Abstract Wenn diesem Thema durch Wiedergabe der anschließenden vier Beiträge ein erheblicher Teil des Heftes eingeräumt wird, so geschieht es aus zwei Gründen. Erstens wegen des Themas, das immer wieder in Zuschriften angeschnitten wird, ohne daß es möglich ist, alle Äußerungen der Einsender durch Abdruck weiterzugeben oder gar diskutieren zu lassen. Zweitens weil der Beitrag von Prof. Landé eine Aussprache zwischen Autoren angeregt hat, die selbst maßgebend zur Quantentheorie beigetragen haben. So wird nun das Thema auf höchster Ebene diskutiert. Max Borns Auffassung der Quantentheorie wird von Alfred Landé abgelehnt, Born und Biem widersprechen Landé. Werner Heisenberg schließt die Diskussion mit dem Hinweis, daß es letzten Endes nicht um den physikalischen Kern der Quantentheorie geht, sondern um die Sprache, in der man über quantentheoretische Phänomene reden soll. Die von Landé monierten Inkonsistenzen treten nur auf, wenn die Wörter anders verstanden werden, als sie gemeint sind. Die Frage aus der Physikprüfung vergangener Jahrzehnte „Woran unterscheidet man Korpuskel‐ und Wellenstrahlung?”︁ hat ihren Sinn verloren. Die der Tagessprache entlehnten Worte und Begriffe weisen auf gleiche atomare Vorgänge hin, die die Sprache nur durch komplementäre Bilder zu beschreiben vermag. Die Frage, welches Bild das richtige ist, hat nach heute vorherrschender Auffassung keinen Sinn mehr.
Abstract Wenn diesem Thema durch Wiedergabe der anschließenden vier Beiträge ein erheblicher Teil des Heftes eingeräumt wird, so geschieht es aus zwei Gründen. Erstens wegen des Themas, das immer wieder in Zuschriften angeschnitten wird, ohne daß es möglich ist, alle Äußerungen der Einsender durch Abdruck weiterzugeben oder gar diskutieren zu lassen. Zweitens weil der Beitrag von Prof. Landé eine Aussprache zwischen Autoren angeregt hat, die selbst maßgebend zur Quantentheorie beigetragen haben. So wird nun das Thema auf höchster Ebene diskutiert. Max Borns Auffassung der Quantentheorie wird von Alfred Landé abgelehnt, Born und Biem widersprechen Landé. Werner Heisenberg schließt die Diskussion mit dem Hinweis, daß es letzten Endes nicht um den physikalischen Kern der Quantentheorie geht, sondern um die Sprache, in der man über quantentheoretische Phänomene reden soll. Die von Landé monierten Inkonsistenzen treten nur auf, wenn die Wörter anders verstanden werden, als sie gemeint sind. Die Frage aus der Physikprüfung vergangener Jahrzehnte „Woran unterscheidet man Korpuskel‐ und Wellenstrahlung?”︁ hat ihren Sinn verloren. Die der Tagessprache entlehnten Worte und Begriffe weisen auf gleiche atomare Vorgänge hin, die die Sprache nur durch komplementäre Bilder zu beschreiben vermag. Die Frage, welches Bild das richtige ist, hat nach heute vorherrschender Auffassung keinen Sinn mehr.
Die Debatte tiber die Grundlagen der Quantentheorie, die auf eine mehr als fiinfzigjiihrige Tradition zurtickblickt, war in zwei Perioden besonders intensiv, niimlich unmittelbar nach der Begrtindung der Quantentheorie und wiederum in den letzten Jahren. An die Frtihzeit der Quantenphysik erinnerte Max Born in seiner Rede, die er anliiBlich der Verleihung des Nobelpreises im Jahre 1954 hielt. Er beschrieb die tiefgreifende Meinungsverschiedenheit, die die bertihmtesten Quantentheoretiker in 1 zwei Lager schied: Wenn ich sagte, die Physiker hiitten 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 Miinnern, die am meisten zum Aufbau der Quantentheorie beigetragen haben. Planck selbst gehorte zu den Skeptikern bis zu seinem Tode. Einstein, de Broglie und Schrodinger haben nicht aufgehort, das Unbefriedigende der statistischen Interpretation der Quanten- mechanik zu betonen. Dieser intellektuelle Kampf betraf einige der grundlegendsten Fragen der gesamten Naturwissenschaft: existieren die atomaren Objekte unabhangig von der menschlichen Beobachtung und, wenn dies- der Fall ist, sind sie dann dem menschlichen Verstiindnis zugiinglich? 1m groBen und ganzen kann man sagen, daB die Kopenhagener und Gottinger Schulen (Bohr, Heisenberg, Born . . . ) diese Fragen ziemlich pessimistisch beantwor- teten. Niels Bohr befiirwortete beispielsweise den Gebrauch des Wortes Phanomen nur zur Beschreibung einer Messung, die notwendigerweise eine vollstandige Be- schreibung des MeBapparates mitenthielt und damit nicht das atomare Objekt selbst, sondern seine Wechselwirkung mit dem von Menschen gewahlten Apparate betraf.
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
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.
Die Quantentheorie stellt eines der anspruchsvollsten und erfolgreichsten Theorieprojekte der Menschheitsgeschichte dar. Sie ist eine, wenn nicht die Universaltheorie der Physik. Die Geschichte ihrer Deutung und die Auseinandersetzung um ihre Interpretation berühren jedoch weitaus mehr als nur das Feld der theoretischen Physik. Eine solche Theorieanlage zerstört ontologische Gewissheiten. Sie stellt den Beobachter in Frage und sie lässt uns ahnen, was zu erwarten ist, wenn wir uns in anderen Feldern mit komplexen Phänomenen beschäftigen, die mit der Beobachterproblematik infiziert sind. Als transklassische Physik ist die Quantentheorie gleichsam auf »Welten ohne Grund« gebaut und enttäuscht damit die Hoffnung, sich Sinnfragen durch die Physik oder Mathematik entledigen zu können. Homolog zu den Hochformen mystischer Reflexion kann uns die Auseinandersetzung um die Deutung der Quantenphysik allerdings eine Ahnung vermitteln, was das Geheimnis der konditionierten Koproduktion von System und Umwelt – Reflexion und Welt – für uns bedeuten kann, und uns möglicherweise dabei helfen, in Welten ohne Grund heimisch zu werden. Hierbei wird deutlich, dass hochgetriebene Theorie, die sich in ihren Abstraktionen in hohem Maße von der lebensweltlichen Wirklichkeit löst, nicht im Widerspruch zur Möglichkeit von Welterkenntnis steht. Im Gegenteil, erst ein hinreichend elaboriertes und mit eigenen, intern konditionierten Konsistenzzwängen ausgestattetes Theoriegebilde stellt die Bedingung zur Möglichkeit von Reflexion und Erkenntnisgewinnung dar.
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.
Gleich von Anfang an machte mir die Forschung groBen Spa& und bis auf den heutigen Tag ist sie mir eine Freude geblieben.Dieses Vergnugen gleicht ein ganz klein wenig jenem, das jeder empfindet, der Kreuzwortratsel lost.Aber es ist doch noch vie1 mehr, vielleicht sogar mehr als die Freude an schopferischer Arbeit in anderen Berufen, die Kunst ausgenommen.Es besteht in dem Gefuhl, in das Mysterium der Natur einzudringen, ein Geheimnis der Schopfung zu luften und etwa Sinn und Ordnung in einen Teil der chaotischen Welt zu bringen.Dies ist eine philosophische Befriedigung.Ich habe mich bemuht, Philosophen aller Geschichtsepochen zu lesen, und viele erleuchtende Gedanken gefunden, doch keinen standigen Fortschritt zu tieferer Erkenntnis und eingehenderem Verstandnis.Die Naturwissenschaft hingegen vermittelt mir das Gefuhl eines bestandigen Fortschritts: ich bin uberzeugt, daB die theoretische Physik tatsachlich Philosophie ist.Sie hat grundlegende Begriffe umgesturzt, zum Beispiel uber Raum und Zeit (Relativitat), uber Kausalitat (Quantentheorie) und uber Stoff und Materie (Atomistik).Sie hat uns neue Denkmethoden gelehrt (Komplementaritat), *) Die ,,Recollections of Max Born", erschienen im Bull. of Atomic Scientists 21, No. 7, 8 u. 9 (1965), wurden in deutscher Obersetzung in Universitas 23. 249 (1968) Wiedergegeben und sind in das Buch von Hedwig und Max Born ,,Der Luxus des Gewissens" aufgenommen worden (vgl.Phys.B1. 25, 235, 1969).Das letzte der drei Kapitel, das ,,Oberlegungen" Uberschrieben ist, hat in der deutschen Uffentlichkeit Aufmerksamkeit erregt.Hier mBgen nun die entscheidenden letzten Seiten der Bomschen AusfUhrungen unter Hinweis auf das neue Buch wiedergegeben werden.Wir danken Herrn Dr. B.