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.
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.
ZusammenfassungDie Veröffentlichung dieses Vortrages erfolgt in der Hoffnung, mit diesem kleinen Beitrag diejenigen größeren Bestrebungen zu fördern, welche im allgemeinen das Ziel verfolgen, die verschiedenen Teildisziplinen, in welche unsere Geistigkeit auseinandergefallen ist, einander wieder näherzubringen. Die Abspaltung der Naturwissenschaften und der Mathematik als selbständige Teildisziplinen aus einer ursprünglich einheitlichen, aber vorwissenschaftlichen Naturphilosophie, welche im 17. Jahrhundert einsetzte, war zwar eine notwendige Bedingung für die weitere geistige Entwicklung des Abendlandes. Aber heute scheinen mir die Voraussetzungen für ein erneutes Einverständnis der Physiker und der Philosophen über die erkenntnistheoretischen Grundlagen der wissenschaftlichen Naturbeschreibung erfüllt zu sein. Die Entwicklung der Atomistik und Quantentheorie seit 1910 hat nämlich dazu geführt, daß die Physik allmählich gezwungen war, ihren stolzen Anspruch, im Prinzip die ganze Welt verstehen zu können, aufzugeben. Alle Physiker, welche die Entwicklung bejahen, die in der systematischen Konstruktion des mathematischen Formalismus der Wellenmechanik im Jahre 1927 einen vorläufigen Abschluß fand, müssen zugeben, daß wir heute zwar Naturwissenschaften, aber kein naturwissenschaftliches Weltbild mehr besitzen.
Die Veröffentlichung dieses Vortrages erfolgt in der Hoffnung, mit diesem kleinen Beitrag diejenigen größeren Bestrebungen zu fördern, welche im allgemeinen das Ziel verfolgen, die verschiedenen Teildisziplinen, in welche unsere Geistigkeit auseinandergefallen ist, einander wieder näherzubringen. Die Abspaltung der Naturwissenschaften und der Mathematik als selbständige Teildisziplinen aus einer ursprünglich einheitlichen, aber vorwissenschaftlichen Naturphilosophie, welche im 17. Jahrhundert einsetzte, war zwar eine notwendige Bedingung für die weitere geistige Entwicklung des Abendlandes. Aber heute scheinen mir die Voraussetzungen für ein erneutes Einverständnis der Physiker und der Philosophen über die erkenntnistheoretischen Grundlagen der wissenschaftlichen Naturbeschreibung erfüllt zu sein. Die Entwicklung der Atomistik und Quantentheorie seit 1910 hat nämlich dazu geführt, daß die Physik allmählich gezwungen war, ihren stolzen Anspruch, im Prinzip die ganze Welt verstehen zu können, aufzugeben. Alle Physiker, welche die Entwicklung bejahen, die in der systematischen Konstruktion des mathematischen Formalismus der Wellenmechanik im Jahre 1927 einen vorläufigen Abschluß fand, müssen zugeben, daß wir heute zwar Naturwissenschaften, aber kein naturwissenschaftliches Weltbild mehr besitzen. Eben dieser Umstand könnte aber als Korrektur der früheren Einseitigkeit den Keim eines Fortschrittes in Richtung auf ein einheitliches Gesamtweltbild in sich tragen, in welchem die Naturwissenschaften nur ein Teil sind. Hierin möchte ich die allgemeinere Bedeutung der Idee der Komplementarität erblicken, welche dank dem dänischen Physiker Niels Bohr aus dem Boden der Physik gewachsen ist.
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
Was ich hier vortragen mochte, hat mit der heutigen aktuellen Physik wenig zu tun.Ahnliche uberlegungen hatten ebenso gut vor 100 Jahren angestellt werden konnen.Ich habe eine kleine Arbeit daruber veroffentlichtl) und hatte gezogert, diese Dinge hier nochmals vorzubringen, waren mir nicht Zuschriften aus aller Welt zugegangen, die mir zeigten, dan die Frage nicht ohne Interesse ist.Um meine Behauptung gleich vorweg zu nehmen: Die klassische Mechanik wird gewohnlich als Muster einer deterministischen Theorie angesehen.Ich behaupte, dan dies sich bei naherer Betrachtung als unrichtig herausstellt.Warum aber erscheint mir diese Frage der Muhe einer eingehenden Untersuchung wert?Kann doch die klassische Mechanik gar nicht mehr das Ruckgrat der Physik genannt werden, da sie durch die Quantenmechanik abgelost und diese ja zugegebener Manen indeterministisch ist.Nun, es gibt eben immer noch laute und heftige Gegner der gelaufigen statistischen lnkrpretation der Quantenmechanik, die eine Ruckkehr zur klassischen, angeblich deterministischen Auffassung fordern.Zu diesen Gegnern gehoren vor allen die strengen Marxisten, die an den dialektischen Materialismus glauben.Naturlich akzeptieren die forschenden Physiker auch in RuBland dieselben Prinzipien wie wir; aber selbst sie sind gezwungen, vor der offiziellen Auffassung ihre Verbeugung zu machen.Ich bin daruber recht genau orientiert durch Briefwechsel mit meinem friiheren Mitarbeiter Fock und mit einem russischen Philosophen Suworow, der einen Vortrag von mire) ins Russische ubersetzt und kommentiert hat.Die DDR-Zeitschrift ,,Das Hochschulwesen" (Chefredakteur Dr. Mehnert) hat Ausziige aus meinem Vortrag und tfbersetzungen von Teilen der Antwort Suworows unter dem Titel ,,Um das Weltbild des modernen Naturwissenschaftlers" (1959) veroffentlicht.Der Bearbeiter, Prof. H. Vogel (Tnstitut fur Gesellschaftswissenschaft. Rostock), hat die Auswahl so getroffen und sein Kommentar so formuliert,daR man den Eindruck gewinnt,ich eei dem dialektischen Materialismus naher geruckt, wenn auch noch fern von der allein seligmachenden Wahrheit.Dies ist nicht der einzige Versuch, Gelehrte des Westens als Vorlaufer, Wegbereiter und halbe Anhanger des Materialismus darzustellen.Derselbe Prof. Vogel hat einen Aufsatz uber Einstein mit solcher Tendenz geschrieben und Dr. F. Herneck in ahnlicher Weise uber Planck.Nun, Einstein und Planck konnen sich nicht mehr zur Wehr setzen.Ich bin aber noch lebendig und willin aller Freundschaftdarlegen, warum ich die orthodoxe Lehre des Marxismus fur die Physik fur untauglich halte.*) Vortrag bei der Fruhjahrstagung der Nordwestdeutschen Physikalischen Gesellschaft in Bad Pyrmont, 16.
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.
ZusammenfassungDie Naturerscheinungen, die sich unseren Sinnen darbieten, zeigen oft eine große Veränderlichkeit und Unbeständigkeit. Um dies zu erklären, hat man von alters her angenommen, daß die Erscheinungen als Folge des Zusammenwirkens einer großen Anzahl von Elementarteilchen, der sog. Atome, die selbst unveränderlich und beständig sind, aber wegen ihrer Kleinheit sich der unmittelbaren Beobachtung entziehen, entstehen. Ganz abgesehen von der prinzipiellen Frage, ob wir berechtigt sind, auf diesen Gebieten anschauliche Bilder zu verlangen, so mußte die Atomtheorie ursprünglich einen hypothetischen Charakter haben, und man war geneigt anzunehmen, daß sie diesen Charakter behalten würde, da man es der Natur der Sache nach für unmöglich hielt, einen direkten Einblick in die Welt der Atome zu erhalten. Es ist aber hier wie auf so vielen Gebieten gegangen; die Grenzen der Beobachtungsmöglichkeiten haben sich infolge der Entwicklung der Hilfsmittel immer weiter verschoben. Wir brauchen nur an die Kenntnis vom Blau des Weltalls, die wir mit Hilfe des Fernrohrs und des Spektroskops gewonnen haben, zu denken oder an den Einblick in den feineren Aufbau der Organismen, den wir dem Mikroskop verdanken. Ebenso hat die außerordentliche Entwicklung der physikalischen Experimentierkunst uns mit einer großen Anzahl von Erscheinungen bekannt gemacht, die direkte Aussagen über die Bewegungen der Atome und über ihre Anzahl gestatten.