Dieses Buch enthält den Stoff einer zweisemestrigen Vorlesung.Es ist für Studierende der Physik zum Lernen und Nachschlagen gedacht.Als ich zum ersten Mal die Vorlesung " Quantentheorie" vorbereitete, besorgte ich mir mehr als 20 Lehrbücher aus der Bibliothek, um Anregungen zu sammeln.Es gibt eine Reihe sehr ausführlicher Werke, die eine gewisse Vollständigkeit anstreben und zum Nachschlagen und Vertiefen spezieller Themen sehr gut geeignet sind, als Lehrbuch für Anfänger aber zu umfangreich sind.Andere Bücher konzentrieren sich auf die wesentlichen Sachverhalte und sparen an Beispielen und Erläuterungen.Nachdem alle Bücher mehr oder weniger gründlich durchgesehen waren, musste ich feststellen, dass keines darunter war, dessen Inhalt dem entsprach, was ich mir für die Vorlesung vorgenommen hatte.So entstand die Idee zu diesem Lehrbuch.
Dieses Buch enthält den Stoff einer zweisemestrigen Vorlesung.Es ist für Studierende der Physik zum Lernen und Nachschlagen gedacht.Als ich zum ersten Mal die Vorlesung " Quantentheorie" vorbereitete, besorgte ich mir mehr als 20 Lehrbücher aus der Bibliothek, um Anregungen zu sammeln.Es gibt eine Reihe sehr ausführlicher Werke, die eine gewisse Vollständigkeit anstreben und zum Nachschlagen und Vertiefen spezieller Themen sehr gut geeignet sind, als Lehrbuch für Anfänger aber zu umfangreich sind.Andere Bücher konzentrieren sich auf die wesentlichen Sachverhalte und sparen an Beispielen und Erläuterungen.Nachdem alle Bücher mehr oder weniger gründlich durchgesehen waren, musste ich feststellen, dass keines darunter war, dessen Inhalt dem entsprach, was ich mir für die Vorlesung vorgenommen hatte.So entstand die Idee zu diesem Lehrbuch.
Physik ist eine wunderbare Wissenschaft. Wenn ich einen guten Physiklehrer auf dem Gymnasium gehabt hätte, ware ich vielleicht Physiker geworden. Ich bereue es aber nicht, Informatiker geworden zu sein. Wenn man tief genug in die Grundlagen der eigenen Wissenschaftsdisziplin einsteigt, dann berührt man auch andere Gebiete der Grundlagenforschung, erwirbt einen Zugang zu den gemeinsamen Fundamenten aller Wissenschaften und sieht vieles klarer und spannender, als wenn man es nur aus der engen Sicht einer Wissenschaftsdisziplin betrachtet. Die Physik bietet gleichzeitig einen breiteren und tieferen Blick auf die Welt und keine andere Wissenschaft hat unser Weltbild insbesondere im neunzehnten und in der ersten Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts so stark geprägt wie gerade die Physik. Spannende Entdeckungen, unerwartete Wendungen und spektakuläre Ergebnisse waren gang und gäbe in der physikalischen Forschung. Die Quantenmechanik selbst gehort für mich zu den größten Errungenschaften der Wissenschaft. Sie zu verstehen und zu akzeptieren, war für die Menschen nicht leichter als im Mittelalter den Glauben an die zentrale Position der Erde im Universum aufzugeben. Warum hatte die Quantenmechanik mit ihrer Anerkennung ähnliche Probleme wie Galileo Galilei? Die Gesetze der Quantenmechanik sind Regeln für das Verhalten der Elementarteilchen und diese Regeln stehen im Widerspruch zu unseren Erfahrungen aus der Makrowelt. Im Folgenden nennen wir die wichtigsten Prinzipien der Quantenmechanik, die die Weltanschauung der klassischen Physik sprengen.
Physik ist eine wunderbare Wissenschaft. Wenn ich einen guten Physiklehrer auf dem Gymnasium gehabt hätte, wäre ich vielleicht Physiker geworden. Ich bereue es aber nicht, Informatiker geworden zu sein. Wenn man tief genug in die Grundlagen der eigenen Wissenschaftsdisziplin einsteigt, dann berührt man auch andere Gebiete der Grundlagenforschung, erwirbt einen Zugang zu den gemeinsamen Fundamenten aller Wissenschaften und sieht vieles klarer und spannender, als wenn man es nur aus der engen Sicht einer Wissenschaftsdisziplin betrachtet. Die Physik bietet gleichzeitig einen breiteren und tieferen Blick auf die Welt und keine andere Wissenschaft hat unser Weltbild insbesondere im neunzehnten und in der ersten Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts so stark geprägt wie gerade die Physik. Spannende Entdeckungen, unerwartete Wendungen und spektakuläre Ergebnisse waren gang und gäbe in der physikalischen Forschung. Die Quantenmechanik selbst gehört für mich zu den größten Errungenschaften der Wissenschaft. Sie zu verstehen und zu akzeptieren, war für die Menschen nicht leichter als im Mittelalter den Glauben an die zentrale Position der Erde im Universum aufzugeben. Warum hatte die Quantenmechanik mit ihrer Anerkennung ähnliche Probleme wie Galileo Galilei? Die Gesetze der Quantenmechanik sind Regeln für das Verhalten der Elementarteilchen und diese Regeln stehen im Widerspruch zu unseren Erfahrungen aus der Makrowelt. Im Folgenden nennen wir die wichtigsten Prinzipien der Quantenmechanik, die die Weltanschauung der klassischen Physik sprengen.
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
Der vorliegende Band setzt das von L. D. LANDAU geplante Vorhaben fort, dessen Ziel bereits im Vorwort zum ersten Band dargelegt wurde und darin besteht, ein Minimum an Kenntnissen auf dem Gebiet der theoretischen Physik zu vermitteln, das man jedem heutigen Physiker unabhängig von seinem speziellen Arbeitsgebiet zum Studium empfehlen könnte.Der erste Teil dieses Bandes, die nichtrelativistische Quantentheorie, folgt der von L. D. LANDAU und mir verfaßten "Quantenmechanik" (Band III der großen Reihe).Die Kürzung des Stoffes wurde durch Weglassen sowohl ganzer Abschnitte von mehr speziellem Interesse als auch einer großen Anzahl methodischer, für den professionellen Theoretiker bestimmter Details erreicht.Natürlich mußte bei einer derartigen starken Reduzierung ein bedeutender Teil des Textes neu geschrieben werden.Dabei strebte ich jedoch danach, dengesamten Charakter und den Stil der Darlegung zu bewahren und nirgends Vereinfachungen auf dem Wege irgendeiner Vulgarisierung der Begriffe zuzulassen.Die Vereinfachung wird ausschließlich auf Kosten einer geringeren Ausführlichkeit erreicht.Im ersten Teil des vorliegenden Bandes ist kaum die Formulierung "man kann zeigen" anzutreffen; die hier dargelegten Resultate werden zusammen mit entsprechenden Herleitungen angegeben.Letzteres trifft allerdings nur in geringerem Maße auf den zweiten Teil dieses Bandes zu.Dieser Teil folgt dem Charakter der Darlegung nach der von mir gemeinsam mit W. B. BERESTETZKI und L. P. PITAJEWSKI verfaßten "Relativistischen Quantentheorie" (Band IVa der großen Reihe des Lehrbuches der Theoretischen Physik).Teil II behandelt indessen nur die Grundlagen der Quantenelektrodynamik.Auch hier strebte ich an, die Darlegung des Stoffes derart aufzubauen, daß nach Möglichkeit die physikalischen Voraussetzungen und die logische Struktur der Theorie klar hervortreten.Jedoch wegen der beträchtlichen Kompliziertheit der Rechnungen, an die eine Lösung konkreter Probleme auf diesem Gebiet gewöhnlich gebunden ist, wirdeine Reihe von Anwendungen der Theorie nur in Form der Ergebnisse diskutiert.Bei der Auswahl des Materials für diesen Teil des vorliegenden Buches ließ ich mich darüber hinaus vom Inhalt der Vorlesungsreihe über Quantenelektrodynamik leiten, die L. D. LAN-DAU im Studienjahr 1959/60 an der Moskauer LOMONOSSOW-Universität hielt.In diesem Zusammenhang danke ich A. S. KOMPANEJETZ, N. I. BUDKO und P. S.
Der Aufbau und Inhalt des vorliegenden Bandes "Quanten" wird in der Einleitung ausführlich besprochen.Er enthält sieben Teile, deren Inhalt eng zusammenhängt, so daß sich für das Studium der einzelnen Teile eine gewisse Reihenfolge empfiehlt, die durch das untenstehende Pfeilschema angedeutet wird.Teil 2 über die Teilchenquantelung bereitet dem Anfänger gewisse Schwierigkeiten.Dafür wurde Teil 3 so aufgebaut, daß zu seinem Studium das Verständnis von Teil 2 nicht unbedingt erforderlich ist.Wegen der in der Einleitung erwähnten Symmetrie der Quantentheorie gegenüber den Begriffen "Teilchen" und "Wellen" sollte das vorstehende Pfeilschema eigentlich "rechts-links-symmetrisch" sein.Dies ist aber nicht der Fall, weil sich der Wellenbegriff wegen seiner starken Anschaulichkeit zur Lösung spezieller quantenmechanischer Probleme als fruchtbarer erwiesen hat.
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.