Wissenschaft

Werner Heisenberg: Pionier der Quantenphysik

Anders als die klassische Physik zeigt die Quantenphysik, dass die Welt nicht vollständig determiniert ist. Das schafft Raum. Sowohl für die Freiheit des Menschen und ein neues Verständnis von Materie, als auch für Gott und dessen Handeln in der Zeit.
Werner Heisenberg , Nobelpreisträger für Physik
Foto: Adobe Stock Bundesarchiv | 1932 erhielt Werner Heisenberg für Begründung der Quantenmechanik den Nobelpreis für Physik.

Werner Heisenberg, der am 5. Dezember 1901 in Würzburg geboren wurde, zählt zu den prägendsten Gestalten der Physik des 20. Jahrhunderts. Am Sonntag wäre er 120 Jahr alt geworden. Zu seinen bedeutendsten Leistungen gehört neben der Begründung der Quantenmechanik, für die er 1932 den Nobelpreis für Physik erhielt, die Formulierung der später nach ihm benannten Unschärferelation sowie sein Beitrag zur Ausarbeitung der „Kopenhagener Deutung“ der Quantenmechanik.

Die Geburtsstunde der Quantenphysik schlug indes um einiges früher. Rund ein Jahr vor Heisenbergs Geburt, am 14. Dezember 1900, präsentiert der Physiker Max Planck (1859-1947) der Deutschen Physikalischen Gesellschaft in Berlin eine Lösung für ein bis dato ungelöstes Problem der Wärmestrahlung. Objekte, die erhitzt werden, glühen analog zu der Höhe der Temperatur, der sie ausgesetzt werden, in unterschiedlichen Farben. Doch jedes Mal, wenn Physiker die Strahlung zu berechnen suchten, die der Theorie nach die in Schwingung versetzen Atome emittieren, wiesen ihre Gleichungen in einigen Fällen jeweils unendlich große Werte auf; in der Physik ein sicheres Zeichen dafür, das irgendetwas nicht stimmen konnte.

Die Natur macht keine Sprünge

Planck nahm daraufhin an, dass die abgestrahlte Energie, anders als es die Theorie bis dahin nahelegte, nicht kontinuierlich-linear, sondern sprunghaft in kleinen Paketen (Quanten) abgestrahlt wurde. Was sich als richtig erweisen sollte. Für die Entdeckung dieser neuen Naturkonstante, dem später nach ihm benannten Planckschen Wirkungsquantum, erhielt Planck den Nobelpreis für Physik des Jahres 1918 – wegen des 1. Weltkrieges mit einjähriger Verspätung. Entscheidender war jedoch: Das bis dahin für gültig erachtete Dogma der Physik „natura non facit saltus“ („die Natur macht keine Sprünge“) war gestürzt und eine Revolution angezettelt.

Seit Issac Newton (1642-1727) glaubten Physiker – und manche immer noch – dass sich alle zukünftigen Ereignisse prinzipiell präzise voraussagen lassen. Da die Naturgesetze die Bewegung sämtlicher Objekte im Universum bestimmten, ließen sich, sofern dazu auf hinreichend große Datenmengen zurückgegriffen werden könne, sämtliche Ereignisse voraussagen. „Für Newton war das gesamte Universum ein Uhrwerk, das in einer präzisen und vorhersagbaren Weise tickte. Wenn man Ort und Geschwindigkeit sämtlicher Partikel im Universum kannte, konnte man auch sämtliche zukünftigen Ereignisse voraussagen“, schreibt Michio Kaku, Professor für Theoretische Physik an der City University of New York in seinem kürzlich erschienen Bestseller „Die Gottes-Formel“.

Unbestimmtheit als Eigenschaft

Bis eben Heisenberg im Verbund mit anderen Physikern – allen voran dem Dänen Niels Bohr (1885-1962) – zeigte, dass dem so nicht ist und die Wirklichkeit eben keine durch und durch determinierte ist. Die Heisenbergsche Unschärfen- oder auch Unbestimmtheitsrelation besagt nämlich, dass es unmöglich ist, gleichzeitig eine Orts- und Impulsmessung mit beliebiger Genauigkeit an einem Quantensystem – etwa einem Elektron – durchzuführen. Je kleiner die Unschärfe, je genauer die Messung der einen Größe erfolgte, desto größer die Unbestimmtheit der anderen Größe. Deutete Heisenberg diese Unbestimmtheit zunächst als Störung des Systems durch Messungen, so interpretierte er sie später als fundamentale Eigenschaft der Natur.

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Heisenberg selbst formulierte es 1927 so: „An der scharfen Formulierung des Kausalgesetzes, wenn wir die Gegenwart genau kennen, können wir die Zukunft berechnen, ist nicht der Nachsatz, sondern die Voraussetzung falsch. Wir können die Gegenwart in allen Bestimmungsstücken prinzipiell nicht kennen lernen. Deshalb ist alles Wahrnehmen eine Auswahl aus einer Fülle von Möglichkeiten und eine Beschränkung des zukünftig Möglichen.“

Skeptiker überzeugen

Einen Monat nach Heisenbergs Tod am 1. Februar 1976 erscheint in den „Physikalischen Blättern“ ein Nachruf seines Schülers und Nachfolgers als Direktor am Max-Planck-Institut für Physik in München, Hans-Peter Dürr: „Vor einem halben Jahrhundert hat der junge Heisenberg eine der bedeutsamsten Wandlungen in unserem Weltverständnis bewirkt, die Türe zu einer neuen Denkweise aufgestoßen. Im naturwissenschaftlichen Bereich schon unendlich bewährt, hat diese neue Denkweise erst begonnen, die übrige Welt zu verändern.“

Doch zunächst galt es, wie so häufig in der Wissenschaft, die Skeptiker zu überzeugen. Als einer der hartnäckigsten erwies sich niemand Geringeres als Albert Einstein (1879-1955). Bereits 1926 schreibt Einstein an den Mathematiker und Physiker Max Born (1882-1970): „Die Quantenmechanik ist sehr achtung-gebietend. Aber eine innere Stimme sagt mir, daß das noch nicht der wahre Jakob ist. Die Theorie liefert viel, aber dem Geheimnis des Alten bringt sie uns kaum näher. Jedenfalls bin ich überzeugt, daß der nicht würfelt.“

Die „Kopenhagener Deutung“

1927 auf der fünften und drei Jahre später auf der 6. Solvay-Konferenz in Brüssel eskaliert die Auseinandersetzung um die „Kopenhagener Deutung“ der Quantenmechanik. Auf der einen Seite stehen Einstein und der österreichische Physiker Erwin Schrödinger (1887-1933), auf der anderen Bohr und der junge Heisenberg, der kurz zuvor – als jüngster Professor Deutschlands – zum ordentlichen Professor für Physik an der Universität Leipzig ernannt worden war. Einstein führt den Angriff, erhebt Einwand um Einwand gegen die Quantentheorie und versucht darzulegen, wie absurd die ganze Sache sei. Bohr jedoch gelingt es, sämtliche Einwände Einsteins, einen nach dem anderen zu widerlegen. Der österreichische Physiker Paul Ehrenfest (1880-1933), ein Freund Einsteins, erinnert später dazu Folgendes: „Ich werde niemals den Augenblick vergessen, den die Gegner beim Verlassen des Universitätsklubs boten. Einstein, eine majestätische Gestalt, ging ruhig mit einem leicht ironischen Lächeln, und Bohr trottete neben ihm her, höchst aufgeregt.“ Man habe hören können, wie Bohr in den Gängen niedergeschlagen immer wieder ein einziges Wort vor sich hinmurmelte: „Einstein … Einstein …Einstein ….“ Als Einstein nicht aufhört, zu wiederholen, dass Gott mit dem Universum kein Würfelspiel betreibe, soll Bohr ihm schließlich entnervt entgegnet haben: „Albert, hör endlich auf, dem lieben Gott Vorschriften zu machen.“

Es werde Licht

In ihrem gemeinsam verfassten und 2018 erschienenen, lesenswerten Buch „Es werde Licht – Die Einheit von Geist und Materie in der Quantenphysik“ erzählen Heisenbergs Tochter Christine und ihr Ehemann Frido Mann von einem Spaziergang mit Heisenberg, in dessen Verlauf er ihnen einen Einblick in seine Sicht der Welt verschaffte: „Die Grundlage für jede Entwicklung unserer Welt wäre nicht das Materielle, sondern eigentlich Geistiges. Denn die Materie sei ja gar nicht das, was wir als Materie erleben. Diese dürfe man sich nicht als aus kleinen Materiekügelchen zusammengesetzt vorstellen. Vielmehr bestehen die Atome als die kleinsten Teilchen der Materie aus Elementarteilchen, die eigentlich nur Energiekonzentrationen in einer größeren Struktur sind. Und wenn man in diesen subatomaren Bereich schaut, so entdeckt man, dass unsere Welt aus geistigen Strukturen von unglaublicher Schönheit besteht, so dass eigentlich Platon mit seiner Aussage, dass unsere Welt geistig sei und wir nur einen Schatten davon wahrnehmen können, völlig recht hatte.“

Richtig verstanden beendet also die Quantenphysik den alten Dualismus von Materie und Bewusstsein, beziehungsweise Natur und Geist. Laut Frido und Christine Mann kann die Quantentheorie als „Physik der Möglichkeiten und Beziehungen“ charakterisiert werden. „Diese Beziehungen erzeugen gegenüber einem bloßen additiven Nebeneinander Ganzheiten, die sehr viel mehr sind als die Summe ihrer Teile, wobei die Teile nicht mehr eigenständig, sondern letztlich nur noch virtuell der Möglichkeit nach existieren.“

Raum für eine neue Sicht

Als Physik der ganzheitlichen Beziehungen und der Möglichkeiten lasse sie „Raum für eine neue Sicht vom Menschen mit seinen bis ins Religiöse gehenden Fragen nach seinem eigenen Ursprung, nach dem Sinn seiner Existenz und nach seiner letztlichen Bestimmung. Das Bewusstsein des Menschen wird hier weder als dualistisch von seiner physischen Existenz getrennt gesehen noch auch als reines Epiphänomen der physiologischen Vorgänge betrachtet. Vielmehr eröffnet die enge Verschränkung der geistigen und physiologischen Existenz des Menschen auch der Frage nach dem Sinn unseres Daseins neue Möglichkeiten.“

Das sieht auch der evangelische Theologe Matthias Haudel so. In seinem Standardwerk „Theologie und Naturwissenschaft“ schreibt er: „Im Unterschied zum geschlossenen Determinismus der klassischen Physik bietet das kreative Zusammenspiel von Regelhaftigkeit und Spontanität sowie von nicht prognostizierbaren energetischen Ereignissen und „Information“ eine gute Grundlage für die konsonante Zuordnung zum theologischen Weltverständnis. Denn das Wirken Gottes im geschichtlichen Verlauf der Welt kann so auch durchgehend von den naturwissenschaftlichen Bedingungen her als plausible Möglichkeit dargelegt werden.“

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