Werner Heisenberg

Werner Heisenberg

Werner Heisenberg 1901-1954

Van een deeltje kunnen we alleen de positie of de impuls kennen, niet beide tegelijk

De ontwikkeling door Heisenberg in 1925 van de matrixrekenmethode bracht onenigheid teweeg in de exclusieve wereld van de quantumtheorie. Als vele andere natuurkundigen had ook Heisenberg nagedacht over de vraag of elektronen en andere atomische verschijnselen zich als golf of als deeltje gedroegen. Heisenberg kwam tot een eenvoudige oplossing: hij negeerde beide mogelijkheden volkomen! In plaats daarvan stelde hij voor dat het het belangrijkst was om mathematisch het voorkomen van atoomeigenschappen die konden worden gemeten of waargenomen, te kunnen voorspellen, zoals frequentie en de emissie van licht. Hij paste derhalve algebra toe op het probleem en ontwikkelde een op de wiskunde gebaseerde oplossing, die bekend zou staan als de matrixrekenmethode. De voorspellende en kwantificeerbare kracht hiervan was onovertroffen, zodat Heisenberg in 1932 hiervoor de Nobelprijs ontving.

De onzekerheidsrelatie

Zijn methode bevatte ook een logische component, waar Albert Einstein bezwaar tegen uitte. Heisenberg noemde die in 1927 zijn ‘onzekerheidsrelatie’. Toen hij zijn wiskundige benadering van het atoom wilde onderstrepen, besefte hij dat het in de fysieke werkelijkheid niet mogelijk was om tegelijkertijd zowel de exacte positie als de impuls (massa maal snelheid) van een deeltje te meten. De achterliggende redenering is eenvoudig: wanneer men op zeker moment de positie van, bijvoorbeeld, een elektron wil bepalen, moeten gammastralen van het deeltje worden afgebogen. Hierbij kan de positie worden vastgesteld, maar de impuls van het elektron is dan radicaal veranderd door de interactie met de gammastralen. Wanneer men een minder drastische techniek gebruikt om het elektron te lokaliseren, wordt de oorspronkelijke impuls waarschijnlijk beter bewaard, maar is de plaatsbepaling minder nauwkeurig. Dit hield in dat het maximale wat men kon verwachten een wiskundige voorspelling was van de waarschijnlijkheid van de positie van het elektron op een bepaald moment. De formule hiervoor leverde Heisenberg.

Het einde van oorzaak en gevolg

Wanneer we dit accepteren, is helaas de logische conclusie dat oorzaak en gevolg, pijlers van de klassieke fysica, niet meer kunnen worden gehanteerd. Op zijn best kunnen we hopen op een reeks waarschijnlijkheden over het gedrag van een bepaald deeltje op een bepaald tijdstip. De ‘probabilistische’ interpretatie van Max Born uit diezelfde tijd over de kans om op een bepaald punt een deeltje te vinden door waarschijnlijkheidsrekening met behulp van de amplitude van de aan het deeltje verbonden golf, leidde tot dezelfde conclusies. Toen Einstein dit hoorde, zei hij: ‘God dobbelt niet. Hij is wel subtiel, maar niet kwaadaardig.’ Toch wordt Heisenbergs benadering nu in brede kring geaccepteerd.

De atoombom

Heisenberg deed ook ander belangrijk onderzoek. Nadat Chadwick (1891-1974) in 1932 het neutron had ontdekt, was het Heisenberg die het model voorstelde van protonen en neutronen in de kern van een atoom. Verder speelde Heisenberg een grote en controversiële rol in de Tweede Wereldoorlog bij de pogingen van Duitsland om een atoombom te ontwikkelen. Anders dan vele van zijn landgenoten verliet Heisenberg Duitsland niet na de machtsovername van Hitler, maar hij was zeker geen nazisympathisant. De regering, zeer goed op de hoogte van Heisenbergs kennis van atomen, dwong hem echter om een team te leiden dat een atoombom moest creëren. Omdat de nazi’s zich toch in hoofdzaak richtten op het ontwikkelen van andere soorten wapens, kon het team de loop van de oorlog niet veranderen. Daar komt nog bij dat Heisenberg na de oorlog heeft benadrukt dat hij nooit de bedoeling had om het project te laten slagen en een dergelijk machtig wapen aan Hitler te overhandigen. Zo nodig, zo beweerde hij, had hij de vooruitgang van het team gesaboteerd wanneer de bom te dichtbij was gekomen.

De invloed van Heisenberg

Van alle quantumtheoretische modellen die de jaren twintig hebben voortgebracht, hebben de theorieën van Werner Heisenberg, samen met die van zijn landgenoot Max Bom n (18821970), het langst standgehouden. Deze benadering, die de natuurkunde reduceerde tot een reeks onvoorspelbare waarschijnlijkheden, stuitte Albert Einstein, een van de grootste natuurwetenschappers van de eeuw, en anderen tegen de borst. De ideeën van Heisenberg werkten echter en worden daarom nog steeds geaccepteerd.

1922 Heisenberg studeert in Giittingen onder Bom. 1925 Heisenberg ontwikkelt zijn radicale benadering van de quantumtheorie. 1927 Formuleert zijn ‘onzekerheidsrelatie’. 1932 Ontvangt de Nobelprijs.

1932 Nobelprijs voor Natuurkunde “Voor de schepping van de kwantummechanica, waarvan de toepassing onder ander heeft geleid tot de ontdekking van de allotrope vormen van waterstof.”

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.