Die statistische Erklarung des Satzes von der Zunahme der Entropie ist seit ihrer Begrundung durch L. Boltzmann mit einer Paradoxie verknupft, die im Grunde bis heute ungelost ist.Die gleichen statistischen Methoden namlich, die beim Vorausrechnen in die Zukunft die Zunahme der Entropie eines isolierten Systems ergeben, fuhren beim Zuriickrechnen in die Vergangenheit anscheinend zu dem entgegengesetzten Ergebnis: Die Entropie cines isolierten Systems ergibt sich mit uberwaltigender Wahrscheinlichkeit als um so groBer, je weiter man in die Vergangenheit zuruckgeht.Diese Paradoxie ergab sich zunachst auf der Grundlage der von Boltzmann benutzten klassischen Mechanik, und man konnte daher hoffen, da13 die Quantenmechanik mit ihrer grundsatzlich neuen Auffassung der Statistik eine Losung bringen werde.Dies war zwar nicht der Fall, aber das eigentliche Wesen der Paradoxie trat in der Quantenmechanik besonders deutlich hervor: Es handelt sich nicht um einen Fehler im mathematisch-physikalischen Formalismus, sondern um eines jener ,,philosophischen" Probleme, die der eigentlichen naturwissenschaftlichen Forschung vorausliegen -ahnlich wie z.B. die Frage, warum man, wenn ein Experiment zehnmal das gleiche Ergebnis geliefert hat, auch beim elften Ma1 dasselbe Ergebnis erwartet.Das stalistische Verfahren.Ein Modell kann verdeutlichen, wie sich die angegebene Paradoxie aus der quantenmechanischen Statistik ergibt.')Man denke sich ein Spielbrett fur ein Spiel rnit Spielsteinen.Das Spielbrett besteht aus 100 Feldern kreisformig nebeneinander; vom Feld Nr. 100 geht es wieder auf Feld Nr. 1. Gespielt wird rnit 1000 Spielsteinen.Zu Beginn wird jeder Stein auf irgendein Feld gesetzt.Dann wird ein ,,Zug" gemacht, indem fur jeden Stein je einmal ge-G ' 7 1 8 ' 9 1 1 0 ! 1 1 12
Die statistische Erklarung des Satzes von der Zunahme der Entropie ist seit ihrer Begrundung durch L. Boltzmann mit einer Paradoxie verknupft, die im Grunde bis heute ungelost ist.Die gleichen statistischen Methoden namlich, die beim Vorausrechnen in die Zukunft die Zunahme der Entropie eines isolierten Systems ergeben, fuhren beim Zuriickrechnen in die Vergangenheit anscheinend zu dem entgegengesetzten Ergebnis: Die Entropie cines isolierten Systems ergibt sich mit uberwaltigender Wahrscheinlichkeit als um so groBer, je weiter man in die Vergangenheit zuruckgeht.Diese Paradoxie ergab sich zunachst auf der Grundlage der von Boltzmann benutzten klassischen Mechanik, und man konnte daher hoffen, da13 die Quantenmechanik mit ihrer grundsatzlich neuen Auffassung der Statistik eine Losung bringen werde.Dies war zwar nicht der Fall, aber das eigentliche Wesen der Paradoxie trat in der Quantenmechanik besonders deutlich hervor: Es handelt sich nicht um einen Fehler im mathematisch-physikalischen Formalismus, sondern um eines jener ,,philosophischen" Probleme, die der eigentlichen naturwissenschaftlichen Forschung vorausliegen -ahnlich wie z.B. die Frage, warum man, wenn ein Experiment zehnmal das gleiche Ergebnis geliefert hat, auch beim elften Ma1 dasselbe Ergebnis erwartet.Das stalistische Verfahren.Ein Modell kann verdeutlichen, wie sich die angegebene Paradoxie aus der quantenmechanischen Statistik ergibt.')Man denke sich ein Spielbrett fur ein Spiel rnit Spielsteinen.Das Spielbrett besteht aus 100 Feldern kreisformig nebeneinander; vom Feld Nr. 100 geht es wieder auf Feld Nr. 1. Gespielt wird rnit 1000 Spielsteinen.Zu Beginn wird jeder Stein auf irgendein Feld gesetzt.Dann wird ein ,,Zug" gemacht, indem fur jeden Stein je einmal ge-G ' 7 1 8 ' 9 1 1 0 ! 1 1 12
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.
Die Arbeiten, für die mir die Ehre des Nobelpreises für das Jahr 1954 zuteil geworden ist, enthalten keine Entdeckung einer neuen Naturerscheinung, sondern die Begründung einer neuen Art, über Naturerscheinungen zu denken. Diese Denkweise hat sich in der experimentellen und theoretischen Physik in solcher Weise durchgesetzt, daß es kaum möglich scheint, darüber noch etwas zu sagen, was nicht schon oft gesagt worden ist. Und doch gibt es einige besondere Gesichtspunkte, die ich bei dieser, für mich so festlichen Gelegenheit, erörtern möchte. Der erste Punkt ist dieser: Die Arbeiten der Göttinger Schule, der ich damals in den Jahren 1926 und 1927 vorstand, trugen bei zur Lösung einer intellektuellen Krise, in die unsere Wissenschaft durch Plancks Entdeckung des Wirkungsquantums im Jahre 1900 geraten war. Heute ist die Physik in einer ähnlichen Krise — ich meine hier nicht ihre Verwicklung in Politik und Wirtschaft durch die Beherrschung einer neuen furchtbaren Naturkraft, sondern ich denke an die durch die Kern= physik gestellten logisch=erkenntnistheoretischen Probleme. Vielleicht ist es gut, in solcher Zeit sich zu erinnern, was früher in ähnlicher Lage geschah, zumal dies Geschehen nicht eines gewissen dramatischen Effekts entbehrt. — Zum zweiten, wenn ich sagte, die Physiker hätten die damals von uns entwickelte Denkweise angenommen, so war ich nicht ganz korrekt: es gibt ein paar sehr bemerkenswerte Ausnahmen, und zwar gerade unter den Männern, die am meisten zum Aufbau der Quantentheorie beigetragen haben. Planck selbst gehörte zu den Skeptikern bis zu seinem Tode. Einstein, de Broglie und Schrödinger haben nicht aufgehört, das Unbefrie= digende der statistischen Interpretation der Quantenmechanik zu betonen und die Rückkehr zu den Vorstellungen der klassischen, New tonschen Physik zu fordern und Wege vorzuschlagen, wie dies ohne Widerspruch gegen die experimentellen Tatsachen gemacht werden könnte. Man kann so gewichtige Stimmen nicht ungehört lassen. Niels Bohr hat sich viel Mühe gegeben, die Einwände zu widerlegen. Auch ich habe über sie nachgedacht und glaube, einiges zur Klärung der Sachlage beitragen zu können. Es handelt sich hier um das Grenzgebiet zwischen Physik und Philosophie,und so wird mein physikalischer Vortrag zum Teil historisch, zum Teil philosophisch gefärbt sein, wofür ich Ihre Nachsicht erbitte.
ZusammenfassungDas Mehrteilchenproblem der Atomphysik konnte, wie die meisten Probleme der Quantenphysik, erst auf Grund der modernen Quantenmechanik in Angriff genommen werden. Die ältere Bohrsche Quantentheorie hat bei der Behandlung des Mehrteilchenproblems vollkommen versagt, denn es zeigte sich, daß schon das einfachste Mehrteilchenproblem, das He-Problem, bei dem sich im Feld eines Kernes nur zwei Elektronen bewegen, zu unüberwindlichen Schwierigkeiten führte, und es ist auf Grund der Bohrschen Atomtheorie nicht gelungen, ein He-Modell zu konstruieren, das die Eigenschaften des He-Atoms zu erklären vermag. Durch die Entdeckung der Quantenmechanik, die man in erster Linie De Broglie, Heisenberg, Schrödinger und Dirac zu verdanken hat, änderte sich diese Lage mit einem Schlag. Durch die Quantenmechanik wurde für die gesamte Quantenphysik ein neues Fundament geschaffen, aus dem sich eine in sich geschlossene und widerspruchsfreie Theorie des Mehrteilchenproblems entwickeln konnte. Natürlich muß man gerade so wie beim berüchtigten astronomischen Drei- und Mehrkörperproblem darauf verzichten, das Problem in seinem vollen Umfang anzugreifen; es werden immer nur spezielle, in der Natur wichtige Teilprobleme zu lösen sein, und jedes dieser Teilprobleme erfordert wohlüberlegte und kunstvolle mathematische Approximationen.
Die Quantentheorie und die Theorie der quantenmechanischen Messung ermoglichen es, Aussagen uber quantenphysikalische Systeme (Atome, Kerne, Elementarteilchen) zu machen, die an diesen Systemen experimentell nachgepruft werden konnen.Beispiele fur solche Aussagen sind z.B. ,,das Elektron hat den Impuls p" oder ,,der Atomkern hat einen Drehimpuls J".Wie fur die Aussagen aller Wissensgebiete wird man zunachst auch fur diese Aussagen erwarten, daR sie den Regeln der Logik gehorchen.Tatsachlich ist das aber nicht der Fall.Es hat sich namlich gezeigt, daB von den Regeln der Aussagenlogik, die zuerst von den Stoikern aufgestellt wurden, spater im Mittelalter und in der modernen mathematischen Logik wieder aufgegriffen wurden, nur noch ein Teil fur Aussagen uber Quantenphanomene richtig bleibtl).2)3 9, 4).Einige dieser Regeln verlieren ihre Gultigkeit.Derjenige Teil der logischen Regeln, der auch noch in der Quantenphysik gilt, wird gewohnlich als Quantenlogik bezeichnet.Es handelt sich also bei der Quantenlogik nicht um eine ,,neue" Logik, die im Bereich des Atomaren gilt, sondern um eine restriktive Logik, die weniger enthalt als die uns bekannte klassische Aussagenlogik.Der heutige Physiker ist im allgemeinen leicht geneigt zu glauben, daR irgendeine Disziplin, die in der Philosophie vergangener Jahrhunderte fur wahr gehalten wurde, durch die moderne Physik widerlegt sei.Das kommt einerseits daher, daR viele Physiker empiristisch denken, d. h. in diesem Falle, daB sie geneigt sind zu glauben, man konne alle auf die Erfahrung bezogenen Behauptungen auch durch Erfahrungen -z.B. der Atomphysikwiderlegen. Anderseits sprechen fur eine solche Einstellung die schlechten Erfahrungen, die die Physik mit Begriffen und Satzen gemacht hat, die in der philosophischen Tradition uberliefert wurden.Die Verknupfung von Raum und Zeit in der Relativitatstheorie oder das Versagen des Kausalgesetzes in der Quantentheorie gehoren zu diesem Problemkreis.Man wird deshalb versucht sein, auch eine Restriktion der Aussagenlogik in der modernen Atomphysik einfach als eine neue Erfahrung hinzunehmen.Dies ist jedoch nicht ohne weiteres moglich.Die groRte Schwierigkeit, die sich einer solchen Einstellung entgegenstellt, ist die Tatsache, daB die klassische Aussagenlogik wahr ist.Und zwar ist die Aussagenlogik keineswegs in einem empirischen Sinne wahr, sondern sie ist wahr durch das unmittelbare Einleuchten (die Evidenz) ihrer Satze, deren Gultigkeit somit auf keinen bestimmten Gegenstandsbereich eingeschrankt ist.Wie das im Einzelnen 2x1 verstehen ist, sol1 im ersten Teil auseinandergesetzt werden.Nehmen wir zunachst einmal die Evidenz der klassischen Logik als gegeben an, so entsteht die Frage, wie es moglich sein kann, daR fur die Aussagen der Quantenphysik nur eine restriktive Logik, die Quantenlogik, gilt.
Während unseres Weges durch die theoretische Physik ist uns der Begriff der Wahrscheinlichkeit immer wieder begegnet. Wir haben mathematische Bilder kennengelernt (VI, § 5.7; XI, § 1.7; XIII, § 1.2), sie vielfältig angewandt, besonders auch in der statistischen Mechanik (XV); und wir haben eine Interpretation dieser Bilder gegeben, indem wir sagten, daß gemessene Häufigkeiten mit den mathematischen Wahrscheinlichkeiten zu vergleichen seien (siehe insbesondere XIII, § 1.2). Dieser sogenannte physikalische Wahrscheinlichkeitsbegriff lag allen unseren Überlegungen zugrunde. Es hat sich gezeigt, daß er für alle physikalischen Theorien auf das in XIII, § 1.2 beschriebene mathematische Bild der statistischen Auswahlverfahren mit ihrer Interpretation zurückgeführt werden kann. In XIII, § 1 bis 3 haben wir die zunächst in XI, § 1.7 heuristisch für die Quantenmechanik eingeführte Beschreibung der Wahrscheinlichkeiten auf die in XIII, § 1.2 dargestellten Grundlagen explizit zurückgeführt. Auch die in VI, § 5.7 eingeführte Beschreibung läßt sich auf XIII, § 1.2 zurückführen, auch wenn wir dies in diesem Buch nicht ausführlich dargestellt haben. Für unsere Darstellung der Theorie makroskopischer Systeme in XV haben wir gleich die Grundlagen aus XIII, §§ 1.2 und 1.3 benutzt.
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)