den Anschluss an die internationale Forschung 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 und Isospin Freiheitsgrad. Heisenberg kannte das Potential nichtlinearer Gleichungen; in der Elementarteilchenphysik, die damals gerade erst begann, den „Teilchenzoo“ zu klassifizieren, erwies sich dieser Ansatz allerdings als 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.

Ehrungen

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.

1964 wurde er mit dem Großen Bundesverdienstkreuz mit Stern und Schulterband ausgezeichnet.

Er erhielt außerdem die Barnard-Medaille New York, die Matteucci-Medaille (Rom), die Grotius-Medaille, den Orden Pour le mérite Friedensklasse, den Ehrenpreis der Stadt München, den Bayerischer Verdienstorden und die Niels-Bohr-Medaille.

Heisenberg war Mitglied in zahlreichen Akademien der Wissenschaften und Ehrendoktor zahlreicher Universitäten.

1973 wurde ihm von der Katholischen Akademie in Bayern der Guardini-Preis zugesprochen, den bis dahin ausschließlich Theologen erhalten hatten.

Zitate

Bildung ist das, was übrig bleibt, wenn man alles vergessen hat, was man gelernt hat. - Schritte über Grenzen, Rede zur 100-Jahrfeier des Max-Gymnasiums, S. 106, Piper 1973; in ähnlicher Form auch Albert Einstein und Edward Wood, 1. Earl of Halifax zugeschrieben''
Die Wirklichkeit, von der wir sprechen können, ist nie die Wirklichkeit an sich, sondern […] eine von uns gestaltete Wirklichkeit. Wenn […] eingewandt wird, dass es schließlich doch eine objektive, von uns und unserem Denken völlig unabhängige Welt gebe, […] so muss diesem […] entgegengehalten werden, dass schon das Wort »es gibt« aus der menschlichen Sprache stammt und daher nicht nicht gut etwas bedeuten kann, das gar nicht auf unser Erkenntnisvermögen bezogen wäre. Für uns gibt es eben nur die Welt, in der das Wort »es gibt« einen Sinn hat. - Physik und Philosophie, S. Hirtzel, Stuttgart, 1959
Ein Fachmann ist ein Mann, der einige der gröbsten Fehler kennt, die man in dem betreffenden Fach machen kann, und der sie deshalb zu vermeiden versteht. - Der Teil und das Ganze
Was wir mathematisch festlegen, ist nur zum kleinen Teil ein objektives Faktum, zum größeren Teil eine Übersicht über Möglichkeiten. - Schritte über Grenzen, S. 90, 1971

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 und Springer Verlag, ab 1984
dsb. Physikalische Prinzipien der Quantentheorie. BI Hochschultaschenbuch (Vorlesungen Universität Chicago 1930), neu Spektrum Verlag 1991
dsb. Der Teil und das Ganze. Piper, München 2001, ISBN 3492222978
dsb. Ordnung der Wirklichkeit. Piper, München 1989, ISBN 3492109454
dsb. Physik und Philosophie. Hirzel, Stuttgart 2000, ISBN 3-7776-1024-0
dsb. Wandlungen in den Grundlagen der Naturwissenschaft. Hirzel, Stuttgart, ISBN 3-7776-1366-5
Elisabeth Heisenberg: Das politische Leben eines Unpolitischen - Erinnerungen an Werner Heisenberg. piper Verlag, 1983, ISBN 3492005799
Thomas Powers: Heisenbergs Krieg. Die Geheimgeschichte der deutschen Atombombe. Hoffmann & Campe, Hamburg 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 Pendo, Zürich 2001, ISBN 3858424226)
Michael Schaaf: Heisenberg, Hitler und die Bombe. Gespräche mit Zeitzeugen. GNT-Verlag, Berlin 2001, ISBN 3-928186-60-4
Mark Walker: German National Socialism and the Quest for Nuclear Power 1939–49. Cambridge University Press, 1989
David Irving: Der Traum von der deutschen Atombombe. 1968 (Übersetzung von The Virus House, Irving führte viele Interviews mit Heisenberg)
Robert Jungk: Heller als tausend Sonnen. Bern 1956
Jagdish Mehra, Helmut Rechenberg: The historical development of quantum theory, Springer Verlag, mehrere Bände, 1982 ff.
van der Waerden (Hrsg.) Sources of quantum mechanics. 1967 (Nachdruck wichtiger Arbeiten der Quantenmechanik mit historischer Einleitung von van der Waerden)

Arbeiten von Heisenberg online

Weblinks

www.dhm.de/ Lebenslauf
Werner Heisenberg im Porträt des Monats der ETH-Bibliothek
Dokumente zum Deutschen Atombombenprojekt beim Deutschen Museum München
Zahlreiche Preprints von Helmut Rechenberg (Heisenbergs letzter Doktorand) zur Heisenberg und seiner Physik, Farm Hall u.a. finden sich hier: [1]
Bibliographie u.a. von American Institute of Physics