I. Einleitung Seit 25 Jahren hat die Quantenphysik und insbesondere ihre charakteristischste Form, die Wellenmechanik, von Seiten der groBen Mehrzahl der Physiker eine rein statistische Auslegung erhalten, die in der Welt der atomaren Bereiche klare und prazise Bilder im Rahmen von Raum und Zeit ausschloD, wie sie bis dahin, zusammen mit dem durch sie bedingten Determinismus, in der Wissenschaft iiblich gewesen waren.Diese rein statistische Auslegung, verknupft mit den Namen von B o r n, B o h r und H e i s e n b e r g, ist sehr eigenartig und fuhrt ganzlich neuartige Auffassungen uber Kausalitat, Unbestimmtheit, Ununterscheidbarkeit von Partikeln, Natur der Wahrscheinlicbkeitsgesetze usw. in die Physik ein.Der Verf.ist seit 1928 uneingeschrankter Anhanger der statistischen Auslegung der Wellenmechanik gewesen und hat sie oftmals nach besten Kraften in seinen Vorlesungen und Buchern dargelegt.Diese Auslegung entsprach indessen nicht seinen anfanglichen Vorstellungen.Vielmehr hatte erin den Jahren 1924 bis 1927, die unmittelbar auf die Entdeckung der Wellenmechanik folgteneine andere Deutung vorgeschlagen, die mehr den herkommlichen Ideen der Theoretischen Physik entsprach.Aber entmutigt durch die Schwierigkeiten, welche die Entwicklung dieser Auffassung rnit sich brachte, und durch den geringen Anklang, welchen sie von Seiten der anderen Theoretiker fand, hat er sie aufgegeben.Neuere Arbeiten verschiedener Theoretiker gehen in der Richtung,' Gedankengange aufzunehmen, welche den vom Verfasser vor 25 Jahren ge-auDerten ahnlich sind und diese in mehrfacher Hinsicht vertiefen.Sie haben in manchen Kreisen sehr starkes Interesse gefunden, besonders unter den Wissenschaftlern Frankreichs rnit seiner Vorliebe fur die Pflege kartesischer Klarheit.In erneuten Betrachtungen der Frage und in Zusammenarbeit mit einem der jungen Theoretiker vom Institut Henri Poincar6, J. P. V i g i e r, dessen Arbeiten neue und originelle Gesichtspunkte geliefert haben, hat der Verf.seit einiger Zeit eine erneute Priifung seiner Konzeptionen von 1927 aufgenommen.Obwohl noch schwerere Einwande und Schwierigkeiten zu iiberwinden bleiben und es auch noch nicht moglich ist, diesen Versuchen endgiiltigen Erfolg vorherzusagen, so hat doch diese neuerliche Priifung einige ermutigende Ergebnisse gebracht und verdient es sicherlich, fortgesetzt zu werden . . .Die Neuauslegung der Wellenmechanik im angedeuteten Sinne wird, auch wenn schlieBlich erfolgreich, fortgesetzter Anstrengungen bedurfen, welche der folgende Bericht nur schwach andeuten kann.Sie diirfte auI3erdem noch wahrend einer langen Zeit auf die Gegnerschaft zahlreicher und *) Professor d e B r o g l i e hat unter dem obigen Titel eine Zusammenstellung seiner Llteren und neueren Arbeiten zum Thema der Deutung der Quantenphysik veraffentlicht (Gauthier-Villars, Paris 1953).Aus dem Vorwort und dem einleitenden Bericht dieses Werkes bringen wir mit der freundlichen Erlaubnis des Verfassers und der Verleger den vorliegenden von Prof. M. R e n n i n g e r (Mazburg) Clbersetzten Auszug.Der tTbersetzer Verweist gleichzeitig auf einen von W m Im Erscheinen begriffenen Aufsatz zu demse1,ben Thema.(Z.
I. Einleitung Seit 25 Jahren hat die Quantenphysik und insbesondere ihre charakteristischste Form, die Wellenmechanik, von Seiten der groBen Mehrzahl der Physiker eine rein statistische Auslegung erhalten, die in der Welt der atomaren Bereiche klare und prazise Bilder im Rahmen von Raum und Zeit ausschloD, wie sie bis dahin, zusammen mit dem durch sie bedingten Determinismus, in der Wissenschaft iiblich gewesen waren.Diese rein statistische Auslegung, verknupft mit den Namen von B o r n, B o h r und H e i s e n b e r g, ist sehr eigenartig und fuhrt ganzlich neuartige Auffassungen uber Kausalitat, Unbestimmtheit, Ununterscheidbarkeit von Partikeln, Natur der Wahrscheinlicbkeitsgesetze usw. in die Physik ein.Der Verf.ist seit 1928 uneingeschrankter Anhanger der statistischen Auslegung der Wellenmechanik gewesen und hat sie oftmals nach besten Kraften in seinen Vorlesungen und Buchern dargelegt.Diese Auslegung entsprach indessen nicht seinen anfanglichen Vorstellungen.Vielmehr hatte erin den Jahren 1924 bis 1927, die unmittelbar auf die Entdeckung der Wellenmechanik folgteneine andere Deutung vorgeschlagen, die mehr den herkommlichen Ideen der Theoretischen Physik entsprach.Aber entmutigt durch die Schwierigkeiten, welche die Entwicklung dieser Auffassung rnit sich brachte, und durch den geringen Anklang, welchen sie von Seiten der anderen Theoretiker fand, hat er sie aufgegeben.Neuere Arbeiten verschiedener Theoretiker gehen in der Richtung,' Gedankengange aufzunehmen, welche den vom Verfasser vor 25 Jahren ge-auDerten ahnlich sind und diese in mehrfacher Hinsicht vertiefen.Sie haben in manchen Kreisen sehr starkes Interesse gefunden, besonders unter den Wissenschaftlern Frankreichs rnit seiner Vorliebe fur die Pflege kartesischer Klarheit.In erneuten Betrachtungen der Frage und in Zusammenarbeit mit einem der jungen Theoretiker vom Institut Henri Poincar6, J. P. V i g i e r, dessen Arbeiten neue und originelle Gesichtspunkte geliefert haben, hat der Verf.seit einiger Zeit eine erneute Priifung seiner Konzeptionen von 1927 aufgenommen.Obwohl noch schwerere Einwande und Schwierigkeiten zu iiberwinden bleiben und es auch noch nicht moglich ist, diesen Versuchen endgiiltigen Erfolg vorherzusagen, so hat doch diese neuerliche Priifung einige ermutigende Ergebnisse gebracht und verdient es sicherlich, fortgesetzt zu werden . . .Die Neuauslegung der Wellenmechanik im angedeuteten Sinne wird, auch wenn schlieBlich erfolgreich, fortgesetzter Anstrengungen bedurfen, welche der folgende Bericht nur schwach andeuten kann.Sie diirfte auI3erdem noch wahrend einer langen Zeit auf die Gegnerschaft zahlreicher und *) Professor d e B r o g l i e hat unter dem obigen Titel eine Zusammenstellung seiner Llteren und neueren Arbeiten zum Thema der Deutung der Quantenphysik veraffentlicht (Gauthier-Villars, Paris 1953).Aus dem Vorwort und dem einleitenden Bericht dieses Werkes bringen wir mit der freundlichen Erlaubnis des Verfassers und der Verleger den vorliegenden von Prof. M. R e n n i n g e r (Mazburg) Clbersetzten Auszug.Der tTbersetzer Verweist gleichzeitig auf einen von W m Im Erscheinen begriffenen Aufsatz zu demse1,ben Thema.(Z.
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.
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.
Die Gesetze der klassischen Mechanik und nach ihrem Vorbild die der ganzen klassischen Physik sind so beschaffen, daß, wenn die Variablen eines abgeschlossenen Systems in einem Anfangszeitpunkt gegeben sind, sie für jede andere Zeit berechnet werden können — wenigstens im Prinzip; denn die mathematische Durchführung übersteigt in den meisten Fällen mensch= liche Kräfte. Dieser deterministische Gedanke hat eine große Anziehungs= kraft auf viele Denker ausgeübt und wurde zu einem wesentlichen Teil der naturwissenschaftlichen Philosophie. Die moderne Physik aber hat den Determinismus mit andern überkommenen Lehren über Raum, Zeit und Materie unter dem Druck neuer empirischer Erkenntnisse aufgeben müssen. Die Quantenmechanik, die an die Stelle der Newtonschen Mechanik getreten ist, erlaubt nur statistische Aussagen über das Verhalten von Masse= teilchen. Die große Mehrzahl der Physiker hat sich mit dieser Sachlage abgefunden; denn sie entspricht genau der empirischen Situation in der Atom= und Kernphysik, wo die Experimente im wesentlichen auf Zählun= gen von Ereignissen beruhen. Unter den Theoretikern aber sind einige, die sich damit nicht zufrieden geben, und zwar sind es gerade einige der großen Männer, denen die Quantentheorie ihre Entstehung und Entwick= lung verdankt. Soviel ich weiß, war Planck selbst immer skeptisch gegen über der statistischen Deutung der Quantenmechanik. Von Einstein gilt das gleiche; er hat bis heute nicht aufgegeben, den Widersinn dieser Deu= tung durch raffinierte Beispiele nachzuweisen (wobei er übrigens noch mehr Anstoß nimmt an der Auflösung des Begriffs der physikalischen Realität, die mit der Aufgabe des Determinismus eng zusammenhängt). Schrödinger geht noch weiter und schlägt vor, den Begriff von Teilchen (Elektronen, Kernen, Atomen etc.) zu opfern und die Physik ganz und gar auf die Vorstellung von Wellen aufzubauen, die dann nach der Wellen= mechanik deterministischen Gesetzen gehorchen. de Broglie (und andere) gehen den umgekehrten Weg; sie verwerfen die Wellen und versuchen eine Umdeutung der Quantenmechanik, bei der im Prinzip alles determiniert ist und nur durch das Vorhandensein verborgener, nicht beobachtbarer Para= meter eine Unbestimmtheit der Vorhersagen entsteht. — Keiner von ihnen leugnet, daß die Quantenmechanik im Bereiche ihrer Zuständigkeit (d. h. abgesehen von der Theorie der Elementarteilchen) im Einklang mit der Er= fahrung ist und allen Anforderungen der Experimentatoren genügt. Die Ablehnung wird in jedem Falle damit begründet, daß die übliche Deutung der Quantenformeln unklar und philosophisch unbefriedigend ist.
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.
Die Bohrs che Theorie, die uns eine Vorstellung vom Bau des Atoms gegeben hat, und die mit ihr aufs engste verknüpfte Quantenlehre, die dieser Theorie zugrunde liegt, sind nicht nur in fast alle Gebiete der Physik eingedrungen, sondern haben auch in der Chemie eine gewaltige, beständig wachsende Bedeutung erlangt. Diese Wissenschaft befaßt sich vor allem mit Atomen und Molekülen, und daher ist es von vornherein klar, daß eine Lehre, die so viel Neues über diese Atome gebracht hat, auch für die Chemie als eine Art Offenbarung erscheinen, ihr einen Zufluß von neuen Ideen geben, neue weite Horizonte eröffnen und zur Entwicklung sowie Vertiefung der theoretischen Grundlagen beitragen mußte, mit denen diese Wissenschaft das von ihr erlangte, fast unübersehbare Versuchsmaterial zusammengefaßt und synthesiert. Es ist ohne weiteres klar, daß wir der Anwendung der neuen Lehre auf die Chemie nur wenig Platz einräumen können und nur bei den Fragen verweilen werden, die für die Physik von Interesse sind. Ohne auf Einzelheiten einzugehen, und sich in jedem speziellen Falle auf ein oder zwei Beispiele beschränkend, werden wir unser Hauptaugenmerk auf die leitenden Grundgedanken und Tatsachen richten, durch die die Anwendungen der neuen, auf dem Boden der Physik entstandenen und zur Blüte gelangten Ideen auf die Chemie charakterisiert werden.