Werner Karl Heisenberg war ein deutscher theoretischer Physiker und einer der Schlüsselpioniere der Quantenmechanik. Er veröffentlichte seine Arbeit 1925 in einem bahnbrechenden Paper. In der anschließenden Serie von Arbeiten mit Max Born und Pascual Jordan im gleichen Jahr wurde diese Matrixformulierung der Quantenmechanik wesentlich ausgearbeitet. Er ist bekannt für das Unsicherheitsprinzip, das er 1927 veröffentlichte. Heisenberg wurde 1932 mit dem Nobelpreis für Physik „für die Schöpfung der Quantenmechanik" ausgezeichnet.
Heisenberg leistete auch wichtige Beiträge zu den Theorien der Hydrodynamik turbulenter Strömungen, des Atomkerns, des Ferromagnetismus, der kosmischen Strahlung und der Elementarteilchen. Er war ein führender Wissenschaftler im deutschen Kernwaffenprogramm während des Zweiten Weltkriegs. Er war auch maßgeblich an der Planung des ersten Westdeutschen Kernreaktors in Karlsruhe sowie eines Forschungsreaktors in München 1957 beteiligt.
Nach dem Zweiten Weltkrieg wurde er zum Direktor des Kaiser-Wilhelm-Instituts für Physik ernannt, das bald darauf in das Max-Planck-Institut für Physik umbenannt wurde. Er war Direktor des Instituts, bis es 1958 nach München verlegt wurde. Danach wurde er von 1960 bis 1970 Direktor des Max-Planck-Instituts für Astrophysik.
Heisenberg war auch Präsident des Deutschen Forschungsrats, Vorsitzender der Kommission für Atomphysik, Vorsitzender der Arbeitsgruppe Kernphysik und Präsident der Alexander-von-Humboldt-Stiftung.
Frühes Leben und Studium
Frühe Jahre
Werner Karl Heisenberg wurde in Würzburg, Deutschland, geboren. Sein Vater war Kaspar Ernst August Heisenberg , ein Gymnasium-Lehrer für klassische Sprachen, der Deutschlands einziger ordentlicher Professor ordinarius für mittelalterliche und moderne griechische Studien im Universitätssystem wurde, und seine Mutter war Annie Wecklein.
Heisenberg wurde als lutherischer Christ erzogen und lebte als solcher. Seine Autobiographie beginnt mit dem jungen Heisenberg in seinen späten Teenagerjahren, der Platons Timaios bei einer Wanderung in den Bayerischen Alpen las. Heisenberg berichtete von philosophischen Gesprächen mit seinen Mitschülern und Lehrern über das Verständnis des Atoms während seiner wissenschaftlichen Ausbildung in München, Göttingen und Kopenhagen. Heisenberg würde später sagen, dass „mein Geist durch das Studium der Philosophie, Platons und dergleichen geformt wurde", und dass „die moderne Physik sich definitiv zugunsten Platons entschieden hat. Tatsächlich sind die kleinsten Materieeinheiten keine physischen Objekte im gewöhnlichen Sinne; sie sind Formen, Ideen, die nur in mathematischer Sprache eindeutig ausgedrückt werden können"
Heisenberg kam 1919 als Mitglied der Freikorps nach München, um gegen die ein Jahr zuvor etablierte Bayerische Räterepublik zu kämpfen. Ein halbes Jahrhundert später erinnerte er sich an diese Tage als jugendlichen Spaß, wie „Räuber und Gendarme spielen und so weiter; es war überhaupt nichts Ernstes."
Habilitation
Er studierte Physik und Mathematik von 1920 bis 1923 an der Ludwig-Maximilians-Universität München und der Georg-August-Universität Göttingen. In München studierte er unter Arnold Sommerfeld und Wilhelm Wien. In Göttingen studierte er Physik bei Max Born und James Franck sowie Mathematik bei David Hilbert. Er erhielt 1923 seinen Doktortitel in München unter Sommerfeld. In Göttingen, unter Born, schloss er 1924 seine Habilitation ab mit einer Habilitationsschrift habilitation thesis über den anomalen Zeeman-Effekt.
Da Sommerfeld ein aufrichtiges Interesse an seinen Studenten hatte und von Heisenbergs Interesse an Niels Bohrs Theorien zur Atomphysik wusste, brachte Sommerfeld Heisenberg nach Göttingen zum Bohr-Festival im Juni 1922. Bei der Veranstaltung war Bohr ein Gastdozent und hielt eine Reihe umfassender Vorlesungen zur Quantenatomphysik. Dort traf Heisenberg Bohr zum ersten Mal, und dies hatte eine bedeutende und andauernde Wirkung auf ihn.
Heisenbergs Doktorarbeit, deren Thema von Sommerfeld vorgeschlagen wurde, befasste sich mit Turbulenz; die Arbeit behandelte sowohl die Stabilität laminarer Strömung als auch die Natur turbulenter Strömung. Das Stabilitätsproblem wurde mit Hilfe der Orr-Sommerfeld-Gleichung, einer Differentialgleichung vierter Ordnung für kleine Störungen der laminaren Strömung, untersucht. Er kam kurz nach dem Zweiten Weltkrieg auf dieses Thema zurück.
In seiner Jugend war er Mitglied und Gruppenleiter der Neupfadfinder, eines deutschen Pfadfindervereins und Teil der Deutschen Jugendbewegung. Im August 1923 organisierten Robert Honsell und Heisenberg eine Fahrt nach Finnland mit einer Pfadfindergruppe dieses Verbandes aus München.
Privatleben
Heisenberg mochte klassische Musik und war ein versierter Pianist. Sein Interesse an Musik führte zur Begegnung mit seiner zukünftigen Frau. Im Januar 1937 traf Heisenberg Elisabeth Schumacher 1914–1998 bei einem privaten Musikkonzert. Elisabeth war die Tochter eines bekannten Berliner Wirtschaftsprofessors, und ihr Bruder war der Ökonom E. F. Schumacher, Autor von Small Is Beautiful. Heisenberg heiratete sie am 29. April. Zwillinge Maria und Wolfgang wurden im Januar 1938 geboren, woraufhin Wolfgang Pauli Heisenberg zu seiner „Paarproduktion" beglückwünschte – ein Wortspiel auf einen Prozess aus der Elementarteilchenphysik, die Paarproduktion. Sie bekamen in den nächsten 12 Jahren fünf weitere Kinder: Barbara, Christine, Jochen, Martin und Verena. 1936 kaufte er ein Sommerhaus für seine Familie in Urfeld am Walchensee im südlichen Deutschland.
Akademische Karriere
Göttingen, Kopenhagen und Leipzig
Von 1924 bis 1927 war Heisenberg Privatdozent in Göttingen, was bedeutete, dass er qualifiziert war, unabhängig zu unterrichten und zu prüfen, ohne einen Lehrstuhl zu haben. Vom 17. September 1924 bis zum 1. Mai 1925 ging Heisenberg unter einem Stipendium der International Education Board Rockefeller Foundation zu Forschungsarbeiten mit Niels Bohr, dem Direktor des Instituts für Theoretische Physik an der Universität Kopenhagen. Sein bahnbrechendes Paper, „Über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen" „Quantum theoretical re-interpretation of kinematic and mechanical relations", wurde im September 1925 veröffentlicht. Er kehrte nach Göttingen zurück und entwickelte mit Max Born und Pascual Jordan über einen Zeitraum von etwa sechs Monaten die Matrixmechanik-Formulierung der Quantenmechanik. Am 1. Mai 1926 begann Heisenberg seine Ernennung als Universitätslektor und Assistent von Bohr in Kopenhagen. Es war in Kopenhagen, 1927, wo Heisenberg sein Unsicherheitsprinzip entwickelte, während er an den mathematischen Grundlagen der Quantenmechanik arbeitete. Am 23. Februar schrieb Heisenberg einen Brief an seinen Physiker-Kollegen Wolfgang Pauli, in dem er sein neues Prinzip zum ersten Mal beschrieb. In seinem Paper zum Prinzip verwendete Heisenberg das Wort „Ungenauigkeit" Ungenauigkeit, nicht Unsicherheit, um es zu beschreiben.
1927 wurde Heisenberg zum ordentlichen Professor professor ordinarius für theoretische Physik und Leiter der Physik-Abteilung an der Universität Leipzig ernannt; er hielt dort seine Antrittsvorlesung am 1. Februar 1928. In seinem ersten von Leipzig aus veröffentlichten Paper verwendete Heisenberg das Pauli-Ausschließungsprinzip, um das Geheimnis des Ferromagnetismus zu lösen.
Während Heisenbergs Zeit in Leipzig ist die hohe Qualität der Doktoranden und Post-Graduate- und Forschungsassoziaten, die bei ihm studierten und arbeiteten, aus dem Ruhm ersichtlich, den viele später erlangten. Zu verschiedenen Zeiten gehörten dazu Erich Bagge, Felix Bloch, Ugo Fano, Siegfried Flügge, William Vermillion Houston, Friedrich Hund, Robert S. Mulliken, Rudolf Peierls, George Placzek, Isidor Isaac Rabi, Fritz Sauter, John C. Slater, Edward Teller, John Hasbrouck van Vleck, Victor Frederick Weisskopf, Carl Friedrich von Weizsäcker, Gregor Wentzel und Clarence Zener.
Anfang 1929 reichten Heisenberg und Pauli das erste von zwei Papers ein, das die Grundlagen für relativistische Quantenfeldtheorie legte. Auch 1929 unternahm Heisenberg eine Vortragsreise durch China, Japan, Indien und die Vereinigten Staaten. Im Frühjahr 1929 war er ein Gastdozent an der Universität Chicago, wo er über Quantenmechanik vorlas.
1928 hatte der britische mathematische Physiker Paul Dirac seine relativistische Wellengleichung der Quantenmechanik abgeleitet, die die Existenz positiver Elektronen, später Positronen genannt, implizierte. 1932 identifizierte der amerikanische Physiker Carl David Anderson anhand einer Nebelkammer-Fotografie von kosmischer Strahlung eine Spur als von einem Positron herrührend. Mitte 1933 präsentierte Heisenberg seine Theorie des Positrons. Sein Denken zu Diracs Theorie und die weitere Entwicklung der Theorie wurden in zwei Papers dargelegt. Das erste, „Bemerkungen zur Diracschen Theorie des Positrons" „Remarks on Dirac's theory of the positron", wurde 1934 veröffentlicht, und das zweite, „Folgerungen aus der Diracschen Theorie des Positrons" „Consequences of Dirac's Theory of the Positron", wurde 1936 veröffentlicht. In diesen Papers war Heisenberg der erste, der die Dirac-Gleichung als eine „klassische" Feldgleichung für jedes Punktteilchen mit Spin ħ/2 reinterpretierte, selbst unterworfen Quantisierungsbedingungen mit Anti-Kommutatoren. Dadurch reinterpretierte er sie als eine Quantenfeldgleichung, die Elektronen genau beschreibt, stellte Heisenberg Materie auf die gleiche Grundlage wie Elektromagnetismus: als beschrieben durch relativistische Quantenfeldgleichungen, die die Möglichkeit der Teilchenerzeugung und -vernichtung zuließen. Hermann Weyl hatte dies bereits in einem Brief von 1929 an Albert Einstein beschrieben.
Matrixmechanik und der Nobelpreis
Heisenbergs Paper zur Etablierung der Quantenmechanik hat Physiker und Historiker verwirrt. Seine Methoden gehen davon aus, dass der Leser mit Kramers-Heisenberg-Übergangwahrscheinlichkeitsberechnungen vertraut ist. Die Hauptidee, nicht-kommutierende Matrizen, wird nur durch eine Ablehnung nicht-beobachtbarer Größen gerechtfertigt. Sie führt die nicht-kommutative Multiplikation von Matrizen durch physikalische Argumentation ein, gestützt auf das Korrespondenzprinzip, obwohl Heisenberg damals nicht mit der mathematischen Matrizentheorie vertraut war. Der Weg zu diesen Ergebnissen wurde in MacKinnon, 1977, rekonstruiert, und die detaillierten Berechnungen sind in Aitchison et al. ausgearbeitet.
In Kopenhagen arbeiteten Heisenberg und Hans Kramers an einem Paper über Dispersion oder die Streuung von Strahlung mit einer Wellenlänge größer als Atome von Atomen zusammen. Sie zeigten, dass die erfolgreiche Formel, die Kramers früher entwickelt hatte, nicht auf Bohr-Bahnen basieren konnte, da die Übergangsfrequenzen auf Niveauabständen basieren, die nicht konstant sind. Die Frequenzen, die in der Fourier-Transformation von scharfen klassischen Bahnen auftreten, sind dagegen gleichmäßig verteilt. Diese Ergebnisse konnten jedoch durch ein semi-klassisches virtuelles Zustandsmodell erklärt werden: die einfallende Strahlung regt das Valenz- oder äußere Elektron in einen virtuellen Zustand an, aus dem es zerfällt. In einem späteren Paper zeigte Heisenberg, dass dieses virtuelle Oszillator-Modell auch die Polarisation von Fluoreszenzstrahlung erklären konnte.
Diese beiden Erfolge und das andauernde Versagen des Bohr-Sommerfeld-Modells, das herausragende Problem des anomalen Zeeman-Effekts zu erklären, führten Heisenberg dazu, das virtuelle Oszillator-Modell zu verwenden, um spektrale Frequenzen zu berechnen. Die Methode erwies sich als zu schwierig, um unmittelbar auf realistische Probleme angewendet zu werden, daher wandte sich Heisenberg einem einfacheren Beispiel zu, dem anharmonischen Oszillator.
Der Dipol-Oszillator besteht aus einem einfachen harmonischen Oszillator, der als geladenes Teilchen auf einer Feder gedacht wird, gestört durch eine externe Kraft, wie eine externe Ladung. Die Bewegung der schwingenden Ladung kann als Fourier-Reihe in der Frequenz des Oszillators ausgedrückt werden. Heisenberg löste das Quantenverhalten mit zwei verschiedenen Methoden. Zunächst behandelte er das System mit der virtuellen Oszillator-Methode und berechnete die Übergänge zwischen den Ebenen, die von der externen Quelle hervorgerufen würden.
Er löste dann das gleiche Problem, indem er den anharmonischen Potentialterm als Störung des harmonischen Oszillators behandelte und die Störungsmethoden verwendete, die er und Born entwickelt hatten. Beide Methoden führten zu den gleichen Ergebnissen für die Korrektionsterme erster und sehr komplizierter zweiter Ordnung. Dies deutete darauf hin, dass hinter den sehr komplizierten Berechnungen ein konsistentes Schema liegt.
So machte sich Heisenberg daran, diese Ergebnisse ohne explizite Abhängigkeit vom virtuellen Oszillator-Modell zu formulieren. Um dies zu tun, ersetzte er die Fourier-Entwicklungen für die räumlichen Koordinaten durch Matrizen, Matrizen, die den Übergangkoeffizienten in der virtuellen Oszillator-Methode entsprachen. Er rechtfertigte diese Ersetzung durch ein Appell an Bohrs Korrespondenzprinzip und die Pauli-Doktrin, dass die Quantenmechanik auf Observablen beschränkt sein muss.
Am 9. Juli gab Heisenberg Born dieses Paper zur Überprüfung und zum Einreichen zur Veröffentlichung. Als Born das Paper las, erkannte er die Formulierung als eine, die in die systematische Sprache der Matrizen transkribiert und erweitert werden konnte, die er von seinem Studium unter Jakob Rosanes an der Universität Breslau gelernt hatte. Born begann zusammen mit seinem Assistenten und ehemaligen Studenten Pascual Jordan sofort mit der Transkription und Erweiterung, und sie reichten ihre Ergebnisse zur Veröffentlichung ein; das Paper wurde zur Veröffentlichung nur 60 Tage nach Heisenbergs Paper eingereicht. Ein Folge-Paper wurde vor Ende des Jahres von allen drei Autoren zur Veröffentlichung eingereicht.
Bis zu diesem Zeitpunkt wurden Matrizen von Physikern selten verwendet; sie galten als Bereich der reinen Mathematik. Gustav Mie hatte sie 1912 in einem Paper zur Elektrodynamik verwendet, und Born hatte sie 1921 in seiner Arbeit zur Gittertheorie von Kristallen verwendet. Obwohl Matrizen in diesen Fällen verwendet wurden, trat die Algebra der Matrizen mit ihrer Multiplikation nicht in das Bild ein, wie sie es in der Matrixformulierung der Quantenmechanik taten.
1928 nominierte Albert Einstein Heisenberg, Born und Jordan für den Nobelpreis für Physik. Die Ankündigung des Nobe
