Werner Heisenberg

Heisenberg werd in Würzburg geboren als zoon van August Heisenberg en Annia Wecklein. Zijn vader was hoogleraar Byzantijnse geschiedenis en middeleeuws en modern Grieks in München; zijn moeder was een dochter van de rector van het gymnasium in München, waar hij later naar school ging. Hij viel op school al op door een grote leerzucht en vlijt en was ook een sterk schaker. Heisenberg had een 1,5 jaar oudere broer, Erwin, die eveneens zeer begaafd was. Tussen de broers bestond een levendige rivaliteit.

Sinds 1911 bezocht Heisenberg het Maximilian Gymnasium, een eliteschool die werd bestuurd door zijn grootvader Wecklein. Tijdens de Eerste Wereldoorlog was hij als adolescent lid van een semi-militaire Duitse jeugdbeweging – gemodelleerd naar Robert Baden-Powells scoutingbeweging – die gedisciplineerde lichamelijke activiteiten in de buitenlucht propageerde.

Na het Maximilian Gymnasium studeerde Heisenberg natuurkunde in München, samen met zijn vriend Wolfgang Pauli die een paar jaar boven hem zat. Hij studeerde onder Arnold Sommerfeld en promoveerde in 1923 op een proefschrift over turbulentie in vloeistofstromen. Heisenberg volgde Pauli naar Göttingen om daar onder Max Born aan zijn habilitatie te werken. Na het afronden daarvan ging hij in 1924 werken aan het instituut voor theoretische natuurkunde in Kopenhagen onder Niels Bohr, die hij als student in 1922 reeds had ontmoet. Dit resulteerde in een vruchtbare samenwerking, leidend tot de Kopenhaagse interpretatie van de kwantummechanica en uiteindelijk tot een Nobelprijs voor Natuurkunde in 1932 voor zijn werk aan de kwantummechanica. In 1929 ontving hij ook al de Matteucci Medal. In 1927 werd hij, 26 jaar oud, hoogleraar theoretische natuurkunde in Leipzig, in 1941 aan de Universiteit van Berlijn.

Heisenberg trouwde in 1937 met Elisabeth Schumacher en het echtpaar kreeg zeven kinderen. Een van zijn zoons, Martin Heisenberg, is hoogleraar genetica.

In 1933 kwam Adolf Hitler aan de macht in Duitsland en binnen zeer korte tijd was het land door hem omgevormd tot een totalitaire dictatuur en stevig onder de knoet van diens nazipartij die alle aspecten van de maatschappij onder controle hield. Aanvankelijk verzette Heisenberg zich tegen de bemoeienis van de nazi's met de wetenschap en speciaal met de uitsluiting van joodse wetenschappers, maar ten slotte schikte hij zich naar hun wensen. Het principe van kernsplijting werd in 1938 ontdekt in Duitsland. Heisenberg was betrokken bij dit Duitse kernonderzoek en bij de, uiteindelijk niet geslaagde, pogingen van de nazi's een eigen atoombom te ontwikkelen. Door zijn collaboratie met het naziregime werd Heisenberg een omstreden figuur. Toen hij aan Bohr bekendmaakte dat hij aan de ontwikkeling van een Duits atoomwapen werkte eindigde hun lange vriendschap abrupt. De mate van die collaboratie is nog steeds niet met zekerheid aan te tonen.

Postzegel van de Duitse Post, 2001

In september 1941 was er in het bezette Kopenhagen een ontmoeting tussen Heisenberg en Bohr. Er is veel geheimzinnigheid omtrent de aard van deze ontmoeting. De familie van Bohr gaf in 2002 documenten vrij waarin valt te lezen dat Bohr geschokt was over het feit dat Heisenberg, die er blijkbaar van overtuigd was dat Duitsland de oorlog zou winnen, onthulde dat hij meewerkte aan de ontwikkeling van een Duitse atoombom. Toen Bohr dit aan de geallieerden bekendmaakte, gaf dit een extra impuls aan het Manhattanproject: de Amerikaanse poging een atoombom te vervaardigen.

In de lezing van Heisenberg deed hij integendeel juist alles om het project te vertragen.[1] De verschillende interpretaties zijn de basis geweest van het toneelstuk Kopenhagen (1998) van Michael Frayn.

Aan het eind van de oorlog in Europa werd Heisenberg door de Alsosgroep gearresteerd en zat hij enige maanden gevangen in het landhuis Farm Hall bij Cambridge in het Verenigd Koninkrijk, samen met een aantal andere eminente Duitse geleerden onder wie Carl Friedrich von Weizsäcker[2], Otto Hahn, Paul Harteck, Kurt Diebner, Walther Gerlach, Max von Laue en Karl Ritz. Ze werden goed behandeld en hadden veel vrijheid. De Britten hadden echter in elke ruimte microfoons verborgen om hun onderlinge gesprekken af te luisteren. Zo wilden de Britten te weten komen hoever de Duitsers gevorderd waren in het fabriceren van hun atoombom. Toen begin augustus 1945 het bericht over de eerste atoombom op Japan bekend werd, was dit natuurlijk meteen het onderwerp van speculatie onder de Duitse wetenschappers. Heisenberg gaf er echter blijk van totaal op het verkeerde spoor te zitten wat betreft zijn gedachten over het ontwerp van de bom - hij had geen idee van de berekening van de juiste kritische massa.

Het graf van Heisenberg

Na zijn vrijlating speelde Heisenberg een grote rol in het herstel van het wetenschappelijk onderwijs in Duitsland, onder andere als mede-oprichter van het Max-Planck-Gesellschaft en een aantal Max-Planck-instituten. Van 1946 tot 1948 was hij hoogleraar van de Universiteit van Gottingen, daarna nog een jaar te München. In zijn latere leven probeerde hij een 'Theorie van alles' te ontwikkelen, maar slaagde daarin niet.

Heisenberg sleet zijn verdere leven met onder andere het mede ontwikkelen van de eerste toepasbare kernreactor in Duitsland, doceren aan diverse universiteiten in binnen- en buitenland en publiceren van wetenschappelijke en populairwetenschappelijke boeken en artikelen. Hij overleed in 1976. De plaats van Heisenbergs graf is vrij nauwkeurig bepaald[3], dus de veel aangehaalde anekdote dat op zijn graf zou staan "Hier ligt Werner Heisenberg..... ergens" - een toespeling op zijn onzekerheidsrelatie - is apocrief.

Heisenberg ontwikkelde in 1925 met Pascual Jordan en Max Born in de matrixmechanica, de eerste formalisering van de kwantummechanica. Aan de basis van deze ontwikkeling lag zijn artikel Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen[4] (Herinterpretatie van kinematische en mechanische relaties) waarin hij poogde, geleid door het correspondentiebeginsel van Bohr, een wiskundige basis te vinden die toepasbaar was voor de nieuwe kwantummechanica. In 1913 had Bohr zijn atoommodel geformuleerd waarin elektronen in stationaire toestanden bewegen die worden weergegeven met gehele getallen. Dit atoommodel werd in de loop der jaren steeds bijgesteld met nieuwe kwantumregels om de nieuwe ontdekkingen in te kunnen passen. Heisenberg besloot in een nieuwe benadering zich te beperken tot alleen dié grootheden die in principe meetbaar waren. Elk beeld van wat in een atoom buiten de waarneming gebeurt, moest vermeden worden. Deze benadering werkte hij uit in een matrixvermenigvuldiging. Later werd aangetoond dat dit formalisme equivalent is aan de golfmechanica van Erwin Schrödinger, een onafhankelijk ontwikkelde manier van wiskundig noteren.

In 1927 realiseerde Heisenberg zich dat de kwantumtheorie enkele vreemde gevolgen had. Namelijk dat experimenten nooit in volledige afzondering uitgevoerd kunnen worden, omdat het meten zelf altijd de uitkomst beïnvloedt. Hoe nauwkeuriger men de ene grootheid meet, des te minder kan men over de andere grootheid te weten komen.
Deze wederzijdse onnauwkeurigheid of onscherpte bij de meting is niet het gevolg van (onvermijdelijke) meetfouten maar is in zekere zin het gevolg van natuurkundige wetmatigheden; een door het bestaan van de kwantumconstante de constante van Planck ℎ bepaald feit. Dit drukte Heisenberg uit in zijn 'onzekerheidsrelatie',[5] wat later uitgeschreven werd in de volgende formulevorm:

${\displaystyle \Delta x\Delta p\geq {\frac {h}{4\pi }}}$

Het product van beide fouten, wanneer plaats x en impuls p van een elementair deeltje gelijktijdig gemeten wordt, is altijd groter dan of gelijk aan een kleine constante (gedefinieerd door de constante van Planck, 10⁻³⁴ Js), maar is nooit gelijk aan nul. Hetzelfde geldt voor de energie E van een deeltje op een nauwkeurig bepaald tijdstip t:

${\displaystyle \Delta E\Delta t\geq {\frac {h}{4\pi }}}$

Het gevolg van de onzekerheidsrelatie van Heisenberg is dat van een subatomair deeltje noch het verleden, noch het toekomstige gedrag met zekerheid voorspeld kan worden.

Heisenberg met Niels Bohr in 1934

In de jaren twintig ontwikkelde Heisenberg, in samenwerking met Bohr, te Kopenhagen de zogenaamde Kopenhaagse interpretatie van de kwantummechanica.
Veel natuurkundigen uit die tijd - meestal al van middelbare leeftijd of nog ouder, onder wie Einstein - hadden grote moeite met de non-deterministische Kopenhaagse interpretatie van de kwantumwereld, maar de experimentele resultaten hebben deze tot nu toe gesteund.

Aan het eind van 1932, reeds enkele maanden na James Chadwicks ontdekking van het neutron, publiceerde Heisenberg een drietal artikelen in het Zeitschrift für Physik, alle getiteld "Über den Bau der Atomkerne". Hierin beschreef hij dat, ten aanzien van de sterke kernkracht, protonen en neutronen beschouwd moeten worden als identieke deeltjes, die hij nucleonen noemde. Om deze 'doubletstructuur' zichtbaar te maken voerde Heisenberg een nieuw kwantumgetal in dat hij – in analogie met elektronenspin – de naam isotopische spin (isospin) gaf. Protonen met lading +1 kregen een isospin +½ en neutronen met lading 0 een isospin –½.