Die Quantenmechanik ist die grundlegende physikalische Theorie der atomaren und subatomaren Welt. Sie enthält die dem Theoretiker zur Verfügung stehenden Grundregeln, auf die er zurückgreift, wenn er in einem Industrielabor den elektrischen Widerstand eines zu bauenden neuen Halbleiters berechnet oder wenn er die Masse eines in einem Teilchenbeschleuniger zu erzeugenden Teilchens bestimmt. Diese Regeln wurden 1925–1926 in einem deutschsprechendem wissenschaftlichen Umfeld aufgefunden und in intensiver wissenschaftlicher Tätigeit in den folgenden Jahren ausgearbeitet, ebenfalls mit dem Zentrum in Deutschland. Natürlich lag Niels Bohrs Institut in Kopenhagen, und P. A. M. Dirac war ein junger englischer Forschungsstudent der Universität Cambridge, der sich unter den frühesten und allerwichtigsten Mitwirkenden befand. In weitaus überwiegendem Maße wurde die Quantenmechanik aber von Deutschen und Österreichern geschaffen. Als ein Erzeugnis Deutschlands muß sie folglich geeigneterweise auch im Zusammenhang mit der deutschen Kultur betrachtet werden.
Die Quantenmechanik ist die grundlegende physikalische Theorie der atomaren und subatomaren Welt. Sie enthält die dem Theoretiker zur Verfügung stehenden Grundregeln, auf die er zurückgreift, wenn er in einem Industrielabor den elektrischen Widerstand eines zu bauenden neuen Halbleiters berechnet oder wenn er die Masse eines in einem Teilchenbeschleuniger zu erzeugenden Teilchens bestimmt. Diese Regeln wurden 1925–1926 in einem deutschsprechendem wissenschaftlichen Umfeld aufgefunden und in intensiver wissenschaftlicher Tätigeit in den folgenden Jahren ausgearbeitet, ebenfalls mit dem Zentrum in Deutschland. Natürlich lag Niels Bohrs Institut in Kopenhagen, und P. A. M. Dirac war ein junger englischer Forschungsstudent der Universität Cambridge, der sich unter den frühesten und allerwichtigsten Mitwirkenden befand. In weitaus überwiegendem Maße wurde die Quantenmechanik aber von Deutschen und Österreichern geschaffen. Als ein Erzeugnis Deutschlands muß sie folglich geeigneterweise auch im Zusammenhang mit der deutschen Kultur betrachtet werden.
Die Quantenmechanik ist eine der wichtigsten Theorien der modernen Physik.Mit ihr lassen sich nicht nur grundlegende Phänomene wie z.B. das Emissionsspektrum von Atomen oder die Stabilität von Materie erklären, sondern sie steckt auch in vielen technischen Anwendungen vom MP3-Player bis zum Tunnelmikroskop, und in Zukunft werden wir vermutlich Technologien wie Quantenkryptographie oder Quantencomputer mit großer Selbstverständlichkeit einsetzen.Die Kenntnis der Quantenmechanik ist daher nicht nur ein Schlüssel für das Verständnis unserer Welt, sondern unabdingbar für die Entwicklung moderner Technologien.Folgerichtig wird die Quantenmechanik heute oft schon in der Schule gelehrt; in jedem Fall jedoch an Universitäten, wo sie in den meisten Naturwissenschaften und auch in vielen Ingenieurwissenschaften zum Curriculum gehört.Eine große Hürde bei der Vermittlung und damit auch auf dem Weg zum Verständnis der Quantenmechanik ist nun nicht, wie man etwa vermuten könnte, die Mathematik, auch wenn diese an der einen oder anderen Stelle sicherlich einige Herausforderungen beinhaltet, sondern die Sprache.Der Grund dafür liegt darin, dass Sprache kein gegebenes Konstrukt ist, welches unabhängig vom Menschen und dessen Wissen über die Welt existiert, sondern sich vielmehr im Laufe der Menschheitsgeschichte durch die Auseinandersetzung des Menschen mit seiner Umwelt entwickelt hat.Sprache ist damit auch immer ein Abbild der Welt, so wie sie der Mensch wahrnimmt.Und dass diese Wahrnehmung gelegentlich trügt, wissen wir spätestens seit Einstein, der uns gezeigt hat, dass unsere Vorstellung von Raum und Zeit nicht der physikalischen Wirklichkeit entspricht.Die Quantenmechanik führt uns nun, mehr noch als die Relativitätstheorie, weg von den uns vertrauten Vorstellungen von der physikalischen Wirklichkeit.Damit verliert aber auch die Sprache ihre Legitimation als ein Werkzeug zur Beschreibung der Quantenmechanik.Streng genommen verbleibt als einzig legitimer Zugang zur Quantenmechanik daher die Mathematik.Mit ihr lassen sich, aufbauend auf einer Handvoll Axiome, alle Gesetze der Quantenmechanik ableiten und damit alle physikalischen Beobachtungen korrekt und widerspruchsfrei beschreiben.Allerdings sind diese Axiome, im Gegensatz zu z.B. denen der Newton'schen Mechanik, alles andere als unmittelbar einsichtig.Um daher auch solchen Leserinnen und Lesern den Zugang zur Quantenmechanik zu ermöglichen, welche die Quantenmechanik nicht als Teildisziplin der Mathematik oder der theoretischen Physik betreiben wollen, werden wir in diesem Buch trotz aller Gefahren den Weg der Sprache und der Bilder beschreiten.Dabei gehen wir von wenigen einfachen Schlüsselexperimenten aus, mit denen sich die Grundgleichungen der Quantenmechanik anschaulich begründen lassen.Im Gegensatz zu vielen anderen Lehrbüchern greifen wir jedoch nicht auf das berühmte Doppelspaltexperiment mit Elektronen oder das Experiment von Stern-Gerlach zurück, sondern wir arbeiten in den ersten Kapiteln ausschließlich mit einem Interferometer und Polarisationsfiltern
I. Einleitung Seit 25 Jahren hat die Quantenphysik und insbesondere ihre charakteristischste Form, die Wellenmechanik, von Seiten der groBen Mehrzahl der Physiker eine rein statistische Auslegung erhalten, die in der Welt der atomaren Bereiche klare und prazise Bilder im Rahmen von Raum und Zeit ausschloD, wie sie bis dahin, zusammen mit dem durch sie bedingten Determinismus, in der Wissenschaft iiblich gewesen waren.Diese rein statistische Auslegung, verknupft mit den Namen von B o r n, B o h r und H e i s e n b e r g, ist sehr eigenartig und fuhrt ganzlich neuartige Auffassungen uber Kausalitat, Unbestimmtheit, Ununterscheidbarkeit von Partikeln, Natur der Wahrscheinlicbkeitsgesetze usw. in die Physik ein.Der Verf.ist seit 1928 uneingeschrankter Anhanger der statistischen Auslegung der Wellenmechanik gewesen und hat sie oftmals nach besten Kraften in seinen Vorlesungen und Buchern dargelegt.Diese Auslegung entsprach indessen nicht seinen anfanglichen Vorstellungen.Vielmehr hatte erin den Jahren 1924 bis 1927, die unmittelbar auf die Entdeckung der Wellenmechanik folgteneine andere Deutung vorgeschlagen, die mehr den herkommlichen Ideen der Theoretischen Physik entsprach.Aber entmutigt durch die Schwierigkeiten, welche die Entwicklung dieser Auffassung rnit sich brachte, und durch den geringen Anklang, welchen sie von Seiten der anderen Theoretiker fand, hat er sie aufgegeben.Neuere Arbeiten verschiedener Theoretiker gehen in der Richtung,' Gedankengange aufzunehmen, welche den vom Verfasser vor 25 Jahren ge-auDerten ahnlich sind und diese in mehrfacher Hinsicht vertiefen.Sie haben in manchen Kreisen sehr starkes Interesse gefunden, besonders unter den Wissenschaftlern Frankreichs rnit seiner Vorliebe fur die Pflege kartesischer Klarheit.In erneuten Betrachtungen der Frage und in Zusammenarbeit mit einem der jungen Theoretiker vom Institut Henri Poincar6, J. P. V i g i e r, dessen Arbeiten neue und originelle Gesichtspunkte geliefert haben, hat der Verf.seit einiger Zeit eine erneute Priifung seiner Konzeptionen von 1927 aufgenommen.Obwohl noch schwerere Einwande und Schwierigkeiten zu iiberwinden bleiben und es auch noch nicht moglich ist, diesen Versuchen endgiiltigen Erfolg vorherzusagen, so hat doch diese neuerliche Priifung einige ermutigende Ergebnisse gebracht und verdient es sicherlich, fortgesetzt zu werden . . .Die Neuauslegung der Wellenmechanik im angedeuteten Sinne wird, auch wenn schlieBlich erfolgreich, fortgesetzter Anstrengungen bedurfen, welche der folgende Bericht nur schwach andeuten kann.Sie diirfte auI3erdem noch wahrend einer langen Zeit auf die Gegnerschaft zahlreicher und *) Professor d e B r o g l i e hat unter dem obigen Titel eine Zusammenstellung seiner Llteren und neueren Arbeiten zum Thema der Deutung der Quantenphysik veraffentlicht (Gauthier-Villars, Paris 1953).Aus dem Vorwort und dem einleitenden Bericht dieses Werkes bringen wir mit der freundlichen Erlaubnis des Verfassers und der Verleger den vorliegenden von Prof. M. R e n n i n g e r (Mazburg) Clbersetzten Auszug.Der tTbersetzer Verweist gleichzeitig auf einen von W m Im Erscheinen begriffenen Aufsatz zu demse1,ben Thema.(Z.
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.
Von Lothar von Straufl und Torneu, Jena II.Der durch die Quantenmechanik veranderte Standpunkt *)In den letzten Jahrzehnten des 19.Jahrhunderts trat mit der Entdeckung der neuen Strahlenarten, Kathoden-und Rontgen-Strahlen, und des Elektrons wie auch der Radioaktivitat eine groRe Menge empirischen Materials in die Physik ein, dessen Einordnung in die Theorie in vollem MaRe erst durch die Quantentheorie ermoglicht wurde.Der Blitz, der diese Situation zum ersten Ma1 erleuchtete, war Plancks Entdeckung des Gesetzes der Hohlraumstrahlung, das den neuartigen und zunachst wenig verstandenen Begriff der Quanten in die Physik einfuhrte.Des weiteren ist die Atomtheorie Rutherfords zu erwahnen sowie, schon unter Benutzung des Wirkungsquantums, die Bohrsche Atomtheorie, die das Atomplanetensystem erkennen lieR, sich aber mit ihren ,,strahlungslosen" Elektronenbahnen zunachst in schroffem Gegensatz zur klassischen Elektrodynamik setzte.Durch eine Fulle experimenteller Bestatigungen erwies sich jedoch ihr Wahrheitswert, womit ein neues Zeitalter der Physik eroffnet wurde.Es ist bekannt, da13 die Bohrsche Theorie auch auf Schwierigkeiten sties, was aber ihre fundamentale Bedeutung nicht aufhob, und daI3 dann Heisenberg, Schrodinger, Dirac u. A. die Quantenmechanik aufstellten, die auch noch heute das physikalische Weltbild beherrscht.Heisenbergs groI3e Tat ist nicht nur die Quantentheorie der Matrizen, sondern auch vor allem die Entdeckung der Unscharfe-Relationen, welche den von de Broglie aufgedeckten Dualismus von Teilh e n -und Wellenbild begrundeten.Hier werden wir anzuknupfen haben, wenn die Bedeutung der modernen Physik fur den Begriff der Objektivierbarkeit, dem diese Arbeit gewidmet sein soll, ins Auge gefaRt wird.Heisenberg hat wohl zuerst die veranderte Stellung der Physik zur Objektivierbarkeit erfaI3t.In aufierordentlich klarer Weise hat er &on 1933 in einem Munchener Vortrag diese schopferische Idee ans Licht ge-~t e l l t .~) Die Unscharfe-Relationen sprechen in ihrer ersten Form die Komplementaritat zwischen Impuls und Ort einerseits, zwischen Energie und Zeit andererseits aus.Klassische und Quantenphysik haben die Satze von der Erhaltung der Energie und des Impulses gemeinsam.Wenn man mit der klassischen Physik in den Erhaltungssatzen die Kausalgesetzlichkeit als Ausdruck der Gesetzlichkeit der Naturvorgange annimmt, im Raum-Zeit-Bild die Anschaulichkeit, so wird man die beiden Kennzeichen der Kausalitat im klassischen Sinne, Energie und Impuls, als komplementar zu der Dimension der Anschauung setzen.Wir mussen auch hier die Kenntnis der quantenmechanischen Theorie im wesentlichen als bekannt voraussetzen.Schrodinger sah in seiner Wellen-
Physik ist eine wunderbare Wissenschaft. Wenn ich einen guten Physiklehrer auf dem Gymnasium gehabt hätte, ware ich vielleicht Physiker geworden. Ich bereue es aber nicht, Informatiker geworden zu sein. Wenn man tief genug in die Grundlagen der eigenen Wissenschaftsdisziplin einsteigt, dann berührt man auch andere Gebiete der Grundlagenforschung, erwirbt einen Zugang zu den gemeinsamen Fundamenten aller Wissenschaften und sieht vieles klarer und spannender, als wenn man es nur aus der engen Sicht einer Wissenschaftsdisziplin betrachtet. Die Physik bietet gleichzeitig einen breiteren und tieferen Blick auf die Welt und keine andere Wissenschaft hat unser Weltbild insbesondere im neunzehnten und in der ersten Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts so stark geprägt wie gerade die Physik. Spannende Entdeckungen, unerwartete Wendungen und spektakuläre Ergebnisse waren gang und gäbe in der physikalischen Forschung. Die Quantenmechanik selbst gehort für mich zu den größten Errungenschaften der Wissenschaft. Sie zu verstehen und zu akzeptieren, war für die Menschen nicht leichter als im Mittelalter den Glauben an die zentrale Position der Erde im Universum aufzugeben. Warum hatte die Quantenmechanik mit ihrer Anerkennung ähnliche Probleme wie Galileo Galilei? Die Gesetze der Quantenmechanik sind Regeln für das Verhalten der Elementarteilchen und diese Regeln stehen im Widerspruch zu unseren Erfahrungen aus der Makrowelt. Im Folgenden nennen wir die wichtigsten Prinzipien der Quantenmechanik, die die Weltanschauung der klassischen Physik sprengen.
Physik ist eine wunderbare Wissenschaft. Wenn ich einen guten Physiklehrer auf dem Gymnasium gehabt hätte, wäre ich vielleicht Physiker geworden. Ich bereue es aber nicht, Informatiker geworden zu sein. Wenn man tief genug in die Grundlagen der eigenen Wissenschaftsdisziplin einsteigt, dann berührt man auch andere Gebiete der Grundlagenforschung, erwirbt einen Zugang zu den gemeinsamen Fundamenten aller Wissenschaften und sieht vieles klarer und spannender, als wenn man es nur aus der engen Sicht einer Wissenschaftsdisziplin betrachtet. Die Physik bietet gleichzeitig einen breiteren und tieferen Blick auf die Welt und keine andere Wissenschaft hat unser Weltbild insbesondere im neunzehnten und in der ersten Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts so stark geprägt wie gerade die Physik. Spannende Entdeckungen, unerwartete Wendungen und spektakuläre Ergebnisse waren gang und gäbe in der physikalischen Forschung. Die Quantenmechanik selbst gehört für mich zu den größten Errungenschaften der Wissenschaft. Sie zu verstehen und zu akzeptieren, war für die Menschen nicht leichter als im Mittelalter den Glauben an die zentrale Position der Erde im Universum aufzugeben. Warum hatte die Quantenmechanik mit ihrer Anerkennung ähnliche Probleme wie Galileo Galilei? Die Gesetze der Quantenmechanik sind Regeln für das Verhalten der Elementarteilchen und diese Regeln stehen im Widerspruch zu unseren Erfahrungen aus der Makrowelt. Im Folgenden nennen wir die wichtigsten Prinzipien der Quantenmechanik, die die Weltanschauung der klassischen Physik sprengen.