Onzekerheid is niet direct een begrip dat je koppelt aan een exacte wetenschap als Natuurkunde.
Toch is het Onzekerheidsrelatie van Heisenberg uit 1927 het fundament van een van de nieuwste vertakkingen van diezelfde Natuurkunde, en wel de Kwantum Mechanica!
De onzekerheidsrelatie drukt uit dat er paren van grootheden bestaan, waarvoor geldt dat niet van beide grootheden de waarden tegelijkertijd exact vastgelegd kunnen worden. Een voorbeeld van een dergelijk paar is plaats en impuls (= massa x snelheid), een ander voorbeeld is energie en tijd.
Wat is er dan zo onzeker?
Als je van een bewegend voorwerp wilt vaststellen WAAR het is en HOE SNEL het is, dan zal blijken dat je maar één van de twee met zekerheid kunt meten. Dat is wellicht enigszins “op de klompen” aan te voelen, als het voorwerp een F1-raceauto op volle snelheid op een circuit is.
Om exact vast te stellen waar die F1-raceauto zich bevindt op het circuit, zou je hem eigenlijk even willen stilzetten. Maar als je dat doet, dan kun je niet meten hoe snel hij was op die plek van het circuit.
Met andere woorden, of de locatie of de snelheid van een bewegend voorwerp is exact vast te stellen; maar niet beide tegelijkertijd.
Werner Karl Heisenberg
Wie was dan die Heisenberg, die als eerste melding maakte van deze onzekerheid?
Werner Karl Heisenberg (1901–1976) was een Duits natuurkundige en een van de grondleggers van de kwantummechanica. De bekende onzekerheidsrelatie van Heisenberg is van hem afkomstig. Daarnaast heeft hij belangrijke bijdragen geleverd aan werk op het gebied van de hydrodynamica van turbulentie, de atoomkern, ferromagnetisme, kosmische straling en elementaire deeltjes en was hij de ontwerper van de eerste naoorlogse kernreactor in Karlsruhe in Duitsland.
Pauli en Born
Heisenberg studeerde natuurkunde in München, samen met zijn vriend Wolfgang Pauli, die een paar jaar boven hem zat. Hij studeerde onder Arnold Sommerfeld en promoveerde in 1923 op een proefschrift over turbulentie in vloeistofstromen.
Heisenberg volgde Pauli naar Göttingen om daar onder Max Born te werken. Daarna ging hij in 1924 werken aan het instituut voor theoretische natuurkunde in Kopenhagen onder Niels Bohr, die hij als student in 1922 reeds had ontmoet. Dit resulteerde in een vruchtbare samenwerking, leidend tot de Kopenhaagse interpretatie van de kwantummechanica en uiteindelijk tot een Nobelprijs voor Natuurkunde in 1932 voor zijn werk aan de kwantummechanica. In 1927 werd hij, 26 jaar oud, hoogleraar theoretische natuurkunde in Leipzig, en in 1941 aan de Universiteit van Berlijn.
Heisenberg trouwde in 1937 met Elisabeth Schumacher en het echtpaar kreeg zeven kinderen. Een van zijn zoons, Martin Heisenberg, is hoogleraar genetica.
Belang van de onzekerheidsrelatie
De onzekerheidsrelatie van Heisenberg heeft belangrijke gevolgen in veel takken van de natuurkunde, op subatomaire schaal (kwantumfysica). Voor macroscopische voorwerpen, zoals stoelen, huizen of stuif-meelkorrels, geldt de relatie uiteraard ook, maar is de onzekerheid verwaarloosbaar doordat de constante van Planck (als onderdeel van de formule voor de relatie) zo klein is.
Een belangrijk gevolg van de onzekerheidsrelatie is dat metingen altijd invloed hebben op het te meten systeem (ofwel: door waar te nemen wordt het waar te nemen systeem beïnvloedt).
Collaboratie in WOII
In 1933 kwam Adolf Hitler aan de macht in Duitsland en binnen zeer korte tijd was het land door hem omgevormd tot een totalitaire dictatuur. Hitler‘s nazipartij hield alle aspecten van de maatschappij onder controle.
Aanvankelijk verzette Heisenberg zich tegen de bemoeienis van de nazi’s met de wetenschap en speciaal met de uitsluiting van joodse wetenschappers, maar ten slotte schikte hij zich naar hun wensen. Het principe van kernsplijting werd in 1938 ontdekt in Duitsland. Heisenberg was betrokken bij dit Duitse kernonderzoek en bij de, uiteindelijk niet geslaagde, pogingen van de nazi’s een eigen atoombom te ontwikkelen.
Duitse atoombom
Door zijn collaboratie met het naziregime werd Heisenberg een omstreden figuur. Toen hij aan Bohr bekendmaakte dat hij aan de ontwikkeling van een Duits atoomwapen werkte eindigde hun lange vriendschap abrupt. In september 1941 was er in het bezette Kopenhagen namelijk een ontmoeting tussen Heisenberg en Bohr. Er is veel geheimzinnigheid omtrent de aard van deze ontmoeting. De familie van Bohr gaf pas in 2002 documenten vrij waarin valt te lezen dat Bohr geschokt was over het feit dat Heisenberg, die er blijkbaar van overtuigd was dat Duitsland de oorlog zou winnen, onthulde dat hij meewerkte aan de ontwikkeling van een Duitse atoombom.
Toen Bohr dit aan de geallieerden bekendmaakte, gaf dit een extra impuls aan het Manhattanproject: de Amerikaanse poging om een atoombom te vervaardigen. In de lezing van Heisenberg deed hij juist alles om het project te vertragen.
Na de oorlog
Aan het eind van de oorlog in Europa werd Heisenberg door de Alsosgroep gearresteerd en zat hij enige maanden gevangen in het landhuis Farm Hall bij Cambridge in het Verenigd Koninkrijk, samen met een aantal andere eminente Duitse geleerden onder wie Carl Friedrich von Weizsäcker, Otto Hahn en Max von Laue.
Ze werden goed behandeld en hadden veel vrijheid. De Britten hadden echter in elke ruimte microfoons verborgen om hun onderlinge gesprekken af te luisteren. Zo wilden de Britten te weten komen hoever de Duitsers gevorderd waren in het fabriceren van hun atoombom. Toen begin augustus 1945 het bericht over de eerste atoombom op Japan bekend werd, was dit natuurlijk meteen het onderwerp van speculatie onder de Duitse wetenschappers.
Heisenberg gaf er in die gesprekken blijk van totaal op het verkeerde spoor te zitten wat betreft zijn gedachten over het ontwerp van de bom. Hij had bijvoorbeeld geen idee van de berekening van de juiste kritische massa.
Na zijn vrijlating speelde Heisenberg een grote rol in het herstel van het wetenschappelijk onderwijs in Duitsland en probeerde hij een ‘Theorie van alles‘ te ontwikkelen, maar slaagde daarin niet.
Hij overleed in 1976. De plaats van Heisenbergs graf is vrij nauwkeurig vast te stellen, dus de veel aangehaalde anekdote dat op zijn graf zou staan “Hier ligt Werner Heisenberg….. ergens” – een toespeling op zijn onzekerheidsrelatie – is een verzinsel.