Abstract Vor 75 Jahren entdeckte Wolfgang Pauli das Ausschließungsprinzip. Die Bedeutung dieser fundamentalen Regel zeigte sich bereits unmittelbar nach ihrer Entdeckung. Das Pauli‐Prinzip ist ein Eckpfeiler unseres physikalischen Weltbildes. Seine Anwendungsbereiche umspannen einen weiten Bogen von der Astrophysik über die Festkörperphysik bis hin zur Kern‐ und Elementarteilchenphysik.
Abstract Vor 75 Jahren entdeckte Wolfgang Pauli das Ausschließungsprinzip. Die Bedeutung dieser fundamentalen Regel zeigte sich bereits unmittelbar nach ihrer Entdeckung. Das Pauli‐Prinzip ist ein Eckpfeiler unseres physikalischen Weltbildes. Seine Anwendungsbereiche umspannen einen weiten Bogen von der Astrophysik über die Festkörperphysik bis hin zur Kern‐ und Elementarteilchenphysik.
Im November 1983 trafen sich ehemalige Schüler und Freunde Wolfgang Paulis in seiner Vaterstadt Wien, um seinem Hinschied vor 25 Jahren zu gedenken. Obschon Pauli bei allen, die ihn näher gekannt hatten, in großer Verehrung stand und unter seinen Fachkollegen den Ruf genossen hatte, “das lebende Gewissen der theoretischen Physik“1 (daher der Titel des vorliegenden Buches) und „ein Meister der Kritik“2 zu sein, ist er außerhalb der Physik weniger bekannt wie seine gleich berühmten Zeitgenossen Bohr, Heisenberg und andere.3 Er war eben trotz seiner bedeutenden Rolle als Mitbegründer der modernen Quantenmechanik doch eher ein Bewahrer als ein Revolutionär gewesen.4 Er war es, der in Diskussionen und in einer ausgedehnten Korrespondenz (Pauli [1979/85], siehe dazu den Beitrag I,3 von K. von Meyenn) immer wieder die wesentlichen Fragen formulierte und Antworten im Rahmen des schon gesicherten Wissens suchte. Die Ambition, alle seine Ideen selber auszuwerten und zu publizieren lag ihm fern; er konnte sich über geglückte Arbeiten anderer genau so freuen wie über eigene. Diese echte Bescheidenheit kommt in seiner Autobiographie (II, 1) sehr schön zur Geltung.
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.
In den Jahren unmittelbar vor dem Entstehen der Quantenmechanik 1925/26 harrte neben anderen eine Gruppe von Problemen ihrer Lösung, die in wesent- liehen Zügen auch schon vor dem Umschwung, den die Quantenmechanik brachte, zugänglich waren: die Feinstruktur der Spektralterme, insbesondere die Multiplettstruktur, ihre Aufspaltung im Magnetfeld und der Abschluß der Elektronen- schalen im Atom mit dem daraus resultierenden Aufbau des Periodensystems der Elemente.Die unübersichtliche Lage in der Atomphysik vor 1925 komplizierte die Entwicklung, denn man versuchte gleichzeitig die erstrebten Grundlagen einer neuen Quantentheorie zu schaffen und die Lösung der genannten Probleme zu erreichen.Auf diesem Wege entstanden das Ausschließungsprinzip und das Konzept des Elektronenspins.Einer der Hauptbeteiligten an dieser Entwicklung war Wolfgang Pauli.Obwohl er mit seinem Ausschließungsprinzip die Quantentheorie ein beträchtliches Stück vorangetrieben und auch den Boden für das Spin-Konzept bereitet hatte, konnte er sich lange nicht dazu entschließen, diesen nächsten Schritt, den andere tun mußten, zu vollziehen.Die Entwicklung der Paulischen Anschauungen erfolgte hier nicht linear, wie man es auf Grund seiner publizierten Arbeiten rekonstruie- ren könnte (1, 2-7).Vielmehr läßt sich bei Pauli ein ganz anderer Prozeß fest- stellen: die neue Theorie stieß bei ihm nicht etwa wegen ihres revolutionären Charakters auf Ablehnung; sie war im Gegenteil in seinen Augen nicht genügend revolutionäralso eine genaue Umkehrung des üblichen Schemas für die Akzep- tierung neuer Theorien.Dieser ungewöhnliche Prozeß läßt sich mit LIilfe der er- halten gebliebenen wissenschaftlichen Korrespondenz Paulis verstehen und in seinen LIintergründen und Argumentationsweisen aufhellen (8).Die Entwicklung des Spin-Konzepts ist eng verknüpft mit der Entstehung des Paulischen Ausschließungsprinzips. Einen Schlüssel zum Verständnis dieser Entwicklung bietennach seinem eigenen Zeugnis -Paulis frühe Arbeiten zum anomalen Zccmancffekt, der hartnäckig allen Deutungsversuchen mit Hilfe der älteren Quantentheorie widerstanden hatte.Pauli befaßte sich seit dem Herbst 1922 intensiver mit diesem ungelösten Problem, gerade in der Zeit, in der Alfred Lande erste Erfolge bei der Ordnung der Multipletts und ihrer Zeemaneffekte erzielte (9).Die ersten Schritte in dieser Richtung unternahm Pauli gemeinsam mit Niels Bohr, seinem Lehrer in Kopenhagen, mit dem er im Frühjahr 1923 eine Arbeit darüber publizieren wollte.Sie hofften darin, in einem «Verzweif-
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.
Die theoretische Deutung der Ouantenstruktur der Materie hat unsere Vor stelluhg von der Wirklichkeit tiefgreifend veriindert. Der entscheidende Schritt dazu wurde von Werner Heisenberg vor fast einem halben Jahrhundert getan. Die neue Ouantenphysik hat in vielen physikalischen und philosophischen Arbeiten ihren Nieder schlag gefunden; sie hat ganz neue Gebiete erschlossen, wie insbesondere die Atomkem physik und die Physik der Elementarteilchen. Wemer Heisenberg hatte und hat noch an der Erforschung dieser neuen Gebiete wesentlichen Anteil. Sein Hauptinteresse in den letzten Jahren galt dabei der Entwicklung einer einheitlichen fundamentalen Feldtheorie der Materie. Das Lebenswerk Heisenbergs ist in so hohem MaRe Teil der heutigen physika lischen Literatur geworden, daB - damit verglichen - der Versuch einer gesonderten Darstellung in einem Festband immer als unzureichend oder uberflUssig erscheinen muB. Die in diesem Band gesammelten Arbeiten versuchen deshalb nicht, einen Oberblick uber sein Lebenswerk zu geben, sondem sind im wesentlichen Arbeiten aus dem augenblick lichen Interessengebiet der Autoren, thematisch allerdings 5.0 ausgewiihlt, daB sie mittel bar oder unmittelbar mit Arbeiten Heisenbergs in Verbindung stehen. AuBerdem wurde durch die Art der Darstellung angestrebt, uber den Fachmann hinaus einen groReren Leserkreis anzusprechen. Die meisten Beitriige haben deshalb mehr allgemeine und grund siitzliche Erorterungen zum Inhalt.
ZusammenfassungWarum fällt ein Buch nicht durch die Tischplatte? Warum sinken wir nicht einfach durch den Fußboden in Richtung Erdmittelpunkt? Das Pauli-Prinzip erklärt, warum wir Materie als fest und undurchdringlich empfinden. Außerdem ist es für die Existenz von Neutronensternen und Weißen Zwergen verantwortlich. Die Regel von Wolfgang Pauli gilt für Elektronen, Protonen und Neutronen, also alle Materie, mit der wir zu tun haben. Sie besagt, dass niemals zwei dieser Teilchen an einem Ort genau den gleichen Quantenzustand einnehmen können.