Aus kulturgeschichtlichen Untersuchungen ergibt sich die überwältigende Bestätigung, daß in den Jahren nach dem ersten Weltkrieg und noch vor der Entwicklung der akausalen Quantenmechanik eine große Zahl deutscher Physiker aus Ursachen, die nur zufällig mit den Entwicklungen in ihrem eigenen Fachgebiet zusammenhingen, in den Einflußbereich von »Denkströmungen« geriet, welche sie zu einer Distanzierung oder gar zu einer ausdrücklichen Ablehnung der Kausalität in der Physik veranlaßten.
Aus kulturgeschichtlichen Untersuchungen ergibt sich die überwältigende Bestätigung, daß in den Jahren nach dem ersten Weltkrieg und noch vor der Entwicklung der akausalen Quantenmechanik eine große Zahl deutscher Physiker aus Ursachen, die nur zufällig mit den Entwicklungen in ihrem eigenen Fachgebiet zusammenhingen, in den Einflußbereich von »Denkströmungen« geriet, welche sie zu einer Distanzierung oder gar zu einer ausdrücklichen Ablehnung der Kausalität in der Physik veranlaßten.
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
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.
Es ist bemerkenswert, daß die Grundpfeiler sowohl der Quantenmechanik als auch der speziellen Relativitätstheorie in den ersten fünf Jahren dieses Jahrhunderts gelegt wurden, und interessant die Entwicklung der beiden zu vergleichen. Während die spezielle Relativitätstheorie als Ganzes (1905) ein Geniestreich Einsteins war, entwickelte sich die Quantenmechanik in einer Reihe von kleinen Schritten während eines Vierteljahrhunderts (1900–1925). Eine Erklärung dafür ist, daß es, während in der speziellen Relativitätstheorie das Verhalten von Raum und Zeit einzig und allein aus zwei Prinzipien folgt, in der Quantentheorie keine solch einfachen Prinzipien gab, von denen ausgehend alle Quantenphänomene abgeleitet werden konnten. Vielmehr war jeder Schritt eine weitere Hypothese, die entweder auf einem neuen experimentellen Ergebnis beruhte oder ein solches vorhersagte, was nicht unbedingt in einer logischen Reihenfolge geschah und schon gar nicht in Folge eines oder zweier Prinzipen. Die Quantenmechanik entstand also abwechselnd aus Hypothesen und Experimenten, in etwa fünfundzwanzig Jahren. Wie die Überschriften der folgenden Abschnitte zeigen, können die meisten Schritte auf diesem Weg eng mit einer Person in Verbindung gebracht werden; die Beschäftigung mit ihnen wird uns hier als Einführung in die Quantenmechanik dienen.
Wenn heutzutage eine Gesellschaft von Physikern zusammenkommt, um Fragen der theoretischen Physik zu diskutieren, so wird das Gespräch früher oder später eine ganz bestimmte Wendung nehmen. Vielleicht haben Sie die Gesellschaft verlassen, als gerade die eigenen Spezialfragen oder die neuesten physikalischen Entdeckungen besprochen wurden; aber wenn Sie nach einer Stunde zurückkommen, können Sie jede Wette eingehen, daß man inzwischen bei einem alles überwuchernden Gesprächsthema angelangt sein wird: bei dem verzweifelten Stand der eigenen Unwissenheit. Und das ist keine Phrase. Es ist nicht einmal wissenschaftliche Bescheidenheit. Im Gegenteil, häufig ist die Einstellung eher ein naives Erstaunen darüber, daß die Natur ihr letztes Geheimnis so erfolgreich vor dem scharfsinnigen menschlichen Intellekt hat verbergen können. Die Sache liegt einfach so, daß wir auf dem Wege des Fortschritts urn eine Ecke gelangt sind, und nun steht plötzlich unsere Unwissenheit unverhüllt vor uns, erschreckend und unabweisbar.
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.
Die Vorstellung von der Wirklichkeit in der physikalischen Welt ist im Laufe der letzten 100 Jahre etwas problematisch geworden. Der Gegensatz zwischen der einfachen und offenkundigen Realität der zahllosen Instru= mente, Arbeitsmaschinen, Kraftmaschinen und Apparate aller Art, welche die Industrie herstellt und welche im Grunde angewandte Physik sind, und der dunklen und abstrakten Bedeutung der physikalischen Grund= begriffe, wie Kräfte und Felder, Teilchen und Quanten, ist zweifellos verwirrend. Es hat sich bereits zwischen reiner und angewandter Natur= wissenschaft und zwischen deren Vertretern eine Kluft gebildet, welche zu einer gefährlichen Entfremdung führen kann. Die Physik braucht eine zusammenfassende Philosophie, die sich in der Umgangssprache aus= drücken läßt, um diese Spaltung der „Wirklichkeit“, wie man sie sich in der Theorie und der Praxis denkt, zu überbrücken. Ich bin kein Philosoph, sondern ein theoretischer Physiker. Ich vermag keine wohlausgewogene Naturphilosophie zu bieten, welche die Ideen der verschiedenen Richtungen in angemessener Weise berücksichtigen würde; ich möchte nur einige Ge= danken darlegen, die mir bei meiner eigenen Auseinandersetzung mit diesen Problemen geholfen haben.