2. Studien- und Wanderjahre (1920 – 1925)

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Nach einem hervorragenden Abitur, das ihm die Aufnahme in die angesehene Maximilians-Stiftung – die hochbegabten Jungen in Bayern ein freies Studium ermöglichte – brachte, schrieb sich Heisenberg im Wintersemester 1920/21 an der Universität München ein. Zunächst wollte er reine Mathematik studieren, aber nach einem unerfreulich verlaufenen Treffen mit dem berühmten Mathematiker Ferdinand von Lindemann wandte er sich der theoretischen Physik zu. Arnold Sommerfeld, der ausgezeichnete Vertreter dieses Faches in München, erkannte sofort das große Talent Heisenbergs und nahm ihn in sein Seminar auf, dem eigentlich nur fortgeschrittene Studenten und fertige Doktoren angehörten. In Sommerfelds Seminar waren zu dieser Zeit u. a. Gregor Wentzel und Wolfgang Pauli, etwas später kamen Otto Laporte und Karl Bechert hinzu.

Während seines dreijährigen Universitätsstudiums hörte Heisenberg Sommerfelds Vorlesungen über alle Gebiete der theoretischen Physik, auch über Quanten- und Relativitätstheorie, daneben Spezialkurse bei Karl Herzfeld. Die experimentellen Vorlesungen Wilhelm Wiens und das physikalische Praktikum interessierten ihn recht wenig. Als Nebenfach wählte er Mathematik und besuchte Vorlesungen bei von Lindemann, Alfred Pringsheim, Artur Rosenthal und Aurel Voss. Für das zweite Nebenfach Astronomie hörte er bei Hugo von Seeliger.

In Sommerfelds Seminar las und studierte Heisenberg die neueste physikalische Literatur; mit Sommerfeld und einer Gruppe hervorragender Mitstudenten besprach er intensiv die aktuellsten Fragestellungen in der theoretischen Physik. Unter Sommerfelds Anleitung beschäftigte er sich besonders mit der Atomtheorie, die damals als schwerstes und abstraktestes physikalisches Gebiet überhaupt galt und daher die besten und eifrigsten jungen Theoretiker anzog. Bereits in seinem ersten Studiensemester analysierte Heisenberg den anomalen Zeemaneffekt von Spektrallinien auf Grund quantentheoretischer Vorstellungen; ein Jahr später konnte er die Ergebnisse dieser Arbeit in seiner ersten Veröffentlichung (eingereicht im November 1921) verwenden. Gleichzeitig arbeitete er über klassische Hydrodynamik, über Probleme aus diesem Gebiet schrieb er seinen zweiten wissenschaftlichen Aufsatz (über Kármánsche Wirbelstraßen, eingereicht im Juli 1922), hielt sein erstes Referat auf der Innsbrucker Konferenz im September 1922 und verfaßte seine Doktorarbeit.

Im Juni 1922 nahm Sommerfeld seinen Lieblingsschüler nach Göttingen mit zu den Vorlesungen, die Niels Bohr dort über Quantentheorie und Atomstruktur hielt (sogenannte „Bohr-Festspiele”, 12. bis 22. Juni). In Göttingen begegnete Heisenberg den führenden Vertretern der Atomphysik in Deutschland und Europa, unter ihnen Max Born, Paul Ehrenfest, James Franck, Hendrik Anthony Kramers und Alfred Lande. Bohr und Born wurden auf den Neuling aufmerksam. Als Sommerfeld während des Wintersemesters 1922/23 eine Gastprofessur an der Universität von Wisconsin in Madison annahm, lud Born Heisenberg als seinen persönlichen Assistenten nach Göttingen ein (November 1922 – März 1923). In Göttingen lernte Heisenberg besonders die strengen mathematischen Methoden der Hilbertschen Schule kennen und arbeitete mit Born über das Vielkörperproblem in der Atomtheorie, vorzüglich über die Energiezustände des Heliumatoms.

Während des Sommersemesters 1923 schloß Heisenberg seine Doktorarbeit in München ab. Er behandelte in ihr das Problem der Entstehung der Turbulenz, welches vorher allen Bemühungen der Mathematiker und Physiker getrotzt hatte. Während Sommerfeld mit den Ergebnissen und den mathematischen Methoden Heisenbergs sehr zufrieden war, wollte Wilhelm Wien den Kandidaten wegen seiner schwachen Kenntnisse in der Experimentalphysik durch die mündliche Doktorprüfung (am 23. Juli 1923) fallen lassen. Heisenberg erhielt seinen Doktortitel daher nur mit dem Prädikat ,cum laude', nicht aber mit einer der besseren Noten ,magna' oder ,summa cum laude'.

Im Oktober 1923 wurde Heisenberg Borns Assistent an der Universität Göttingen, unterstützt u. a. durch Stipendien der Rockefeller Foundation und der Notgemeinschaft der Deutschen Wissenschaft. Er setzte zunächst die Zusammenarbeit mit Born über Atom- und Molekülmodelle fort. Mit einer Abänderung der Bohr-Sommerfeldschen Quantenbedingungen gelangte er zu einigen Fortschritten in der Erklärung des anomalen Zeemaneffektes. Am 28. Juli 1924 habilitierte er sich mit diesen Ergebnissen an der Universität Göttingen und wurde so, erst 22 Jahre alt, Privatdozent und Universitätslehrer.

Im Frühjahr 1924 (15. März bis Anfang April) besuchte Heisenberg erstmals Bohrs Institut in Kopenhagen. Mitte September kehrte er mit einem Stipendium des Intenational Education Board dorthin zurück und blieb bis Anfang April 1925; im Sommersemester hielt er Vorlesungen in Göttingen (über Magneto-Optik) und verbrachte noch einmal im Herbst 1925 (September bis Oktober) einen Monat bei Bohr. Im Kopenhagener Institut lernte Heisenberg talentierte junge Physiker aus vielen Nationen kennen, darunter den Dänen Christian Møller, den Norweger Svein Rosseland, den Holländer Gerhard H. Dieke, den Engländer Ralph Fowler und die Amerikaner Ralph de Laer Kronig und David Dennison. Er erlernte Dänisch und Englisch und arbeitete intensiv mit Bohr und dessen engstem Vertrauten, Hendrik Kramers, über die schwierigsten Probleme der Atomtheorie. So entstand seine Arbeit über Resonanzfluoreszenz (eingereicht im November 1924), eine gemeinsame Untersuchung mit Kramers über die Streuung von Licht an Atomen (Dezember 1924) und schließlich eine neue Veröffentlichung über die Komplexstruktur der Spektren und ihrer Zeemaneffekte (eingereicht im April 1925).

In seinen Lehr- und Wanderjahren hatte Heisenberg in München bei Sommerfeld und in Göttingen bei Born eine sorgfältige Ausbildung auf allen Gebieten der theoretischen Physik erhalten, während er sich gleichzeitig in die Hauptprobleme der Atom- und Quantentheorie einarbeitete. Bei Niels Bohr in Kopenhagen vertiefte er hauptsächlich sein Verständnis der physikalischen Grundlagen der Quantenphysik. Wie sein Freund Pauli am 27. Juli1925 an Kramers schrieb, hatte Heisenberg „bei Bohr ein bißchen das philosophische Denken gelernt” und hatte sich „vom rein Formalen doch merklich abgewandt”. Heisenberg selbst hat später die Einflüsse seiner Lehrer so zusammengefaßt: „Bei Sommerfeld hab' ich den Optimismus gelernt, bei den Göttingern die Mathematik und bei Bohr die Physik.”