Werner Heisenberg – Die Melodie der Atome

Wie Werner Heisenberg die Welt erklärt

In Werner Heisenbergs Jugend ist die Wissenschaft geprägt von der newtonschen Mechanik: Die Welt ist eine seelenlose Maschine. Werner Heisenberg fühlt sich hingegen eingewoben in eine Natur, die er im Sinne seines geliebten Goethe als Ganzheit erlebt. In der Geistiges und Materielles einander organisch durchdringen und befruchten.
Die Erkenntnisse und Entdeckungen Heisenbergs und anderer Quantenphysiker führen im 20. Jahrhundert zu einem Durchbruch im Verständnis unserer Realität. Heisenberg leitet aus den naturwissenschaftlichen Erkenntnissen ein Bild der Ganzheit und Verbundenheit von allem ab, das uns im 21. Jahrhundert helfen kann, eine zukunftsfähige Gesellschaft zu gestalten.

Wie alles sich zum Ganzen webt,
Eins in dem andern wirkt und lebt!
Wie Himmelskräfte auf und nieder steigen
Und sich die goldnen Eimer reichen!
Mit segenduftenden Schwingen
Vom Himmel durch die Erde dringen,
Harmonisch all das All durchklingen!
Aus Goethes Faust

Werner Heisenberg (1901 – 1976) zeigt schon in der frühen Kindheit große Begeisterung für die Physik und eine immense mathematische Begabung. Seine Passion ist die Musik, im Klavierspiel ist er sogar hochbegabt. Deshalb ist Heisenberg lange Zeit unentschlossen, ob er Musik oder besser Mathematik und Naturwissenschaft studieren soll.

Seine Liebe zur Natur lebt Heisenberg mit seinen Freunden von der Jugendbewegung aus. Bei ausgedehnten Wanderungen durch ganz Deutschland lesen die jungen Menschen einander die Werke der klassischen und romantischen Literatur vor und führen lange Diskussionen über philosophische Themen. In den Werken Goethes, dessen Faust Heisenberg auswendig lernt, entdeckt er eine göttliche Ordnung der Natur. In dieser Natur hat er auch manch inspirierendes oder mystisches Erlebnis. So auch bei einer Übernachtung in der Burgruine Pappenheim. Er beschreibt, wie er dabei die Natur in ihrer Ganzheit und Verwobenheit erlebt hat.

Revolution in der Physik

In Heisenbergs Jugendzeit fallen auch jene physikalischen Entdeckungen, die sich nicht mehr in das mechanistische Weltbild einordnen lassen. Max Planck und Albert Einstein beginnen, mit der Quantentheorie und der Relativitätstheorie die Fundamente der newtonschen Mechanik ins Wanken zu bringen. Was ist Raum, was Zeit, was Materie? Und was ist das, was die Welt im Innersten zusammenhält? Schon früh begeistert Heisenberg sich für diese Fragen, die im Lichte dieser Entdeckungen und Theorien neu beantwortet werden müssen.

Bald nach Beginn seines Studiums zählt Heisenberg zum Kreis jener hochbegabten Quantenphysiker, die mit neuen Theorien und einer neuen Sicht auf die Welt aufhorchen lassen. Man geht der Frage nach, wie ein Atom beschaffen ist. Niels Bohr und Arnold Sommerfeld, Heisenbergs Lehrer an der Universität in München, stellen es sich wie ein kleines Sonnensystem vor: mit einem Kern, den die Elektronen wie Planeten umkreisen. Nach den Berechnungen der klassischen Physik hätten die Elektronen jedoch in den Kern fallen müssen. Und so stellte sich die Frage, warum sie das nicht taten. Gemeinsam beginnen Physiker wie Heisenberg, Niels Bohr, Louis de Broglie, Wolfgang Pauli, Max Born und einige andere nun zu verstehen, dass Elektronen keine Dinge sind, sondern so etwas wie eine stationäre Schwingung. Oder um es für unseren Alltagsverstand noch verwirrender auszudrücken, dass ein Elektron gleichzeitig ein Teilchen und eine Welle ist.

Was sind die Bausteine der Materie?

Seit dem Beginn der Neuzeit war die westliche Welt der Ansicht, dass unsere Welt, also die Materie, aus kleinsten Teilchen zusammengesetzt ist. Demokrit nannte sie Atome und nachdem die Naturwissenschaft die Teilbarkeit der Atome entdeckt, vermutet man, dass Protonen, Elektronen und Neutronen nun jene kleinsten Teilchen wären.

Mittlerweile hat die Physik mehr als 100 Elementarteilchen entdeckt. Die Schwierigkeit dabei ist, dass diese Teilchen nicht dem entsprechen, wie wir uns materielle Dinge vorstellen. Viele von ihnen sind z. B. instabil und wandeln sich spontan in andere Teilchen um, sie zerfallen also entsprechend dem radioaktiven Zerfallsgesetz in andere Teilchen. Allerdings sind die Zerfallsprodukte, also die neuen Teilchen, in keiner Weise im ursprünglichen Teilchen bereits vorhanden gewesen.

Es gibt sogar Elementarteilchen wie die Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos, die sich tatsächlich alle drei in verschiedenen Mischungen gegenseitig enthalten. Aus logischem Gesichtspunkt wäre eine solche Aussage falsch, dennoch entspricht sie einer experimentellen und damit empirischen Realität. Heisenberg erklärt diese damit, dass im Grunde keine Zerlegung von Teilchen passiert, sondern eine Erzeugung von Materie aus Energie.
Alle Elementarteilchen sind aus derselben Substanz und man kann diese Substanz Energie oder Materie nennen. Interessant ist in diesem Zusammenhang auch, dass man bei Elementarteilchen bisher keine räumliche Ausdehnung feststellen konnte und die Physiker sie daher als mathematische Punkte beschreiben.

Elementarteilchen sind ein Nichts

Heisenberg folgert daraus, dass Demokrit und die newtonsche Mechanik die Welt mit ihrer Vorstellung von kleinsten Teilchen oder Dingen nicht korrekt beschrieben haben. Sehr wohl erinnert ihn die Entdeckung aber an die Beschreibungen der Physis, wie sie Platon entwarf. Dessen Timaios liest Heisenberg schon während seiner Schulzeit im griechischen Original. Damals kommt ihm dessen Idee absurd vor, dass die kleinsten Teile der Materie aus rechtwinkeligen Dreiecken bestehen sollten. Nach Platon sind diese Dreiecke keine Materie mehr, indem sie sich jedoch zu verschiedenen Formen, den platonischen Körpern zusammenfügen, gestalten sie die Materie.

Hinter der Welt der Formen verbergen sich mathematische Strukturen.

Hier sieht Heisenberg die Übereinstimmung mit den Symmetrieeigenschaften, die das Charakteristische der stationären Zustände der Elementarteilchen in der Quantentheorie sind.

Die Elementarteilchen sind für Heisenberg nichts Faktisches, sondern eine Möglichkeit. Dieses Potenzial kann sich in der Welt des Faktischen jedoch zeigen, wie die Wassertröpfchen in der wilsonschen Nebelkammer. Hierbei handelt es sich um einen Teilchendetektor, der die Bahn bestimmter Teilchen sichtbar machen kann. Hans-Peter Dürr, ein Schüler von Werner Heisenberg und dessen Nachfolger als Leiter des Max-Planck-Instituts in München, bestätigt dies. Er beschreibt die Elementarteilchen als „elektromagnetischen Schwingungsball“: „Und was da schwingt, ist NICHTS. Aber dieses Nichts hat eine Form.“