WERNER HEISENBERG: BIOGRAFIE, ONTDEKKING, BIJDRAGEN, WERKEN - WETENSCHAP - 2025

Werner Heisenberg (1901 - 1976) was een Duitse natuurkundige en filosoof die bekend stond als de man die de kwantummechanica wist te formuleren in termen van matrices, naast het creëren van het onzekerheidsprincipe. Dankzij deze ontdekkingen wist hij in 1932 de Nobelprijs voor de natuurkunde te winnen.

Daarnaast leverde hij bijdragen aan onder meer de theorieën van hydrodynamica van turbulente vloeistoffen, de atoomkern, ferromagnetisme, kosmische straling en subatomaire deeltjes.

Bundesarchiv, Bild 183-R57262 / UnknownOnbekende auteur / CC-BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons

Hij was een van de wetenschappers die tijdens de Tweede Wereldoorlog tussenbeide kwam in het nazi-Duitse kernwapenproject. Toen de oorlog voorbij was, werd hij benoemd tot directeur van het Kaiser Willhelm Institute for Physics.

Hij diende als directeur totdat de instelling naar München verhuisde, waar het zich uitbreidde en omgedoopt werd tot het Max Planck Instituut voor Fysica en Astrofysica.

Heisenberg was voorzitter van de Duitse Onderzoeksraad, de Commissie voor Atoomfysica, de Werkgroep Kernfysica en voorzitter van de Alexander von Humboldt Foundation.

Biografie

Vroege jaren en studies

Werner Karl Heisenberg werd geboren op 5 december 1901 in Würzburg, Duitsland. Hij was de zoon van Kaspar Ernst August Heisenberg, een leraar klassieke talen op een middelbare school die de enige leraar middeleeuwse en moderne Griekse studies in het universitaire systeem werd. Zijn moeder was een vrouw genaamd Annie Wecklein.

Hij begon zijn studie natuurkunde en wiskunde aan de Ludwig Maximilian Universiteit in München en de Georg-August Universiteit in Göttingen tussen 1920 en 1923.

De professor en natuurkundige, Arnold Sommerfeld, observeerde zijn beste studenten en kende Heisenbergs interesse in de theorieën van anatomische fysica van de Deense Niels Bohr; de professor nam hem mee naar het Bohr-festival in juni 1922.

Ten slotte behaalde hij in 1923 zijn doctoraat in München onder Sommerfeld en voltooide zijn habilitatie het jaar daarop.

Het onderwerp van Heisenbergs proefschrift werd door Sommerfeld zelf aangedragen. Hij probeerde het idee van turbulentie aan te pakken dat wordt gezien als een patroon van vloeiende beweging dat wordt gekenmerkt door plotselinge veranderingen in druk en stroomsnelheid.

Meer specifiek benaderde Heisenberg het stabiliteitsprobleem door verschillende specifieke vergelijkingen te gebruiken. Tijdens zijn jeugd was hij lid van een vereniging van Duitse Scouts en maakte hij deel uit van de Duitse Jeugdbeweging.

Begin van zijn carrière

Tussen 1924 en 1927 stond Heisenberg bekend als privaatdocent (universiteitsprofessor) in Göttingen.

Van 17 september 1924 tot 1 mei van het volgende jaar deed hij onderzoek samen met de Deense natuurkundige Niels Bohr, dankzij een subsidie ​​van de Rockefeller Foundation Board of International Education.

In 1925 ontwikkelde hij gedurende een periode van zes maanden een formulering van de kwantummechanica; een vrij complete wiskundige implementatie, begeleid door de Duitse natuurkundigen Max Born en Pascual Jordan.

Terwijl hij in 1927 in Kopenhagen was, slaagde Heisenberg erin om zijn onzekerheidsprincipe te ontwikkelen, terwijl hij werkte aan de wiskundige grondslagen van de kwantummechanica.

Na afronding van zijn onderzoek schreef hij op 23 februari een brief aan de Oostenrijkse natuurkundige Wolfgang Pauli, waarin hij voor het eerst een dergelijk principe beschreef.

Vervolgens bood hij in 1928 een artikel aan dat in Leipzig was gepubliceerd, waar hij het uitsluitingsprincipe van Pauli gebruikte om het mysterie van ferromagnetisme op te lossen; een fysisch fenomeen dat een magnetische rangschikking in dezelfde richting en dezelfde zin produceert.

Aan het begin van het jaar 1929 presenteerden Heisenberg en Pauli twee artikelen die dienden om de basis te leggen voor de relativistische kwantumveldentheorie.

Nobelprijs

Werner Heisenberg slaagde er niet alleen in om het onderzoeksprogramma te ontwikkelen om samen met enkele van zijn collega's kwantumveldentheorie te ontwikkelen, maar hij slaagde er ook in om na de ontdekking van het neutron in 1932 te werken aan de theorie van de atoomkern.

In een dergelijk project slaagde hij erin om in een vroege beschrijving een proton-neutroneninteractiemodel te ontwikkelen dat later bekend werd als de sterke kracht.

In 1928 nomineerde Albert Einstein Werner Heisenberg, Max Born en Pascual Jordan voor de Nobelprijs voor de natuurkunde. De aankondiging van de uitreiking van 1932 werd uitgesteld tot november 1933.

Op dat moment werd aangekondigd dat Heisenberg de prijs uit 1932 had gewonnen voor het creëren van kwantummechanica. Uit de bijdrage van Heisenberg zijn de allotrope vormen van waterstof ontdekt: dat wil zeggen, de verschillende atomaire structuren van stoffen die eenvoudig zijn.

Nazi-aanvallen

In hetzelfde jaar dat hij in 1933 de Nobelprijs voor de vrede ontving, zag hij de opkomst van de nazi-partij. Het nazi-beleid sloot "niet-Ariërs" uit, wat het ontslag betekende van veel professoren, waaronder: Born, Einstein en andere Heisenberg-collega's in Leipzig.

Heisenberg reageerde kalm op dergelijke acties, weg van publieke verontwaardiging omdat hij dacht dat het nazi-regime van korte duur zou zijn. Heisenberg werd al snel een gemakkelijk doelwit.

Een groep radicale nazi-fysici promootte het idee van een "Arische fysica" in tegenstelling tot de "Joodse fysica", die verband houdt met relativiteitstheorieën en kwantumtheorieën; Heisenberg werd zelfs zwaar aangevallen door de nazi-pers en noemde hem een ​​"blanke Jood".

Sommerfeld had overwogen Heisenberg te verlaten als zijn opvolger voor lessen aan de Universiteit van München; zijn bod voor de benoeming mislukte echter vanwege tegenstand van de nazi-beweging. Heisenberg had een bittere smaak achtergelaten na de willekeurige beslissingen van de nazi's.

Heisenberg in de Tweede Wereldoorlog

Op 1 september 1939 werd het Duitse kernwapenprogramma gevormd, dezelfde dag dat de Tweede Wereldoorlog begon. Na verschillende bijeenkomsten werd Heisenberg opgenomen en aangesteld als algemeen directeur.

Van 26 tot 28 februari 1942 hield Heisenberg een wetenschappelijke lezing voor Reichsfunctionarissen over de verwerving van energie uit kernsplijting.

Daarnaast legde hij uit over het enorme energiepotentieel dat dit soort energie levert. Hij beweerde dat 250 miljoen volt elektronen kon worden vrijgegeven door de splitsing van een atoomkern, dus gingen ze op zoek.

De ontdekking van kernsplijting werd onder de aandacht van Duitsland gebracht. De onderzoeksgroep van Heisenberg was er echter niet in geslaagd een reactor of atoombom te produceren.

Sommige referenties hebben Heisenberg als incompetent voorgesteld. Anderen daarentegen hebben gesuggereerd dat de vertraging opzettelijk was geweest of dat de inspanning was gesaboteerd. Wat wel duidelijk was, is dat er op verschillende punten in het onderzoek significante fouten zijn gemaakt.

Volgens verschillende referenties onthullen transcripties van het Duits naar het Engels dat zowel Heisenberg als andere collega's opgetogen waren dat de geallieerden de overwinning behaalden in de Tweede Wereldoorlog.

Naoorlogse jaren en dood

Uiteindelijk hervatte hij in 1946 zijn positie aan het Kaiser Wilhelm Institute, dat al snel werd omgedoopt tot het Max Planck Institute for Physics. In de naoorlogse jaren nam Heisenberg de rollen op zich als administrateur en woordvoerder van de Duitse wetenschap in West-Duitsland, waarbij hij een apolitieke houding aannam.

In 1949 werd hij de eerste president van de Duitse Onderzoeksraad met de bedoeling de wetenschap van zijn land internationaal te promoten.

Later, in 1953, werd hij de oprichtende president van de Humboldt Foundation; een door de overheid gefinancierde organisatie die studiebeurzen toekent aan buitenlandse wetenschappers om onderzoek te doen in Duitsland.

Eind jaren zestig slaagde Heisenberg erin zijn autobiografie te schrijven. Het boek werd in Duitsland gepubliceerd en jaren later werd het in het Engels en vervolgens in andere talen vertaald.

Op 1 februari 1976 stierf Heisenberg aan nier- en galblaaskanker. De volgende dag maakten zijn collega's een wandeling van het Institute of Physics naar zijn huis en zetten ze kaarsen op de voordeur om hun respect te betuigen aan de legendarische wetenschapper.

Ontdekkingen en bijdragen

Matrix-mechanica

De eerste modellen van kwantummechanica zijn opgesteld door Albert Einstein, Niels Bohr en andere vooraanstaande wetenschappers. Later werkte een groep jonge natuurkundigen in strijd met de klassieke theorieën, gebaseerd op experimenten en niet op intuïtie, met veel nauwkeurigere talen.

In 1925 was Heisenberg de eerste die een van de meest complete wiskundige formuleringen van de kwantummechanica maakte. Heisenbergs idee was dat door middel van deze vergelijking de intensiteiten van fotonen in de verschillende banden van het waterstofspectrum konden worden voorspeld.

Deze formulering is gebaseerd op het feit dat elk systeem kan worden beschreven en gemeten met observaties en wetenschappelijke metingen volgens matrixtheorie. In die zin zijn matrices wiskundige uitdrukkingen om gegevens van een fenomeen te relateren.

Principe van onzekerheid

Kwantumfysica is vaak verwarrend, omdat het definitieve wordt vervangen door waarschijnlijkheden. Een deeltje kan bijvoorbeeld op de een of andere plaats zijn, of zelfs op beide tegelijk; de locatie kan alleen worden geschat door middel van waarschijnlijkheden.

Deze kwantumverwarring kon worden verklaard dankzij het Heisenberg-onzekerheidsprincipe. In 1927 legde de Duitse natuurkundige zijn principe uit door de positie en beweging van een deeltje te meten. Het momentum van een object is bijvoorbeeld zijn massa vermenigvuldigd met zijn snelheid.

Gezien dit feit geeft het onzekerheidsprincipe aan dat de positie en beweging van een deeltje niet met absolute zekerheid bekend kan zijn. Heisenberg beweerde dat er een limiet is aan hoe goed de positie en het momentum van het deeltje kan worden gekend, zelfs met behulp van zijn theorie.

Voor Heisenberg, als je de positie heel precies kent, kun je slechts beperkte informatie hebben over het momentum.

Neutronen-proton-model

Het proton-elektronenmodel leverde bepaalde problemen op. Hoewel werd aangenomen dat de atoomkern uit protonen en neutronen bestaat, was de aard van het neutron niet duidelijk.

Na de ontdekking van het neutron stelden Werner Heisenberg en de Sovjet-Oekraïense natuurkundige Dmitri Ivanenko in 1932 een protonen- en neutronenmodel voor de kern voor.

De Heisenberg-artikelen behandelen een gedetailleerde beschrijving van protonen en neutronen in de kern door middel van kwantummechanica. Het veronderstelde ook de aanwezigheid van nucleaire elektronen, afgezien van neutronen en protonen.

Meer specifiek nam hij aan dat het neutron een proton-elektronenverbinding is, waarvoor geen kwantummechanische verklaring bestaat.

Hoewel het neutronen-proton-model veel problemen oploste en bepaalde vragen beantwoordde, bleek het een probleem om uit te leggen hoe elektronen uit de kern konden emaneren. Maar dankzij deze ontdekkingen veranderde het beeld van het atoom en versnelde het de ontdekkingen van de atoomfysica aanzienlijk.

Toneelstukken

De fysische principes van de kwantumtheorie

The Physical Principles of Quantum Theory was een boek geschreven door Werner Heisenberg, voor het eerst gepubliceerd in 1930 dankzij de Universiteit van Chicago. Later, in 1949, werd een nieuwe versie met succes herdrukt.

De Duitse natuurkundige schreef dit boek met de bedoeling de kwantummechanica op een eenvoudige manier te bespreken, met weinig technische taal om deze wetenschap snel te begrijpen.

Het boek is meer dan 1200 keer geciteerd in belangrijke officiële referenties en bronnen. De structuur van het werk is fundamenteel gebaseerd op de snelle en gemakkelijke bespreking van de kwantumtheorie en het onzekerheidsprincipe ervan.

Fysica en filosofie

Physics and Philosophy bestond uit een baanbrekend werk dat beknopt was geschreven door Werner Heisenberg in 1958. In dit werk legt Heisenberg de gebeurtenissen van de revolutie in de moderne fysica uit aan de hand van zijn uitstekende artikelen en bijdragen.

Heisenberg werd gekenmerkt door ontelbare lezingen en lezingen over natuurkunde gedurende zijn wetenschappelijke carrière. In die zin is dit werk een compilatie van alle gesprekken die verband houden met de ontdekkingen van de Duitse wetenschapper: het onzekerheidsprincipe en het atomaire model.

Fysica en daarbuiten

Physics and Beyond was een boek geschreven door Werner Heisenberg in 1969, dat de geschiedenis van atomaire verkenning en kwantummechanica vertelt vanuit zijn ervaring.

Het boek bevat gesprekken van debatten tussen Heisenberg en andere van zijn collega's uit die tijd over verschillende wetenschappelijke onderwerpen. Deze tekst bevat gesprekken met Albert Einstein.

De bedoeling van Heisenberg was dat de lezer de ervaring zou kunnen opdoen om persoonlijk te luisteren naar verschillende erkende natuurkundigen, zoals Niels Bohr of Max Planck, en niet alleen over natuurkunde, maar ook over andere onderwerpen die verband houden met filosofie en politiek; vandaar de titel van het boek.

Daarnaast vertelt het werk de opkomst van de kwantumfysica en een beschrijving van de omgeving waarin ze leefden, met gedetailleerde beschrijvingen van de landschappen en hun opvoeding in de natuur die kenmerkend is voor die tijd.

Referenties

1. Werner Heisenberg, Richard Beyler, (zd). Overgenomen van Britannica.com
2. Weiner Heisenberg, Famous Scientists Portal, (zd). Overgenomen van famousscientists.org
3. Werner Karl Heisenberg, Portal University of St Andrews, Schotland, (zd). Genomen uit groups.dcs.st-and.ac.uk
4. Werner Heisenberg, Wikipedia in het Engels, (zd). Overgenomen van Wikipedia.org
5. Kwantumonzekerheid zit niet allemaal in de meting, Geoff Brumfiel, (2012). Genomen van nature.com