Seit einigen Jahren gibt es einen regelrechten Boom für Sachbücher, die von vielen komplizierten Fragen heutiger theoretischer Physik handeln. Vornehmlich befassen sich die Autoren mit wissenschaftstheoretischen Problemstellungen aus der Quantenmechanik, der Elementarteilchenphysik und der Kosmologie. Das Niveau reicht von der naturphilosophischen über die populärwissenschaftliche Darstellung bis zur Esoterik. Neueren Datums sind Bücher solcher Art über physikalische Grundlagen, die oft in Zusammenhang mit der Evolutionstheorie gebracht und zunehmend mit irreführenden modischen Bezeichnungen belegt werden. Beispiele sind Begriffe wie Ordnung und Chaos, R. Thoms Katastrophentheorie, Zufall und Wahrscheinlichkeit, Feigenbaumsche Bifurkationen, dissipative Strukturen, u.s.w. [2/01]. Dazu kommen noch einprägsame Interpretationen einiger spektakulärer mathematischer Entdeckungen wie die logistische Gleichung nach R.M. May, J.H. Conway’s Life Game oder B. Mandelbrot’s Fraktale. Wiedererweckung erfährt C.G. Jungs bekannter Begriff ‹Synchronizität›, der neuerdings als ein im Universum waltendes Superprinzip propagiert wird (PEAT 1989).
Seit einigen Jahren gibt es einen regelrechten Boom für Sachbücher, die von vielen komplizierten Fragen heutiger theoretischer Physik handeln. Vornehmlich befassen sich die Autoren mit wissenschaftstheoretischen Problemstellungen aus der Quantenmechanik, der Elementarteilchenphysik und der Kosmologie. Das Niveau reicht von der naturphilosophischen über die populärwissenschaftliche Darstellung bis zur Esoterik. Neueren Datums sind Bücher solcher Art über physikalische Grundlagen, die oft in Zusammenhang mit der Evolutionstheorie gebracht und zunehmend mit irreführenden modischen Bezeichnungen belegt werden. Beispiele sind Begriffe wie Ordnung und Chaos, R. Thoms Katastrophentheorie, Zufall und Wahrscheinlichkeit, Feigenbaumsche Bifurkationen, dissipative Strukturen, u.s.w. [2/01]. Dazu kommen noch einprägsame Interpretationen einiger spektakulärer mathematischer Entdeckungen wie die logistische Gleichung nach R.M. May, J.H. Conway’s Life Game oder B. Mandelbrot’s Fraktale. Wiedererweckung erfährt C.G. Jungs bekannter Begriff ‹Synchronizität›, der neuerdings als ein im Universum waltendes Superprinzip propagiert wird (PEAT 1989).
Dies ist eine verspätete Besprechung eines hochinteressanten und anregenden Buches1. Obwohl es sich mit gewissen Schwierigkeiten einer sehr speziellen Theorie der Gegenwart beschäftigt , nämlich der Quantentheorie, dürfte es auch für die vielen Nichtphysiker von Interesse sein, die etwas über die Welt erfahren möchten, in der wir leben , wie auch über die Ideen, die heute zum Verständnis dieser Welt entwickelt werden. Man meint oft — und die Grundeinstellung vieler heutiger Physiker spricht dafür — , daß Spekulation und Erfindungsgabe in den Naturwissenschaften keine sehr große Rolle spielen, denn physikalische Theorien sind ja durch die Tatsachen mehr oder weniger eindeutig bestimmt . Natürlich meint man auch, daß unsere heutigen Kenntnisse des Mikrokosmos auf eben dieser Art bestimmt und daher zumindest in ihren Hauptzügen unwiderruflich sind . Das Buch zeigt die Unrichtigkeit dieser Vorstellungen ; es zeigt, daß es Meinungsverschiedenheiten in einigen ganz grundlegenden Fragen gibt , daß das imposante und vielleicht ein wenig fürchteinflößende Bild der Wissenschaft als einer unveränderlichen und nur ständig wachsenden Sammlung von Tatsachen nichts als ein Märchen ist und daß Erfindungsgabe und Spekulation in der Physik keine geringere Rolle spielen als sonstwo . Es zeigt weiterhin, daß man auch heute noch schwierige Fragen interessant und verständlich behandeln kann. Und damit zeigt es schließlich, daß die oft beklagte Kluft zwischen den Natur- und den Geisteswissenschaften auf einem falschen Bild , ja einer Karikatur der Naturwissenschaften beruht . Das Buch kritisiert dieses falsche Bild. Es widerlegt auch die Idee, daß die Komplernentarität und sie allein alle ontologischen und theoretischen Probleme der Mikrophysik löst ; daß diese Lösung absolut gültig ist , und daß der Physiker der Zukunft nur noch Gleichungen zur Voraussage ansonsten unproblematischer Ereignisse aufzustellen und zu lösen braucht. Kurz , es widerlegt die Idee, daß der Physiker der Zukunft wie ein mittelalterlicher Gelehrter vorgehen wird, nur eben mit Bohr stat Aristoteles als seiner Autorität in metaphysischen Fragen.
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
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.
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.
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 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.