Werner Heisenberg (1959) - Report on Recent Findings regarding a Unified Field Theory of Elementary Particles (German Presentation)

From the beginning of the 1950's, Werner Heisenberg was occupied with what one could call "the new problem of elementary particles". This problem arose when large amounts of unknown and short-lived particles were found in the cosmic radiation and in high-energy accelerators

Ladies and Gentlemen, I would like to speak today about an attempt at a theory of elementary particles, a unified theory of elementary particles, and I would first like to say a few words perhaps about the physicists who worked on this. First I would like to mention the contribution made by my friend Pauli, who unfortunately passed away much too young, and who we all sorely miss here. Pauli had, following its discovery by the two Chinese physicists Lee and Yang, taken a renewed interest in the elementary particle he himself had predicted about 30 years earlier, namely the neutrino. And he had discovered a new symmetry property in the wave equation of the neutrino. Now, the importance of symmetry properties for the smallest components of matter is known not just to physicists, but even to philosophers, who can read it in Plato. Thus, the symmetry property is one of the most important quantities or one of the most important things that we can talk about in physics today, just as 2000 years ago. And Pauli had, as I mentioned, discovered a new symmetry property in the neutrino wave equation. At about the same time, or even the previous year, we were involved with non-linear spin theory in our group in Göttingen, a theory which was thought to be a model for a subsequent theory of elementary particles. Following the discovery by Lee and Yang, I had attempted to incorporate their thinking into this non-linear spin theory and had come upon an equation that struck me as particularly simple, actually simpler than the equation that I had previously investigated. And after having given a lecture in Geneva on this equation about two years ago, I visited Pauli in Zürich. And Pauli immediately discovered then that the new equation was also invariant with respect to his symmetry group. And with that arose the possibility now for the first time that this extraordinarily simple equation - or I would like to say, very simple equation in a certain sense - could account for all of the aspects of elementary particles. Pauli was enormously enthusiastic about this new potential at first, but then afterwards was very disappointed because further difficulties indeed became apparent that he could neither intially solve nor answer. We discussed this equation a great deal one year ago in Geneva and even more extensively in Italy, in Varenna, at the so-called summer school of Italian physicists, and were in complete agreement about all the details of the theory that had already been worked out. But Pauli judged the subsequent possibilities more pessimistically overall than I did. However, in the middle of the discussion, which we always conducted in letters, he unfortunately passed away in December. In the meantime, a lot of mathematical work has been done in conjunction with this equation, and I would also like to now mention at this point the names of my colleagues in Munich: They are Dr. Dürr, Dr. Mitter, Dr. Schlieder, and Dr. Yamazaki. When I lecture today about this field, or more correctly, about the new results in this field, then I would like to divide them as follows: I first would like to explain the fundamental thinking behind this theory from a very general point of view. However, I do not want explain the mathematical details at this point, which would be difficult to understand for such a broad audience, but would rather mention, in somewhat greater detail, the difficulties that still existed in this theory a year ago, and also state what answers to these difficulties we believe we are now able to give. And then I will go into the newer results that have been worked out by me and my colleagues, whom I have just mentioned, which will probably appear in detail in a German periodical a few days from now. Firstly, therefore: What are the basic ideas behind this theory? May I request the first image please, in order to clarify the problem? In this picture, which is a type thoroughly familiar to physicists, I would like to explain briefly what sort of problem is involved. Physicists research elementary particles by means of very energetic elementary particles that are either drawn from large machines or from cosmic radiation, and let these particles collide with other particles or with atomic nuclei. The particles split the atomic nucleus and thereby create new particles. I want to briefly explain what is roughly involved in the one case visible in the photographs here. Thus, for example, a proton from the left above collides with a proton in an atomic nucleus here. You can see that a large number of particles are ejected from this atomic nucleus. Most of them, namely the particularly wide black tracks, are protons that previously made up the atomic nucleus as its key components. However, there are also individual, narrower tracks, and you can notice for example a track moving perpendicularly downward - that is an elementary particle of a type that was discovered just about six to eight years ago, known as a tau meson. I may also perhaps mention: the photograph here comes from a balloon expedition that has been carried out jointly by English, Italian and our physicists from our institute in Sardinia, Italy. In this experiment, photographic plates are sent to high altitude and exposed there to the effects of cosmic radiation, and an image like this is obtained afterwards through microscopic examination of the plate. This elementary particle moving perpendicularly downwards, the tau meson, continues along in the photographic plate and at a subsequent location was photographed once again. You see this on the right. Again on the right, this particle enters once again from above and makes a pair of collisions at the point where its track becomes wider and displays a curvature, you can hardly see the collisions on the plate, and then finally comes to rest. After coming to rest, it decays into three more particles known as pi mesons, each of which decay again into a mu meson and an invisible neutrino. The mu meson in turn decays into an electron and two invisible neutrinos. You therefore can see an example here in which elementary particles are created through this kind of decay process, and that then decay radioactively and thereby mutate into other particles. This special image that has been selected here also shows yet another elementary particle whose discovery was somewhat later, I believe, about five years ago. That particle is known as a sigma hyperon, a particle heavier than a proton. It is moving horizontally to the right in the left-hand image. It is a wide, black track and at the end of this trace, the particle decays into a pi meson and a neutron. This image is only meant to illustrate the experimental facts that must be explained. We see in the experiments that new particles are created by sufficiently energetic collisions between elementary particles, and that these new particles in turn radioactively decay into other particles, and so on. I do not wish to explain the experimental methods in detail here that now that allow us to decide why the one particle is a pi meson and the other a tau meson, and so forth. Rather, I prefer to draw a qualitative conclusion from this image. I believe what we learn from such images is that we may not view elementary particles as indestructible, unchanging, ultimate constituents of matter. For we certainly see that the particles transmute into one another. Obviously the most correct way of speaking about these processes is to say: all these elementary particles are made of the same stuff, so to speak, and this stuff is nothing other than energy or matter ..., let us say, than energy. One can also express it perhaps so: the elementary particles are only various forms in which matter can manifest itself. Energy becomes matter, in that it assumes the form of an elementary particle. And if we interpret the elementary particles in this way - and based on current experiments, we can no longer be in any doubt that we are describing the events correctly - then the question immediately arises for theoretical physicists: Well, why do exactly these forms of matter exist in nature, as manifestations of matter? Why do the elementary particles have precisely those properties that we observe experimentally, etc.? That is, why does matter have to occur in just these kinds or in this excess of forms? Apropos, I would like to mention: There are many different elementary particles. We currently know of about 25 to 30 different kinds. Thus, 25 to 30 different forms which energy can take in becoming matter. When we endeavour to bring some theoretical order to all of these aspects, we obviously hope that all of the different forms that we have before us as elementary particles in the experiments, that they spring from one simple natural law. Meaning, there is just one fundamental natural law leading to just these elementary particles being formed and no others. This same unified natural law must then also stipulate the forces between the elementary particles, it must in fact allow us to actually derive all of the properties of the elementary particles. Experimentally, a large number of these kinds of images are actually available to us as material for such an examination, as you have just seen, and those of related experiments. That is, observations of the transmutation of particles, of the forces that they exert upon one another, the life spans, etc. Now, the basic premises of the theory that I want to talk about here, of the mathematical representation of these experimental events, would be roughly the following: Obviously there would be no sense starting from the view that the elementary particles are something given, and then introducing mathematical symbols for these elementary particles, which we then associate with a natural law. That would be unreasonable because certainly the elementary particles should not be in any way prerequisite to, but rather the consequence of natural law. We want to have the elementary particles with all their properties derive a priori from natural law, and for that reason we cannot insert them as something already given. We also cannot, as is often done in the conventional theory, introduce a new wave function or wave operator for every sort of elementary particle and then attempt to represent the complicated train of events. No doubt, you obtain a mathematical description of individual processes with this kind of representation, but will hardly be able to encompass all the interrelationships. We will therefore have to assume that we represent matter in an arbitrary form. We must therefore introduce some kind of mathematical symbol for matter and from that say the theory simply begins with accepting that something like matter exists, and for this I may introduce a mathematical quantity representing matter. And since matter is additionally in space, is in space and time, this mathematical quantity that represents matter must therefore also somehow be related to space and time. Perhaps I may write this briefly on the blackboard. We can thus say: The initial prerequisite is the existence of matter, and it follows that we can introduce a quantity, I will call it Psi of X, with Psi so to speak standing for matter and X for space and time. And mathematically one will, according to what we know about quantum field theory - and we know that these statistical laws are evidently just the right description of nature, and mathematically one will say that it must be a quantum field operator, and indeed - I want to briefly write in addition to this - that it must be a spinor operator. We mean the following by this: First, we understand a spinor to be a quantity having two components. The mathematics of spinors was studied very early on by Pauli and introduced into physics. It follows from an experimental fact that we need these sorts of spinors. We know there are many elementary particles that have what is known as spin one-half, that is, their moment or angular momentum is half of Planck's constant. To represent these kinds of elementary particles, you need spinors. And for that reason, the original field dimension for matter must also be a spinor, for otherwise we could not represent these spin one-half particles. That it is an operator ..., well, the term operator is naturally comprehensible only to physicists and mathematicians, but we can perhaps explain that this quantity Psi in mathematics, as it were, simply makes matter out of nothing. What I mean is, in the mathematical representation we need to somehow move from nothing, that is, from a vacuum to a state in which matter is present. And this transition is accomplished simply through the operator Psi. Now, not much is accomplished apparently though this general statement, but you will see that we, through very few steps, indeed arrive at very definite predictions through mathematics. The next premise that we will insert into this theory is simply: Something like natural laws must exist. And a natural law means that we are able to predict something about the future state of the world from the present one, or about the past state of the world as well. Formulated mathematically, that means this spinor operator Psi must be sufficient to describe any possible state of the world during a very short time interval - now - that is, we say between now and a moment later, over a very short time interval. For we must be able to predict something about the current state. And if you make this assumption, it means in mathematical language that you therefore can produce all existing vectors of a Hilbert space of quantum states by applying the operator Psi over the time interval between t and delta t from the vacuum. Now, this mathematical formulation says something of course only to the specialists in the field. Therefore, if we require this prerequisite, then something very important immediately follows, namely, that there must be a valid differential equation as a function of time for this spinor operator. I will represent it in this way: We know that natural law must exist. Consequently, there must be a differential equation for Psi in time, Psi as a function of t. Now we can go one step further. We know, of course, that interactions exist in nature, that forces exist. All of nature and the entire interplay of events in nature are certainly based upon forces being able to affect particles, and that it is through just this effect of forces upon masses that the dynamics of the world are possible. Therefore, there must be interaction. And from the interaction an important property of this differential equation follows: It must be a non-linear equation, for interaction is actually only ever described by non-linear terms in mathematics. There are a few exceptions to this rule, but I do not want to discuss them here. Therefore, on the left I want to write: Interaction and consequently a non-linear equation. Finally, we need one further very important and general premise. And this premise can, if you use the word carefully enough, be labelled with the word causality. Here I must make a proviso, however: You know recently from modern atomic physics that causality is no longer valid in a certain sense. The recent interpretation of Psi waves as probability waves, for example, comes from Born. This movement in modern physics is not touched on in the theory discussed here. All mathematical processes are actually meant as predictions about the probability that something happens. However, the word causality has yet another aspect. What we mean with the word causality is that the effect cannot be earlier than the cause. And when we take this prediction together with the prediction from the theory of special relativity, that effects cannot propagate faster than the speed of light, that therefore space and time have an actual structure, which was discovered by Lorentz and Einstein fifty years ago, then the word causality in this special form therefore contains a very specific prediction about how the differential equation for this spinor operator must look. Namely, that it must be a Lorentz-invariant equation, that is, a differential equation that satisfies the theory of special relativity, and in addition, we can state a further property of this spinor operator that is extraordinarily important. Namely, that we are able to determine that for space-like intervals, these spinor operators must always be commutable or anticommutable with one another. For if this were not the case, then this simplest concept of causality, namely that the effect must always be later than the cause, and that effects can only be propagated at the speed of light, would not be satisfied. Therefore, I want to write here again: causality. And from causality comes a Lorentz-invariant differential equation, or invariant differential equation (if I may abbreviate it), and further, another prediction follows about the commutation relation (I also do want to write this down for the specialists in the field - it looks like this: X minus X^2 should be equal to 0, that is for space-like intervals greater than 0. And actually, the entire theory follows from what is now on the board. There are no further premises in it. The next thing ... Yes, I want to mention one more mathematical consequence, although I do not want to deal with the mathematics in detail today. The circumstance, that we are dealing with a non-linear differential equation, that in addition the commutation functions should vanish for space-like intervals - these two circumstances already establish how the commutation relations have to be for time-like intervals and in particular for when we are on what is called the light cone, meaning when we are observing the location where the effect propagates with the speed of light. It follows namely from the two premises - a non-linear equation and space-like commutation - that we do not have that kind of singularity on the light cone that we are familiar with from the usual linear differential equations, that is, what are called the Dirac delta functions, so that these Dirac delta functions must be replaced by another kind of singularity, indeed by a smaller singularity. That has immediate, very broad mathematical consequences. One must take seriously a suggestion Dirac made about 15 or no, 17 years ago. You must also contemplate an indefinite metric in the so-called Hilbert space of quantum-theoretical states. Perhaps I may include a few words about the history of this suggestion made by Dirac. As I mentioned, Dirac had suggested in January 1942 that one would have to resort to this indefinite metric in Hilbert space in order to avoid a mathematical singularity in quantum field theory. Then Pauli was able to determine a short time thereafter that this suggestion suffers from a serious objection. Namely, that then the quantities, which usually occur in the mathematical interpretation of quantum theory ..., in the physical interpretation of the probabilities in quantum theory, that these quantities can then become negative. Now, a negative probability makes no physical sense of course, and cannot be interpreted. For that reason, based on the investigation by Pauli, we thought that this indefinite metric could not be any sort of starting point for describing nature. Nevertheless, we once again took up this suggestion by Dirac about eight years ago in Göttingen and have been successful in showing special examples where Pauli's objection simply does not actually occur. Therefore, we now know at least that there are certain cases in which Pauli's objection does not necessarily arise, so that indeed the introduction of the indefinite metric does not represent a priori an insurmountable flaw for a theory. If you now take these premises as they are represented on the board seriously, then you can simply say: ok, let us try to formulate a natural law from them, and then we need to take a look at whether it can approximate the real world of elementary particles. We therefore have to take a non-linear differential equation that is Lorentz-invariant, that is valid for a spinor operator of Psi as a function of X, and the simplest possible equation of this kind is the equation that I want to show in the next image. That is the equation. It looks somewhat complicated as it appears here, the gamma mu and gamma 5 matrices introduced by Dirac occur in it. However, one can write the equation in other mathematical forms that then also demonstrate that it is in principle the simplest non-linear spinor equation that exists. And it is indeed the simplest because it has the greatest symmetry. And this prompts the question: Is this simplest spinor equation actually the correct equation? And correct would mean: From this equation, one can derive the elementary particles with all of their properties. And the equation's simplicity is matched by the difficulty in treating it mathematically. For this reason, a great deal of mathematical work had to be done at this point before we could give a few answers to the questions I have just posed. Now, the most important empirical data about elementary particles that we know of are the data concerning the symmetry properties of elementary particles. In this regard, I was reminded a short time ago once again of the ancient Greek philosophers; symmetry is always the principal feature, so to speak, of a physical structure. And thus the symmetry properties are the most important properties. Now I would like to request the image with the large table. This table is meant to provide you with a brief overview of the results of experiments. On the left side of the table shown vertically are the masses of the elementary particles and you see the entire list, so to speak, of the elementary particles in the form of points entered along this table. The lightest of the elementary particles are those with rest mass 0, those are the light quanta, they shown at the bottom as points. Also very light elementary particles are the electrons and positrons. Then come particles that are about 200 times heavier, what are called the mu mesons, and then above them the pi mesons, which are about 270 times heavier than electrons. The pi mesons are most closely associated with the forces that hold the atomic nucleus together, they are the particles first predicted by Yukawa in conjunction with the nuclear forces. They were observed as particles actually occurring in nature by Powell in England. Then above them come the K mesons, which are about 700 times heavier than ..., no, 960 times heavier than electrons, then the ... a short while ago for example you saw such a K meson in the images, that is the tau meson, it is a special sort of K meson. Then come the protons and neutrons, they are the longstanding components of the atomic nuclei, and finally further up the hyperons. Now, this entire menagerie of elementary particles, that is, this quite complicated train of events, can be systematically arranged, in that you can introduce quantum numbers for the elementary particles that simultaneously represent their symmetry properties. One can state in a somewhat simplified fashion: For every symmetry property of an elementary particle, there exists a quantum number, or perhaps more correctly the other way around: every elementary particle is characterised by an entire series of quantum numbers, and if you know these quantum numbers of the elementary particle, then you know what symmetry properties the particle has. Simultaneously, these quantum numbers are also an expression of the conservation laws that apply to the elementary particles. Therefore, the quantum numbers customarily play a role similar to the spin. We say that the spin is an integer multiple of, or a half-integer multiple of Planck's constant. And the total spin is conserved for any particle transmutation processes or creation processes. The quantum numbers that we have empirically found are entered here in the table on the right. I must mention at this point that this kind of representation originates from the theory. It comes from work which Pauli and I jointly wrote back then. But it is basically just a representation of the facts discovered previously by the experimental physicists. In the first column on the left are the elementary particles with the labels that are customary for physicists. On the right as the first quantum number is the electric charge, labelled as Q. That is a longstanding property of elementary particles, of course. Then comes a quantum number called the isotopic spin, or isospin. This property of elementary particles was discovered about 30 years ago. The isotopic spin has turned out to be a very important symmetry property, because it still poses certain riddles for physicists, since it is not a complete symmetry property. That is, the conservation laws that result from this symmetry property are only approximately valid, and that means that symmetry in nature is also only approximately valid. Then come the additional quantum numbers that are labelled here with L, which I want to say something about later. Then comes a quantum number N, that is what is known as the baryon charge or baryon number. This is for protons and neutrons 1, for example, but 0 for electrons or mu mesons. Then comes a quantum number known as IN one-half, which has a simple relationship to the baryon number. You can therefore say that the quantum number IN and LN also mean the baryon number and lepton number. We therefore arrive at a table of quantum numbers like this empirically. A few are left out, for example the spin is not listed here. And for physicists the question now arises, also for theoreticians: can one explain all these quantum numbers through the symmetry properties of this wave equation for matter that we have provisionally written down? To answer the question, one has to examine what symmetry property the equation itself hat, in other words, under what transformations is the equation invariant. And as I had said already, the equation must be invariant under the Lorentz transformation. That is necessary so that the structure of space and time, which we are familiar with from Einstein, is correctly represented. The equation actually is invariant under the entire inhomogeneous Lorentz group as well, and the usual conservation laws for energy, momentum, angular momentum, and motion of centre of mass, etc. then follow from this invariance. However, we have not represented so far anywhere near all of the symmetry properties and quantum numbers that are shown here. One very important additional quantum number is the isotopic spin, which was discovered about 30 years ago. And I said previously, that Pauli had established a new symmetry property in the wave equation for the neutrino, precisely the transformation he discovered, and Gürsey then associated this group with isotopic spin based on work by his predecessor Schremp, whom I would like to mention here. The equation is also invariant for these transformations discovered by Pauli, and Gürsey has just been able to show that these transformations allow the isotopic spin quantum number, or isospin to be represented. Thus, some of the quantum numbers that you have seen presented empirically in this image have been explained. The lower group, I still have to mention for the sake of historical accuracy, the lower transformation had first been discovered by Touschek, and Touschek had already announced that one may be able to associate them with the baryon number. And once one has recognised all of these transformations as genuine transformation properties of the equation, then it follows that you really can explain some of the quantum numbers shown in the table. However, two quantum numbers that caused difficulties in the first place still remain. And the difficulties of which I spoke a short time ago, which still remained in the theory a year ago, had to do with the existence of precisely these two quantum numbers. I now therefore come to this question of the difficulties. The quantum number table that you have just seen still contains two quantum numbers named LQ and LN there. And at least one quantum number of the two must be able to take on all values from minus infinity to plus infinity. And this means that there still must be one additional transformation property of the equation, if the equation is correct, that is of the same kind as being able to, let us say, revolve about an axis, that is, a continuous scalar transformation group. Besides this, there is still the difference, so to speak, between LN an LQ. That is a quantum number which has been named the strangeness of the particle, one which characterises the K mesons in contrast to the Pi mesons, for instance. This strangeness is a quantum number that does not have to take on all values from minus infinity to plus infinity, it is apparently only capable of taking on a couple of values, that is, it can assume the values of 0, 1, or 2, plus, minus. It would be sufficient for this quantum number to have discrete transformation groups still. And indeed, the equation also remains invariant for one additional single-parameter group however, which is referred to as the scalar transformation. If I may write on the board: Psi of X and L (L is the quantity that occurs in the equation) can transform into Eta to the three/halves power times Psi of X Eta and L Eta. In ordinary language: the entire world, so to speak, can expand or contract, and we would not notice this if the entire transformation took place similarly. That a scalar transformation is conceivable was also recognised very early on, reported to me during a visit in Yugoslavia that the Yugoslavian philosopher Boškovic already had the idea of this transformation in the 18th century. And this transformation is actually contained in this equation as well and it appears to be sufficient to explain at least one of these two quantum numbers. And for the explanation of so-called strangeness - the discrete transformation properties of the equation, of which there are several, will probably suffice. To this extent, we can therefore give a thoroughly satisfactory answer now to the first difficulty. A second, still-greater difficulty consisted of particles, indeed strange particles, existing that have isotopic spins in multiples of one-half and simultaneously an integer, regular spin. Or put the other way, an integer isospin and a half-integer regular spin. That was incomprehensible in such a theory at first, because the operator Psi always creates a half-integer spin, so to speak. If it therefore is applied an odd number of times, it creates a half-integer number for both kinds of spins, and if it is applied an even number of times, it creates an integer number. Now, this problem is associated with another very peculiar problem, which I have also already touched on earlier, that indeed certain ...

Verehrte Anwesende, es ist hier in diesem Kreise in Lindau üblich, dass wissenschaftliche Vorträge gehalten werden, und diese Vorträge sollen auf hohem internationalen Niveau stehen. Leider muss ich Sie in diesen beiden Punkten enttäuschen. Denn das, worüber ich zu berichten habe, ist erstens nicht rein wissenschaftlich und dann eigentlich auch nicht international. Es ist deswegen nicht rein wissenschaftlich, weil es sich um das Zusammenwirken von Wissenschaft und Technik handelt: um die Pläne, die auf dem Gebiet der Atomphysik an dieser Stelle, in Deutschland besprochen worden sind. Und es ist nicht international, weil es sich eben um ein speziell deutsches Problem handelt, denn wir sind in Deutschland in der unangenehmen Lage, dass wir auf einem modernen Gebiet der Technik, eben in der Atomtechnik, weit zurückgeblieben sind durch die Kriegsfolgen, und dass wir jetzt versuchen müssen, das Versäumte allmählich wieder einzuholen. Ich habe eigentlich nur zwei Entschuldigungsgründe, hier über ein solches Thema zu sprechen: Der eine ist, dass hier in diesem Kreise ausländische Chemiker sind, die sehr viel mehr von Atommeilern und Reaktoren verstehen als wir in Deutschland, und denen wir unsere Pläne sozusagen zur Kritik vortragen können; und der andere ist, dass hier im süddeutschen Raum ja viel Interesse für die Frage der Atommeiler gezeigt worden ist und glücklicherweise liegt die Stadt Lindau ziemlich genau gleich weit von München und Karlsruhe entfernt. Das Interesse für Kernreaktoren entspringt heute nicht primär aus der Wissenschaft, sondern primär aus einer wirtschaftlichen Notwendigkeit. Das ist anders als in der Zeit vor zwölf Jahren, wo es noch ein wissenschaftliches Problem war, Reaktoren zu bauen. Aber alle wissenschaftlichen Fragen in dem Zusammenhang sind inzwischen längst gelöst. Die Entwicklung der Atomtechnik im Ausland in den letzten Jahren hat gezeigt, dass man zum Beispiel Kraftwerke auf der Basis der Atomenergie bauen kann. Es ist wahrscheinlich, dass diese Kraftwerke mit den bisher üblichen konkurrenzfähig sind; ganz sicher wird man es erst wissen, wenn diese Kraftwerke in Betrieb sind. Und solche Kraftwerke können und werden wahrscheinlich zu einer großen industriellen Entwicklung in bisher technisch unerschlossenen Gebieten der Erde führen. Denn die neuen Kraftwerke sind den bisherigen in einem entscheidenden Punkt überlegen: Ihr Standort ist nicht an Kohlevorkommen oder Wasserkraft oder andere derartige Energiequellen gebunden, sondern sie können an jeder beliebigen Stelle der Erde aufgestellt werden. Das liegt daran, dass eine Tonne Uran den Energieinhalt von 2,5 Millionen Tonnen Kohle besitzt. Daher spielen Transportkosten für den Brennstoff also überhaupt keine Rolle mehr. Und wie ich schon sagte: Unser Land ist auf diesem neuen Gebiet der Technik um mehr als zehn Jahre hinter dem Ausland zurück, und selbst kleinere, sonst industriell eher schwächere Länder, wie, sagen wir, Norwegen, Schweden oder Holland, sind Deutschland hier überlegen. Wenn nun die deutsche Industrie einen solchen Vorsprung aufholen und als Nachzügler in dieses Gebiet der Technik eintreten will, so muss es sich zuerst über die Ziele klar werden, die es dabei verfolgen will. Dabei kann man an zwei recht verschiedenartige Ziele denken: Man kann nämlich erstens den Bedarf an Atomenergie in Deutschland im Auge haben. Etwa mit der Absicht, bald auftretende Energielücken durch Atomenergie zu schließen oder mit der anderen Absicht, künstlich radioaktive Stoffe in Kernreaktoren in Deutschland zu produzieren. Ich will hier daran erinnern, dass die Beschaffung der für die Industrie notwendigen Energie schon jetzt ein schwieriges Problem ist. Die Kohlevorkommen sind begrenzt, die Wasserkräfte auch. Und es ist schwer, den ständig steigenden Energiebedarf zu decken. Die Erzeugung radioaktiver Stoffe ist ein wichtiges Gebiet der chemischen Industrie, und da die chemische Industrie in Deutschland immer relativ stark war, hat sie naturgemäß auch ein großes Interesse daran, in diesem Gebiet der internationalen Technik teilzunehmen. Wenn man nur solche Ziele vor Augen hat, wie ich sie bisher genannt habe, so würde es fürs Erste genügen, Reaktoren oder sogar Kraftwerke im Ausland zu bestellen und von ausländischen Firmen bei uns aufbauen zu lassen. Den Betrieb würde man hier wohl schnell erlernen. Man kann aber zweitens die Ansicht vertreten, die deutsche Industrie solle sich an der großen industriellen Entwicklung, auch in den anderen Gebieten der Erde, beteiligen, selbst also am Reaktorbau und am Kraftwerkbau teilnehmen und mit der Wirtschaft der übrigen Länder hier im friedlichen Wettbewerb stehen. Wenn man diesen zweiten Weg wählt, so hilft es wenig, Reaktoren im Ausland zu kaufen. Man muss vielmehr lernen, selbst solche Reaktoren und später Kraftwerke zu bauen. Geht man von dieser zweiten Vorstellung aus – und das soll der Ausgangspunkt für die folgenden Überlegungen sein –, so muss der erste Schritt auf dem vorgezeichneten Weg die Errichtung einer Versuchstation sein, in der Technik und Wissenschaft zusammenwirken, um die Methoden der Reaktorentwicklung zu studieren und einzuüben. Nun sind die Pläne zu einer derartigen Versuchstation in den vergangenen Jahren in einem, vom Bundeswirtschaftsministerium zusammengerufenen, Kreise ausführlich durchgesprochen worden und das genaue Studium entsprechender Einrichtungen im Ausland hat etwa zu folgendem Bild geführt: Also bei den Einrichtungen im Ausland denken wir etwa an die englische Station in Harwell oder an die amerikanische Stationen, etwa das Argonne-Laboratorium bei Chicago oder Buchanan bei New York. Eine solche Station enthält zunächst einen oder später vielleicht mehrere Reaktoren, die das eigentliche Versuchsobjekt der Station darstellen. Den Reaktoren gliedern sich wissenschaftliche und technische Institutionen an. Zunächst etwa ein Institut für Neutronenphysik, die die kernphysikalischen Probleme des Reaktorbaus behandeln. Dann ein chemisches Institut, das die im Reaktor bestrahlten Substanzen aufarbeitet, sie für die Weiterverwendung in anderen Versuchen vorbereitet und die Wirkung der Bestrahlung auf die verschiedensten Stoffe, insbesondere auf die Strukturmaterialien und Brennstoffe der Reaktoren, studiert. Natürlich sind das nicht die einzigen Probleme, die hier im Zusammenhang mit dem Reaktorbau auftreten. Etwa Fragen der Wärmeübertragung, Übertragung der Wärmeleiter zum Gebrauch in Maschinen usw. werden gelöst werden müssen. Und man kann auch wieder an andere Gebiete, die der Wissenschaft näherliegen, denken. Also man kann etwa an die Angliederung eines Instituts für Isotopentrennung oder für medizinische Forschung denken. In dem Institut für medizinische Forschung kann man etwa die Benützung von starken radioaktiven Präparaten in der Diagnose oder Therapie studieren. Eine solche Station muss in engstem Kontakt stehen mit der an solchen Problemen interessierten Industrie. Ich sagte ja schon vorher, dass es sich eigentlich nicht mehr um ein wissenschaftliches Problem, sondern eben um technische Probleme handelt. Daher wird es zweckmäßig sein, dass die verschiedenen, an solchen Problemen interessierten Firmen Arbeitsgruppen an die Reaktoren entsenden. Ich erinnere mich an den großen Reaktor in Buchanan, in der Nähe von New York, an dem an einer Reihe von Stellen Neutronenstrahlen aus dem Reaktor herauskommen, die sozusagen an die Industrie vermietet werden, die dann mit diesen Neutronenstrahlen Experimente anstellen. Die Firmen können an der Lösung der beim Reaktorbau auftretenden Probleme durch ihre eigenen Wissenschaftler und Ingenieure mitwirken und sie können umgekehrt ihre Fragen an die Wissenschaftler der Station herantragen, um sie gemeinsam mit ihnen zu lösen. Mit anderen Worten: Die Station muss ein Umschlagplatz für Erfahrungen zwischen Wissenschaft und Technik sein. Das für die Durchführung der Arbeiten verantwortliche Personal der Station setzt sich daher auch aus Wissenschaftlern und Technikern zusammen, wobei die Techniker erheblich in der Überzahl sein werden, die Wissenschaftler aber Stellen hoher Verantwortung einnehmen müssen. Die Leitung der Station, die ja, wie ich schon sagte, die Größe eines wissenschaftlichen Instituts bei Weitem überschreiten wird, sollte nicht wie in einem wissenschaftlichen Institut nur in der Hand von Wissenschaftlern liegen, sondern eher bei einem Direktorium, das sich etwa aus einem Techniker, einem Wissenschaftler und einem Verwaltungsmann zusammensetzt. Und die Federführung könnte durchaus bei der Wirtschaft oder der Verwaltung liegen. Nun, wie sieht es mit der praktischen Bewältigung aus? Da in den letzten Jahren schon viel Zeit verloren worden ist, ohne dass Entscheidungen zur Vorbereitung der friedlichen Atomtechnik getroffen worden wären, so wird man jetzt die Versuchsstation so rasch wie irgend möglich einrichten sollen, und sich daher zunächst auf das unbedingt Notwendige beschränken. Unter dieser Voraussetzung sind von einer, aus Vertretern der Wirtschaft und der Wissenschaft zusammengesetzten, Kommission die folgenden Zahlen für die Kosten der notwendigsten Teile der Station errechnet worden: Der erste Reaktor, der wahrscheinlich aus gewöhnlichem Uran und Graphit als Moderator bestehen soll, wird mit der ganzen Ausrüstung auf etwa 17 Millionen Mark geschätzt. Dazu kommt ein Institut für Reaktor- und Neutronenphysik, das mit seiner Einrichtung ... Das Institut kostet etwa 1,8 Millionen, die Einrichtung 2,2 Millionen. Ein chemisches Institut, das etwas kleiner ist, Verwaltungsgebäude, Werkstätten usw. Wenn man die Station noch mit einem der bisherigen Forschungsinstitute verbindet, das über Erfahrungen in der Reaktorkonstruktion aus früheren Zeiten verfügt, so kommen noch die Kosten für die Verlagerung dieses Instituts hinzu. Bei den Kosten, auf die ich gleich noch einen Moment eingehen werde, fällt insbesondere der hohe Aufwand für den ersten Reaktor auf. Hier liegt die Frage nahe, ob es nicht möglich wäre, mit einem kleineren Reaktor zu beginnen. Zum Beispiel werden von amerikanischen Firmen kleinere Laboratoriumsreaktoren zum Preis von 1,2 bis 2 Millionen Mark geliefert. Hier ist aber zu bedenken, dass der Bau kleiner Reaktoren nur möglich ist, wenn man über Uran verfügt, in dem das seltene Isotop 235 angereichert ist. Oder wenn man größere Mengen schweren Wassers besitzt. Diese beiden Voraussetzungen sind in der Bundesrepublik nicht erfüllt. Zur Produktion von schwerem Wasser würde man, da man dafür ja erst eine Fabrik errichten muss, einige Jahre brauchen. Die Kosten des schweren Wassers wären ebenfalls auch sehr hoch, also man würde im Ganzen wohl nicht viel einsparen können. Angereichertes Uran aber wird man in Deutschland noch für lange Zeit überhaupt nicht gewinnen können, da die Errichtung einer Fabrik dafür noch viel kostspieliger wäre und wohl auch nur in Zusammenarbeit mit anderen europäischen Nationen unternommen werden sollte. Es bliebe also noch der Kauf dieser Substanzen im Ausland. Aber dann müsste erst durch Verhandlungen auf Regierungsebene geklärt werden, ob und unter welchen zusätzlichen Bedingungen schweres Wasser oder angereichertes Uran im Ausland gekauft werden könnte. Man wird also wohl oder übel mit einem Reaktor aus gewöhnlichem Uran beginnen müssen. Davon gibt es eine gewisse Menge in Deutschland und zusätzliche Mengen wird man eventuell leicht im Ausland kaufen können. Und als Moderator muss Graphit oder – wenn die Produktion dafür schnell genug anläuft – dann doch schweres Wasser verwendet werden. Der oben genannte Preis für einen solchen Reaktor, Mindestpreis, ist nun von der energetischen Leistung des Reaktors fast unabhängig. An dieser Stelle ist auch in der Presse gelegentlich manche Verwirrung entstanden. Denn die Preis bestimmende Uranmenge wird durch die sogenannte kritische Größe des Reaktors bestimmt, während die Leistung fast ausschließlich von der Art der verwendeten Kühleinrichtung abhängt, die den Preis nur unwesentlich beeinflusst. Es ist also nicht richtig, zu denken, dass ein Reaktor, der etwa nur 1000 kW liefert, zehnmal kleiner und billiger wäre als ein Reaktor, der 10.000 kW liefert, denn beide brauchen ja dieselbe Mindestmenge von Uran. Es wäre also sinnlos, hier die Leistung auf einen kleinen Bruchteil der leicht erreichbaren Leistung von einigen 1.000 kW zu drosseln, um dann doch nur wenige Prozent der Kosten dabei einzusparen. Man wird also die Kosten nicht wesentlich unter die genannten Zahlen senken können, wenn man eine Station errichten will, die ihren Zweck wirksam erfüllt. Und die Finanzierung dürfte ja wohl zum Teil aus der Wirtschaft, zum Teil aus der öffentlichen Hand erfolgen. Bei dieser Gelegenheit kann ich vielleicht ein paar Worte über den Wert der von amerikanischen Firmen angebotenen Kleinreaktoren sagen. Diese Instrumente haben als Laboratoriumseinrichtungen für Hochschulinstitute oder technische Einrichtungen, technische Institute, zweifellos einen erheblichen Wert, da mit ihnen Versuche mit starken Neutronenstrahlen angestellt und Studenten und Personal im Umgang mit der radioaktiven Strahlung geschult werden können. Vom Standpunkt der Grundlagenforschung aus aber sind sie nicht allzu interessant, da sich das Zentrum der atomphysikalischen Grundlagenforschung ja längst von der Kernphysik weg und auf die Physik der Elementarteilchen zubewegt hat. Und was die technische Problemstellung anbelangt, so kann man also zwar Materialuntersuchungen mit den kleinen Reaktoren anstellen, aber man kann aus der Arbeit mit ihnen die Entwicklung von größeren Reaktoren kaum lernen. Diese so kurz geschilderte Reaktorstation, oder sagen wir, Versuchsstation für Reaktorbau, soll also der deutschen Wirtschaft den Eintritt in die in der übrigen Welt weit entwickelte friedliche Atomtechnik ermöglichen. Wenn die Anfangsschwierigkeiten überwunden sind und die deutsche Wirtschaft auch auf diesem Gebiet den Anschluss an die Wirtschaft der anderen Länder gefunden hat, so werden die technisch entwickelten Reaktoren an den Stellen aufgestellt werden können, an denen sie gebraucht werden. Das ist natürlich in allen Ländern so. Aber man darf sich hier keinen Illusionen hingeben; die Aufstellung dieser selbst entwickelten technischen Reaktoren ist erst möglich, wenn man den Reaktorbau erlernt hat, und dies wird sicher einige Zeit dauern. Es wäre Unsinn, jetzt schon von der Aufstellung von selbst entwickelten Kraftwerken zu träumen. In der letzten Zeit ist oft über den Standort der Station gesprochen worden, und es sind gelegentlich Besorgnisse geäußert worden, auf die ich hier mit ein paar Worten eingehen möchte. Es sei hier zunächst Folgendes festgestellt: Die Errichtung einer derartigen Station in der Nähe einer großen Stadt bedeutet keinerlei Gefährdung für die Bevölkerung oder für die Wirtschaft in der Stadt. Man denkt bei dieser Gefährdung ja an eine mögliche Verseuchung der Luft oder des Grundwassers mit radioaktiven Substanzen. Bei den flüssigen und festen Abfallstoffen ist nun die Sorge völlig unbegründet, denn natürlich denkt niemand daran, sie mit dem Abwasser in die Erde oder in die Flüsse zu leiten. Vielmehr werden die Abfallstoffe nach den im Ausland gesammelten Erfahrungen sorgfältig gespeichert, nach Abschwächung ihrer radioaktiven Strahlung aufgearbeitet und schließlich verpackt und weit von der Küste ins Meer versenkt. Also, an der Stelle ist die Beseitigung der radioaktiven Abfälle kein wirkliches Problem. Schwieriger ist es, die radioaktive Verunreinigung der Luft völlig zu vermeiden. Aber man kann und muss natürlich durch Maßnahmen, die an den viel größeren Reaktoren des Auslands erprobt worden sind, dafür sorgen, dass die Luftradioaktivität schon im Bereich der Station immer so niedrig bleibt, dass es die dort arbeitenden Menschen nicht im geringsten gefährdet. Also es sei in diesem Zusammenhang daran erinnert, dass ja schon die natürliche Luft einen gewissen Gehalt an radioaktiven Stoffen aufweist. Da nun die nächste städtische Siedlung noch einmal zehn bis zwanzig Kilometer von der Station entfernt liegen wird, ist dort natürlich jede Gefährdung ausgeschlossen. Ganz allgemein möchte ich an dieser Stelle noch betonen, dass diese Fragen der radioaktiven Verunreinigung in den letzten zehn Jahren im Ausland so gründlich und umfassend behandelt worden sind, dass wir alle wesentlichen Ergebnisse ohne Bedenken für Deutschland übernehmen können. Sie können sich ja leicht vorstellen, dass im Ausland, wo Reaktoren stehen, die noch 100 oder 1000 Mal größer sind als die, die jetzt in Deutschland geplant sind, dass da diese Probleme noch eine viel größere Rolle spielen und dass daher sehr sorgfältige Untersuchungen im Ausland bereits vorliegen, die wir nur studieren und deren Ergebnisse wir zu übernehmen haben. Die Lösung der Standortfrage wird in Deutschland dadurch erheblich erschwert, dass zwei gute Standorte angeboten worden sind, über die bisher keine Einigung erzielt werden konnte, nämlich München und Karlsruhe. Es war sicher ein schwerer Fehler, dass man nicht schon vor zwei Jahren versucht hat, über die Standortfrage eine Entscheidung herbeizuführen. Denn damals wäre es wahrscheinlich leichter gewesen als jetzt. Es ist in diesem Zusammenhang nun neuerdings sogar der Vorschlag aufgetaucht, die Reaktorstation in zwei Teile zu spalten, um beide Wünsche zu befriedigen. Etwa in der Weise, dass in der einen Station der wissenschaftliche, in der anderen der technische Teil der Arbeit geleistet werden soll. Dieser Vorschlag würde aber den Sinn der Station völlig zerstören, da sie doch gerade die Stelle sein soll, an der Wissenschaft und Technik zusammenarbeiten und sich gegenseitig befruchten sollen. Wenn man also trotzdem aus Gründen anderer Art an irgendeine Teilung denkt, so scheint mir, dass man nur eine nach Sachgebieten in Betracht ziehen könnte. Wenn man hier nun wieder Auslandsstationen als Vorbilder nimmt, so erkennt man, dass es Stationen gibt, in denen zwar Reaktorentwicklung betrieben wird, in denen aber die Aufarbeitung der Uranstäbe, also die sogenannte „heiße Chemie“, nicht selbst vorgenommen wird. Also zum Beispiel in Buchanan, um ein Beispiel zu nennen, wird keine heiße Chemie betrieben, sondern die Uranstäbe werden zur Aufarbeitung an andere Stellen geschickt. Man könnte also allenfalls die Aufarbeitung der Uranstäbe und damit die Gewinnung von Plutonium und eventuell später auch die Anreicherung des Urans 235 mit natürlichem Uran an einer anderen Stelle betreiben, als in der Station für Reaktorbau. Eine solche Einteilung könnte auch von einem anderen Gesichtspunkt aus noch als zweckmäßig erscheinen: In der Station für Reaktorbau soll ja die Industrie in Zusammenarbeit mit der Wissenschaft die Erfahrungen sammeln, die sie befähigen, in den friedlichen Wettbewerb der Atomtechnik in der Welt einzutreten. Dazu ist die erste und unabdingbare Voraussetzung, dass in der Station auf alle Arbeiten verzichtet wird, die auch nur die entfernteste Ähnlichkeit mit Rüstungstechnik haben könnten. Denn nur wenn diese Voraussetzung vollständig und ohne jede Ausnahme erfüllt ist, wird es möglich sein, jedes Misstrauen des Auslandes zu vermeiden und die Station von Bindungen frei zu halten, die dem Wesen dieser Arbeit nicht entsprechen. Und die Erzeugung von Plutonium und die Anreicherung von Uran 235, die gehören zwar auch zur friedlichen Atomtechnik, denn zum Bau von Kraftwerken wird man in vielen Fällen die leicht brennbaren Kernbrennstoffe, also Uran 235 und Plutonium mit verwenden. Aber hier sind die Verfahren zur Erzeugung dieser Stoffe eben doch mit gewissen Teilen der Rüstungstechnik verwandt, das kann nicht geleugnet werden. Solche Probleme wird man also, wenn man sie in Deutschland überhaupt aufgreift, was noch diskutiert werden müsste, am besten in Zusammenarbeit mit anderen europäischen Nationen in Angriff nehmen, um an der Stelle alles Misstrauen von vornherein auszuschalten. Es läge also nahe, wenn man nun schon nach diesen Gesichtspunkten eine Teilung vornehmen will, für diesen Teil der Atomtechnik einen für die Zusammenarbeit günstigen Standort an der deutschen Westgrenze, also etwa bei Karlsruhe zu wählen, während die Versuchsstation für Reaktorbau dann etwa in München stehen könnte. Also das wäre eine Form der Teilung nach Sachgebieten, die sich vielleicht sachlich vertreten ließe. Es muss aber auch an der Stelle betont werden, dass es, abgesehen von den politischen Argumenten, von der Sache her doch wohl besser wäre, jedenfalls zunächst die ganze Arbeit an einer Stelle zu konzentrieren, um die Kräfte nicht unnötig zu zersplittern. Denn das muss immer wieder gesagt werden: Unsere Kräfte auf diesem Gebiet sind einstweilen sehr schwach. Also das gilt ganz unabhängig davon, das möchte ich ausdrücklich sagen, für welchen Standort schließlich optiert werden würde. Diese Frage wird ja wohl in allernächster Zeit entschieden werden, das hoffen wir. Das Wichtigste für die deutsche Wirtschaft ist im Augenblick, dass die Entscheidung so schnell wie möglich gefällt wird, denn wir müssen sozusagen gegen die Zeit, gegen einen großen Zeitverlust in der Vergangenheit kämpfen, also hoffen wir, dass diese Entscheidung so schnell wie möglich gefällt und zur Vermeidung jedes Misstrauens auch die Öffentlichkeit über die Entscheidung und ihre Begründung so schnell wie möglich informiert wird. Denn dann nur kann mit der Arbeit wirklich begonnen werden. Damit möchte ich diesen Kurzbericht schließen; ich habe ihn etwas kürzer gehalten, als ich vorhatte, aber wir wollen ja noch über die anderen Vorträge diskutieren, und da mag also diese kurze Übersicht genügen.

Werner Heisenberg (1959)

Report on Recent Findings regarding a Unified Field Theory of Elementary Particles (German Presentation)

Werner Heisenberg (1959)

Report on Recent Findings regarding a Unified Field Theory of Elementary Particles (German Presentation)

Comment

From the beginning of the 1950's, Werner Heisenberg was occupied with what one could call "the new problem of elementary particles". This problem arose when large amounts of unknown and short-lived particles were found in the cosmic radiation and in high-energy accelerators. Eventually, as a result of the discoveries and inventions of many scientists, several of which became Nobel Laureates, we have today what is called the Standard Model of particles and forces. This theory explains almost everything about the plethora of particles that are produced by the cosmic radiation and in large accelerators. But the road to this goal has left quite a number of fascinating ideas behind, including some ideas of two of the most frequent early Lindau participants, Werner Heisenberg and Paul Dirac. As young men, these two physicists not only shared the night train from Copenhagen to Stockholm in 1933, arriving (un-married and instead accompanied by their mothers) on December 9 to pick up their respective Nobel Prizes. They also refused to miss any Lindau physics meeting as long as their health allowed. Dirac (1902-84) managed to lecture at 10 meetings, the first one in 1953 and the last one in 1982. Heisenberg (1901-76) lectured at 7 meetings in physics and 1 in chemistry, his first lecture in 1953 and his last in 1971. What also bound them together was the choice of subjects for their lectures. Both of them freely shared their latest bright ideas with the young researchers and students at the meetings. Some of these ideas have survived and some have been left behind. The latter category includes, e.g., Dirac's so-called Large Number Hypothesis described in his lecture of 1979. It also includes, e.g., Heisenberg's 1959 lecture on a unified theory of elementary particles, the present one. This does not mean that the lectures are less interesting. On the contrary, they act as time machines and give us fascinating glimpses of the research frontiers at the time of the respective meetings! In his introduction, Heisenberg pays respect to a colleague theoretical physicist and Nobel Laureate, the then newly deceased Wolfgang Pauli (1900-1958). Pauli, whose personality was very different from both Heisenberg's and Dirac's, only participated in the1956 Lindau meeting and gave no lecture. But for some time before he passed away, Pauli collaborated with Heisenberg on the theory that is described in the present lecture. Heisenberg delivers his lecture in a very energetic way and it is received by the audience with a very energetic applause. It is quite interesting to note that the quality of the tape recording is so good that we are even allowed to hear the crayon that Heisenberg is using to write his mathematical expressions on a black (or green?) table!

Anders Bárány

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