Werner Heisenberg

Werner Karl Heisenberg
5 december1901–1 februari1976
Werner Karl Heisenberg in 1933
Geboorteland	Duitse Keizerrijk
Geboorteplaats	Würzburg
Nationaliteit	Duitse
Overlijdensplaats	München
Nobelprijs	Natuurkunde
Jaar	1932
Reden	"Voor zijn ontwikkeling van dekwantummechanicawaarvan de toepassing geleid heeft tot de ontdekking van deallotropevormen van waterstof. "
Voorganger(s)	Chandrasekhara Raman
Opvolger(s)	Erwin SchrödingerenPaul Dirac
Portaal Natuurkunde

Werner Karl Heisenberg(Würzburg,5 december1901–München,1 februari1976) was eenDuitsnatuurkundigeen een van de grondleggers van dekwantummechanica.De bekendeonzekerheidsrelatie van Heisenbergis van hem afkomstig. Daarnaast heeft hij belangrijke bijdragen geleverd aan werk op het gebied van dehydrodynamicavanturbulentie,deatoomkern,ferromagnetisme,kosmische stralingenelementaire deeltjesen was hij de ontwerper van de eerste naoorlogsekernreactorinKarlsruhein Duitsland.

Biografie

Jeugd

Heisenberg werd inWürzburggeboren als zoon van August Heisenberg en Annia Wecklein. Zijn vader was hoogleraarByzantijnse geschiedenisen middeleeuws en modernGrieksinMünchen;zijn moeder was een dochter van de rector van hetgymnasiumin München, waar hij later naar school ging. Hij viel op school al op door een grote leerzucht en vlijt en was ook een sterkschaker.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 hetMaximilian Gymnasium,een eliteschool die werd bestuurd door zijn grootvader Wecklein. Tijdens deEerste Wereldoorlogwas hij als adolescent lid van een semi-militaire Duitse jeugdbeweging – gemodelleerd naarRobert Baden-Powellsscoutingbeweging– die gedisciplineerde lichamelijke activiteiten in de buitenlucht propageerde.

Vooroorlogse loopbaan

Na het Maximilian Gymnasium studeerde Heisenbergnatuurkundein München, samen met zijn vriendWolfgang Paulidie een paar jaar boven hem zat. Hij studeerde onderArnold Sommerfelden promoveerde in 1923 op een proefschrift over turbulentie in vloeistofstromen. Heisenberg volgde Pauli naarGöttingenom daar onderMax Bornaan zijnhabilitatiete werken. Na het afronden daarvan ging hij in 1924 werken aan hetinstituut voor theoretische natuurkundeinKopenhagenonderNiels Bohr,die hij als student in 1922 reeds had ontmoet. Dit resulteerde in een vruchtbare samenwerking, leidend tot deKopenhaagse interpretatievan de kwantummechanica en uiteindelijk tot eenNobelprijs voor Natuurkundein 1932 voor zijn werk aan de kwantummechanica. In 1929 ontving hij ook al deMatteucci Medal.In 1927 werd hij, 26 jaar oud, hoogleraar theoretische natuurkunde inLeipzig,in 1941 aan deUniversiteit van Berlijn.

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

Werken voor de nazi's

In1933kwamAdolf Hitleraan de macht in Duitsland en binnen zeer korte tijd was het land door hem omgevormd tot eentotalitaire dictatuuren stevig onder de knoet van diensnazipartij.Aanvankelijk verzette Heisenberg zich tegen de bemoeienis van de nazi's met de wetenschap en speciaal tegen de uitsluiting van joodse wetenschappers, maar ten slotte schikte hij zich naar hun wensen. Het principe vankernsplijtingwerd in 1938 ontdekt in Duitsland. Als gerenommeerd adviseur van de tweedeUranverein(uraniumclub, september 1939 - april 1945) was Heisenberg nauw betrokken bij dit Duitsekernonderzoeken bij de, uiteindelijk niet geslaagde, bescheiden pogingen van de nazi's eeneigen atoombomte ontwikkelen. Dit ambitieuze uraniumproject werd uitgevoerd door een informele, onder strikte geheimhouding opererende groep van ideologisch geselecteerde topwetenschappers (zoalsWalther Bothe,Hans Wilhelm Geiger,Otto Hahn,Paul Harteck) die onder het directe militaire toezicht van hetHeereswaffenamt(HWA) stonden, de wapenonderzoeksdienst van de Duitse landmacht. In zijn pogingen om een langzame (gecontroleerde)nucleaire kettingreactieop gang te brengen, experimenteerde Heisenberg o.m. door aan kettingen vastgemaakte blokkenuraniumneer te laten in vaten metzwaar wateralsmoderator(om deneutronente absorberen). Bij zijn onderzoek naar de splitsing vanuraniumisotopenen de bouw van eenUranmaschine- m.a.w. een energie producerendekernreactorvoor civiele toepassingen - kwamen Heisenberg en zijn nauwste medewerkers (Karl Wirtz,Carl Friedrich von Weizsäcker) vaak in conflict met zijn rivaalKurt Diebnerdie als administratief directeur van hetKaiser-Wilhelm Institut für Physik(KWIP) inBerlijn-Dahlemhet Duitse kernwapenprogramma leidde tot oktober 1942.

Postzegel van de Duitse Post, 2001

Door zijn werken voor 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. 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 Duitseatoombom.Toen Bohr dit aan de geallieerden bekendmaakte, gaf dit een extra impuls aan hetManhattanproject:de Amerikaanse poging een atoombom te vervaardigen. In de lezing van Heisenberg deed hij integendeel juist alles om het project tevertragen.De verschillende interpretaties zijn de basis geweest van het toneelstukKopenhagen(1998) vanMichael Frayn.

In juni 1942 werd er een conferentie gehouden over de toekomst van hetUranprojekt,waar ook Albert Speer, de pasbenoemde minister van bewapening, aan deelnam. Op 4 juni 1942 werd Heisenberg, twee maanden eerder benoemd tot professor en directeur van het KWIP, door de nieuwe minister van BewapeningAlbert Speergevraagd naar zijn vooruitzichten inzake de omschakeling van het Uranvereins onderzoek van (burgerlijke) energiewinning uit uraniumsplitsing naarkernwapenonderzoek.Volgens Heisenberg zou een "uraniumbom ter grootte van een ananas" voldoende explosiviteit hebben om een grote stad compleet te vernietigen maar zou zo'n atoombom niet voor het einde van de oorlog kunnen worden gebouwd door een gebrek aan geld, grondstoffen (verrijkt uranium,met in verhouding meer²³⁵Udan uranium zoals het van nature in uraniumerts voorkomt) en hoogopgeleid personeel. Op deze conferentie werd besloten dat het leger zich zou terug trekken uit het uraniumproject, en dat men, onder civiele leiding van deReichsforschungsrat(Rijksonderzoeksraad - RFR), voorlopig op beperkte schaal door zou gaan met de ontwikkeling van een kernreactor voor toepassingen na de oorlog. Het ontwikkelen van een kernbom was niet langer een prioriteit en bovendien werkte de legerleiding aan andere geheime wapens, die wèl snel beschikbaar zouden zijn.

Na de oorlog

Aan het eind van de oorlog in Europa werd Heisenberg door deAlsosgroepgearresteerd en zat hij enige maanden gevangen in het landhuisFarm HallbijCambridgein het Verenigd Koninkrijk, samen met een aantal andere eminente Duitse geleerden onder wieCarl Friedrich von Weizsäcker,Otto Hahn,Paul Harteck,Kurt Diebner,Walther Gerlach,Max von LaueenKarl 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 deeerste atoombom op Japanbekend 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.

Latere carrière

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 deMax-Planck-Gesellschaften een aantal Max-Planck-instituten. Van 1946 tot 1948 was hij hoogleraar aan deUniversiteit van Göttingen,daarna nog een jaar in 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 enpopulairwetenschappelijkeboeken en artikelen. Hij overleed in 1976. De plaats van Heisenbergs graf is vrij nauwkeurig bepaald,dus de veel aangehaalde anekdote dat op zijn graf zou staan "Hier ligt Werner Heisenberg..... ergens" - een toespeling op zijn onzekerheidsrelatie - isapocrief.

Wetenschappelijke biografie

Matrixmechanica

Heisenberg ontwikkelde in 1925 metPascual JordanenMax Bornin dematrixmechanica,de eersteformaliseringvan de kwantummechanica. Aan de basis van deze ontwikkeling lag zijn artikelUmdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen(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 degolfmechanicavanErwin Schrödinger,een onafhankelijk ontwikkelde manier vanwiskundig noteren.

Onzekerheidsrelatie

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, hoe minder men over de andere grootheid te weten kan 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 van Planckℎ bepaald feit. Dit drukte Heisenberg uit in zijn 'onzekerheidsrelatie',die later uitgeschreven werd in de volgende formulevorm:

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

Het product van beide fouten, wanneer plaatsxen impulspvan een elementair deeltje gelijktijdig gemeten wordt, is altijd groter dan of gelijk aan een kleine constante (gedefinieerd door de constante van Planck, 10⁻³⁴Js), maar is nooit gelijk aan nul. Hetzelfde geldt voor de energieEvan een deeltje op een nauwkeurig bepaald tijdstipt:

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

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.

Kopenhaagse interpretatie

Heisenberg metNiels Bohrin 1934

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

Isospin

Aan het eind van 1932, reeds enkele maanden naJames Chadwicksontdekking van hetneutron,publiceerde Heisenberg een drietal artikelen in hetZeitschrift für Physik,alle getiteld"Über den Bau der Atomkerne".Hierin beschreef hij dat, ten aanzien van desterke kernkracht,protonenenneutronenbeschouwd moeten worden als identieke deeltjes, die hijnucleonennoemde. Om deze 'doubletstructuur' zichtbaar te maken voerde Heisenberg een nieuw kwantumgetal in dat hij – in analogie met elektronenspin – de naamisotopische spin(isospin) gaf. Protonen met lading +1 kregen een isospin +½ en neutronen met lading 0 een isospin –½.

Bibliografie

Naast vele technisch natuurkundige publicaties in wetenschappelijke tijdschriften heeft Heisenberg ook een aantalpopulairwetenschappelijkeen meerfilosofischeboeken geschreven, waaronder:

• Der Teil und das Ganze.uitgeverij Piper Verlag, 2001ISBN 3-492-22297-8.Een Nederlandse vertaling door Maarten van Buuren verscheen in 2019 bij Lemniscaat onder de titelHet Deel en het Geheel(ISBN 9047711637).

Een goede biografie over Heisenberg is:

• David Cassidy,Uncertainty: The Life and Science of Werner Heisenberg.New York, uitgeverij W.H. Freeman, 1992ISBN 978-0-7167-2503-9.

Trivia

• In de serieBreaking Badgebruikt hoofdrolspeler Walter White (Bryan Cranston) de naam 'Heisenberg' als alias.
• InThe Man in the High Castle,een Amerikaanse serie die zich afspeelt in een alternatieve realiteit, is 'the Heisenberg device' de naam voor de atoombom waarmee nazi-Duitsland Washington DC vernietigde en zo de VS dwong tot capitulatie. In seizoen 2 hebben alle atoombommen de naam Heisenberg device.
• DeHeisenberg compensatoris een onderdeel van de transporter uitStar Trek.
• In de serieThe Heavy Water Warkomt Werner Heisenberg voor in de periode dat hij voor de nazi's zou werken.
• In de filmOppenheimeruit 2023 vanChristopher Nolan,speelt Heisenberg ook een rol die gespeeld wordt doorMatthias Schweighöfer.

Externe links

• (en)Biografische bespreking van zijn belangrijkste wetenschappelijke werk
• (en)Biografie van Heisenberg als Nobelprijswinnaar
• (en)Documenten over de ontmoeting tussen Bohr en Heisenberg in 1941
• (en)Transcriptievan het gesprek in Farm Hall, de avond van6 augustus1945.

Bronnen, noten en/of referenties

• Cattaneo, Marco(2005).Heisenberg. Van kwantumrevolutie tot wereldformule.Natuurwetenschap & Techniek, Amsterdam.ISBN 978-9076988672.
• Machiel Kleemans(2009).De Quantummechanica van Werner Heisenberg.Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde.

··

Winnaars van deNobelprijs voor Natuurkunde

Mediabestanden

Mediabestanden die bij dit onderwerp horen, zijn te vinden op de paginaWerner HeisenbergopWikimedia Commons.