Heisenbergs Unschärferelation ließ sich auch anders deuten: beobachten heißt stören. Bis zur Entdeckung dieses Prinzips hatte man angenommen, daß das außerhalb des Subjekts befindliche Universum völlig unabhängig vom jeweiligen Beobachter existierte. Ein Universum, das von dem Beobachter abhängt, der Messungen vornimmt, ist aus physikalischen wie aus philosophischen Gründen beunruhigend. Nach 2000 Jahren standen die modernen Physiker vor demselben Dilemma wie die frühen Griechen. Es war die alte Geschichte von Zeno und dem Pfeil. In welcher Weise bewegte sich der Pfeil? Kontinuierlich sagten die einen, ohne Hilfe durch den Beobachter. In Sprüngen, sagten die anderen, mit einer geringfügigen und unvermeidlichen Hilfe durch den Beobachter.
Heisenbergs Unschärferelation ließ sich auch anders deuten: beobachten heißt stören. Bis zur Entdeckung dieses Prinzips hatte man angenommen, daß das außerhalb des Subjekts befindliche Universum völlig unabhängig vom jeweiligen Beobachter existierte. Ein Universum, das von dem Beobachter abhängt, der Messungen vornimmt, ist aus physikalischen wie aus philosophischen Gründen beunruhigend. Nach 2000 Jahren standen die modernen Physiker vor demselben Dilemma wie die frühen Griechen. Es war die alte Geschichte von Zeno und dem Pfeil. In welcher Weise bewegte sich der Pfeil? Kontinuierlich sagten die einen, ohne Hilfe durch den Beobachter. In Sprüngen, sagten die anderen, mit einer geringfügigen und unvermeidlichen Hilfe durch den Beobachter.
Einstein hatte sich zunächst durch Bohrs Nachweis geschlagen geben müssen, daß ein kontinuierliches, mechanisches Bild der physikalischen Wirklichkeit aufgrund von Heisenbergs Unschärferela-tion unmöglich war. Nach diesem Prinzip ließen sich Lage und Impuls eines bewegten Objekts im Universum niemals zugleich präzis bestimmen. Dennoch gab Einstein nie endgültig auf. Während der Jahre nach Bohrs Formulierung des Komplementaritätsprinzips, das besagte, daß sich unsere Vorstellung vom Universum aus komplementären und widersprüchlichen Bildern der Wirklichkeit zusammensetzen muß, versuchte Einstein den Beweis dafür zu erbringen, daß die Sätze der Quantenmechanik in dieser Sache nicht das letzte Wort hatten.
In einer vollständigen Theorie gibt es zu jedem Element der Realität stets ein entsprechendes Element. Eine hinreichende Bedingung für die Realität einer physikalischen Größe ist die Möglichkeit, sie mit Sicherheit vorherzusagen, ohne das System zu stören. In der Quantenmechanik schließt im Falle von zwei physikalischen Größen, die durch nicht-kommutierende Operatoren beschrieben werden, das Wissen von der einen das Wissen von der anderen aus. Dann ist entweder (1) die Beschreibung der Realität, die durch die Wellenfunktion in der Quantenmechanik gegeben wird, nicht vollständig oder (2) diesen beiden Größen kann nicht gleichzeitig Realität zukommen. Die Betrachtung des Problems, Vorhersagen bezüglich eines Systems auf der Grundlage von Messungen zu machen, die an einem anderen System, das zuvor mit dem ersteren in Wechselwirkung stand, ausgeführt wurden, führen auf das Ergebnis, daß wenn (1) falsch ist, dann auch (2) falsch ist. Man wird so zu dem Schluß geführt, daß die Beschreibung der Realität, wie sie von der Wellenfunktion geleistet wird, nicht vollständig ist.
Kurzlich hat Louis de Broglie, ein Mitbegrunder der modernen Physik, die durch gewisse neuere Arbeiten von Bohr u. A. hervorgerufene Lage in der Beurteilung des Komplementaritatsbegriffes einer enneuten Priifung unterzogen und sieht sich dadurch auf Moglichkeiten gefuhrt, die im Gegensatz zur bisherigen Entwicklung, insbesondere auch zur Einstellung des Schopfers des Komplementaritatsbegriffes, Niels Bohr, stehen, den er gelegentlich den ,,Rembrandt der Physik" nennt, weil ihm das ,,clair-obscur" seiner Entwicklungen bedenklich erscheintalles selbstredend, ohne die grandiose Leistung des danischen Forschers zu verkennenl).Vielleicht sind zwei Grunde hieran beteiligt: Einmal ist der franzosische wisscnschaftliche Geist, zu dessen groBen Vertretern de Broglie zu rechnen ist, von jeher an begrifflich klarem Denken orientiert, wie schon die klassischen franzosischen Physiker: Lagrange, Laplace, Arago, Amp&e, Fresnel u.A,, beweisen; ferner ist aber die Problematik der Komplementaritat, wie die vieler anderer Begriffe von hochster Allgemeinheit, von der Art, daB auch die Philosophie daran ein berechtigtes Interesse nimmt.Die Einstellung Einsteins, auf den de Broglie Bezug nimmt, hat ja in der Tat gezeigt, daR die heutige Physik in zwei nach ihren Intentionen getrennte Lager zerfallt, deren eines sich an der allgemeinen Relativitatstheorie orientiert, wahrend das andere die quantenmechanische Einstellung bevorzugt.Das erste, dessen Fuhrer bis zu seinem Tode Einstein selbst gewesen ist, hat die strenge Logik der Grundeinstel- lung fur sich; es darf aber nicht verkannt werden, daR auch ihr ein grundsatzlich philosophischer Zug anhaftet.Bei Einsteins gegensatzlicher Einstellung zu Niels Bohrs Physik geht es geradezu um den Relativitatsbegriff der Physik, wie v .Weizsacker in seiner Arbeit ,,Einstein und Bohr" in klarster Formulierung herausgearbeitet hat2).Jenen philosophischen Grundzug der Relativitatstheorie hat Einstein selbst bekannt.An der Spitze der a11cenieinen Theorie steht ein Satz von philosophischer Allgeneinheit: In der Tat, wenn Bewegung etwas Reelles ist, wenn nur von Bewegung der Korper zueinander gesprochen werden kann, ist die Folgerung, daB Naturgesetze invariant gegenuber allen Koordinatentransformationen sein mussen, eine denknotwendige.Andererseits hat sich gezeigt, daR die philosophische Einstellung der fuhrenden Physiker im allgemeinen weitgehend ,,ihre eigene Erfindung" ist.Das muR zur Folge haben, daB sich der Philosophie gegenuber ein gewisses MiBtrauen einstellt.Die Komplementaritat in der von Bohr und Heisenberg vertretenen Form laBt eine Abhangigkeit vom beobachtenden Subjekt erkennen, insofern es vom Experiment abhangt, ob ein Elementarteilchen einen bestimmten Ort oder einen bestimmten Impuls hat.Dieses in den Unbestimmtheitsrelationen begrundete Verhaltnis ist die Grundlage der Quantenmechanik, wird aber von Einstein bekanntlich abgelehnt.Einstein erwartete eine kunftige Physik, die den Begriff einer an 1 ) 2)
Wir wissen heute — was griechische Philosophen vorausgeahnt haben —, daß die Materie, so, wie sie greifbar und sichtbar vor uns liegt, sich zusammensetzt aus ungeheuer vielen unsichtbaren kleinen Körperchen, Atome genannt. Unser diesbezügliches Wissen ist keineswegs alt — obwohl die von den Griechen übernommene Atomvorstellung seit Anbeginn der abendländischen Naturwissenschaft als anschaulicher Leitgedanke der naturwissenschaftlichen Forschung und naturwissenschaftlichen Vorstellungsbildung eine ganz entscheidende Rolle gespielt hat. Aber erst in unserem Jahrhundert ist das, was bis dahin Vermutung, Spekulation oder der Entwicklung vorauseilende Phantasie gewesen war, zum Rang einer durch unmittelbare experimentelle Beweise erhärteten festbegründeten wissenschaftlichen Erkenntnis erhoben worden. Man kann deshalb sagen, daß unser Jahrhundert für die Physik geradezu das Jahrhundert der Atomforschung ist; und eine Darstellung des Gedankeninhalts der modernen Physik hat vor allem von dieser Erfassung und Erforschung der Atome zu berichten.
Der Tod WOLFGANG PAULIS hat unter uns eine Lücke gerissen, die niemand ausfüllen kann.Wenn ich auf die Bitte der Herausgeber hier einige Erinnerungen an ihn aufschreibe, so möchte ich nicht in erster Linie über seine größeren wissenschaftlichen Arbeiten sprechen; sie sind ein Denkmal, das er sich in unser aller Bewußtsein gesetzt hat.Auch und gerade den Jüngeren unter uns sind sie wohlbekannt, und sie werden dauern.Vielleicht darf ich versuchen, stattdessen etwas von der unvergleichlichen und so schwer zu fassenden Person aufzuzeichnen, die wir nun nicht mehr unter uns sehen werden.Wer gegen Ende der Zwanziger jähre theoretische Physik zu studieren begann, für den bedeutete der Autorenname W. PAULI JR., dessen Träger damals etwa 30 Jahre alt war, schon so etwas wie einen Klassiker.PAULIS Enzyklopädie-Artikel über die Relativitätstheorie, den er auf Anregung seines Lehrers SOMMERFELD schon als Student, angeblich im zweiten Semester, geschrieben hatte, ist bis zum heutigen Tag in seiner Klarheit und Präzision wohl nicht übertroffen.PAULIS eigene Forschung galt fast ausschließlich der Atomphysik.Er gehörte mit HEISENBERG, DIRAC, FERMI und JORDAN ZU jener erstaunlichen Generation von "jungen Quantentheoretikern", die um 1925 im Durchschnittsalter von 25 Jahren der Quantenmechanik die endgültige Form gaben.Sie stammten aus den Schulen von München, Göttingen und Cambridge; ihr Mittelpunkt war NIELS BOHRS Institut in Kopenhagen.PAULIS bekanntester eigener Beitrag wurde das Ausschließungsprinzip (1924).In ihm zeigt sich schon eine eigentümliche Stärke des PAULischen Denkens, das Interesse für die genaue Abzählung bestehender Möglichkeiten, für Faktoren 2 und für Vorzeichen, die man nach seinem eigenen Wort nicht wissen kann, sondern rechnen muß.In seinem Artikel über Quantentheorie in der 1. Auflage des Blauen Handbuches (1925) vollbrachte er das Kunstwerk, unmittelbar vor der Auffindung der Quantenmechanik, also mit scheinbar noch unzureichenden Hilfsmitteln, praktisch jede physikalische Frage richtig zu beantworten.Von seinem entsprechenden Artikel in der 2. Auflage (1933) soll er gesagt haben, so gut wie der erste werde er nicht, aber immer noch der beste Artikel über dieses Gebiet.Jedenfalls hat man ihn vor wenigen Jahren mit nur geringen Kürzungen und wohl ohne Änderungen nachdrucken können.
Gibt es das Leere oder gibt es das Leere nicht? Diese Frage hat Wissenschaftler und Philosophen seit der Antike umgetrieben. Während etwa Demokrit behauptete, dass es nur Atome und den leeren Raum gebe, haben einflussreiche Gelehrte, vor allem Aristoteles, das Dogma des horror vacui verkündet, die Scheu der Natur vor der Leere. Es ist nicht erstaunlich, dass diese Frage im 17. Jahrhundert an Dringlichkeit gewann, hat man damals doch damit begonnen, solche Fragen experimentell zu entscheiden. Wie Klaus Liebers in diesem Heft diskutiert, sind nach den ersten Experimenten von Evangelista Torricelli vor allem die Untersuchungen von Blaise Pascal von Bedeutung. Wir wissen natürlich, dass auch in den Experimenten Torricellis und Pascals der Raum nicht völlig leer ist, da noch immer einige Flüssigkeits- oder Gasmoleküle vorhanden sind. Die interessante Frage ist, ob sich der Raum zumindest im Prinzip leeren lässt. In der Technik spricht man von einem Hochvakuum, wenn der Druck der verbleibenden Moleküle unter etwa 10−7 Hektopascal fällt, was mit dem Atmosphärendruck unter Normalbedingungen von etwas über 1013 Hektopascal zu vergleichen ist. Im interplanetaren Raum hat man weniger als 10−18 Hektopascal. Hier kommt ganz entscheidend die Quantentheorie ins Spiel. Als Vakuum bezeichnet man dort üblicherweise den Grundzustand des Hamilton-Operators, also den Zustand niedrigster Energie. Bei der Berechnung dieser Energie hat man mit mathematischen Schwierigkeiten zu kämpfen, da sich für diese Energie zunächst der unsinnige Wert unendlich ergibt. Das hat mit den Nullpunktschwankungen zu tun, die wegen Heisenbergs Unbestimmtheitsrelationen unvermeidbar sind. Das Problem lässt sich (zunächst) lösen, indem man nur die endlichen Differenzen zur Grundzustandsenergie betrachtet und letztere willkürlich auf null setzt. Überraschungen lassen nicht lange auf sich warten. So erkannte der niederländische Physiker Hendrik Casimir schon 1948, dass das Einbringen zweier paralleler Platten im leeren Raum dazu führt, dass diese sich anziehen, was einer negativen Grundzustandsenergie entspricht. Experimentell ist dieser Casimir-Effekt wohletabliert. Er zeigt, dass das Vakuum recht ungewöhnliche Eigenschaften hat. Die Überraschungen verstärken sich noch, wenn man einen Beobachter betrachtet, der sich mit gleichförmiger Beschleunigung a durch das Vakuum bewegt. Wie der kanadische Physiker William Unruh 1976 feststellte, sieht dieser Beobachter keinen leeren Raum, sondern nimmt einen thermischen Zustand mit der Temperatur ħa/2πkBc wahr. Hierin bedeuten ħ das Wirkungsquantum, kB die Boltzmann-Konstante und c die Lichtgeschwindigkeit. Grund dafür ist die verschränkte Natur des Grundzustands, die sich bei gleichförmiger Beschleunigung thermisch äußert. Obwohl dieser Unruh-Effekt experimentell noch nicht etabliert ist, wird er allgemein akzeptiert. Wir verdanken unsere Existenz dem Vakuum Eng verwandt damit ist ein nach dem britischen Physiker Stephen Hawking bezeichneter Effekt. Wie Hawking 1974 theoretisch herausfand, strahlen Schwarze Löcher mit einer Temperatur ħκ/2πkBc, wobei κ die Oberflächenbeschleunigung des Schwarzen Loches ist. Auch nach diesem Effekt wird experimentell gefahndet. Während in der Quantenfeldtheorie nur die Differenzen zur Grundzustandsenergie messbar sind, ist für die Gravitation tatsächlich die absolute Energie von Bedeutung, da jeder Energie nach E = mc2 eine Masse zugeordnet ist, die ein Gravitationsfeld erzeugt. So sollte etwa der Grundzustand des mit dem Higgs-Teilchen verknüpften Feldes ein beträchtliches Gravitationsfeld erzeugen, von dem aber nichts zu spüren ist. Zu spüren ist aber eine im Vakuum vorhandene, viel kleinere Energie, die als Kosmologische Konstante oder Dunkle Energie zu einer beschleunigten Expansion des Universums führt. Der Ursprung dieser Vakuumenergie ist bisher nicht geklärt. Nach den gängigen Vorstellungen der Kosmologie lassen sich die Strukturen im Universum, Galaxien und Galaxienhaufen, auf die Nullpunktschwankungen von Feldern im frühen Universum zurückführen, die durch eine äußerst schnelle Expansion (inflationäre Phase) quasi zum Leben erweckt werden. So verdanken auch wir unsere Existenz dem Vakuum, vor dem die Natur keine Scheu hat. Claus Kiefer ist Professor für theoretische Physik an der Universität zu Köln, wo er sich vornehmlich der Quanten- und Gravitationsphysik widmet.