AuszugWir betrachten Ja/Nein-Experimente, bei denen nur die Frage interessiert, ob ein bestimmter Effekt eintritt oder nicht. Beispiele dafür sind der Münzwurf (Frage: „Zahl“?), Geburtenstatistik (Frage: „Knabe“?) oder bei Observablen der Physik die Fragestellung „Wert im Intervall I“? Wir denken uns das Experiment unter gleichen Bedingungen beliebig oft wiederholbar, wobei das Ergebnis einer Einzelmessung nicht vorhersehbar ist. Der interessierende Effekt trete bei N-maliger Wiederholung кN-mal auf. Dann lehrt die Erfahrung, daß sich die $$ relative H\ddot aufigkeit h_N : = \frac{{k_N }}{N} $$ für wachsendes N auf eine Zahl p ∈ [0,1] einpendelt (Gesetz der großen Zahl). Wir unterstellen im folgenden die Existenz einer solchen Erfolgswahrscheinlichkeit p; dabei stehen p = 1 bzw. p = 0 für die Extremfälle, daß der Effekt mit Sicherheit eintritt bzw. nicht eintritt.
AuszugWir betrachten Ja/Nein-Experimente, bei denen nur die Frage interessiert, ob ein bestimmter Effekt eintritt oder nicht. Beispiele dafür sind der Münzwurf (Frage: „Zahl“?), Geburtenstatistik (Frage: „Knabe“?) oder bei Observablen der Physik die Fragestellung „Wert im Intervall I“? Wir denken uns das Experiment unter gleichen Bedingungen beliebig oft wiederholbar, wobei das Ergebnis einer Einzelmessung nicht vorhersehbar ist. Der interessierende Effekt trete bei N-maliger Wiederholung кN-mal auf. Dann lehrt die Erfahrung, daß sich die relativeHa¨ufigkeithN:=NkN für wachsendes N auf eine Zahl p ∈ [0,1] einpendelt (Gesetz der großen Zahl). Wir unterstellen im folgenden die Existenz einer solchen Erfolgswahrscheinlichkeit p; dabei stehen p = 1 bzw. p = 0 für die Extremfälle, daß der Effekt mit Sicherheit eintritt bzw. nicht eintritt.
Wir ziehen ein System in Betracht, das aus einer sehr großen Anzahl gleicher Teilchen besteht, wie dies z. B. bei einem homogenen Gas der Fall ist, und wollen dieses System zunächst auf Grund der im Kapitel II ausgearbeiteten allgemeinen quantenmechanischen Theorie behandeln. Die Voraussetzungen für das folgende sind, daß die Teilchen vollkommen gleich, also voneinander nicht unterscheidbar sind, weiterhin daß die Wechselwirkung zwischen den Teilchen klein ist und vernachlässigt werden kann. Der Zustand des Gesamtsystems läßt sich dann durch den Zustand der einzelnen Teilchen beschreiben. Die Eigenfunktionen mit Berücksichtigung des Spins und die entsprechenden Energieeigenwerte der Einteilchenzustände bezeichnen wir mit φ k 1 , φ k 2 ,…bzw. E k 1 , E k 2 … ]] <![CDATA[φk1,φk2,…bzw.Ek1,Ek2… die Anzahl der Teilchen sei N. Wie wir im § 9 gesehen haben, gehören zum Energieeigenwert E k = E k 1 + E k 2 +…+ E k N ]] <![CDATA[Ek=Ek1+Ek2+…+EkN des Gesamtsystems die folgenden Eigenfunktionen x k ( i )= φ k 1 ( i 1 ) φ k 2 ( i 2 )… φ k N ( i N ) ]] <![CDATA[xk(i)=φk1(i1)φk2(i2)…φkN(iN) des Gesamtsystems, wo i 1, i 2,..., i N eine Permutation (i) der Zahlen 1, 2,..., N bedeutet. Die Anzahl der voneinander linear unabhängigen Eigenfunktionen x k (i) beträgt, falls die Einteilcheneigenfunktionen φ k i ]] <![CDATA[φki alle voneinander verschieden sind, N!; falls sich unter den φ k i ]] <![CDATA[φki auch gleiche befinden, so wird ihre Anzahl reduziert, denn es sind dann diejenigen Permutationen, welche nur die Argumente gleicher φ k i ]] <![CDATA[φki vertauschen, unwirksam und daher auszuschließen.
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.
In einer vollständigen Theorie gibt es zu jedem Element der Realität stets ein entsprechendes Element. Eine hinreichende Bedingung für die Realität einer physikalischen Größe ist die Möglichkeit, sie mit Sicherheit vorherzusagen, ohne das System zu stören. In der Quantenmechanik schließt im Falle von zwei physikalischen Größen, die durch nicht-kommutierende Operatoren beschrieben werden, das Wissen von der einen das Wissen von der anderen aus. Dann ist entweder (1) die Beschreibung der Realität, die durch die Wellenfunktion in der Quantenmechanik gegeben wird, nicht vollständig oder (2) diesen beiden Größen kann nicht gleichzeitig Realität zukommen. Die Betrachtung des Problems, Vorhersagen bezüglich eines Systems auf der Grundlage von Messungen zu machen, die an einem anderen System, das zuvor mit dem ersteren in Wechselwirkung stand, ausgeführt wurden, führen auf das Ergebnis, daß wenn (1) falsch ist, dann auch (2) falsch ist. Man wird so zu dem Schluß geführt, daß die Beschreibung der Realität, wie sie von der Wellenfunktion geleistet wird, nicht vollständig ist.
Gibt es das Leere oder gibt es das Leere nicht? Diese Frage hat Wissenschaftler und Philosophen seit der Antike umgetrieben. Während etwa Demokrit behauptete, dass es nur Atome und den leeren Raum gebe, haben einflussreiche Gelehrte, vor allem Aristoteles, das Dogma des horror vacui verkündet, die Scheu der Natur vor der Leere. Es ist nicht erstaunlich, dass diese Frage im 17. Jahrhundert an Dringlichkeit gewann, hat man damals doch damit begonnen, solche Fragen experimentell zu entscheiden. Wie Klaus Liebers in diesem Heft diskutiert, sind nach den ersten Experimenten von Evangelista Torricelli vor allem die Untersuchungen von Blaise Pascal von Bedeutung. Wir wissen natürlich, dass auch in den Experimenten Torricellis und Pascals der Raum nicht völlig leer ist, da noch immer einige Flüssigkeits- oder Gasmoleküle vorhanden sind. Die interessante Frage ist, ob sich der Raum zumindest im Prinzip leeren lässt. In der Technik spricht man von einem Hochvakuum, wenn der Druck der verbleibenden Moleküle unter etwa 10−7 Hektopascal fällt, was mit dem Atmosphärendruck unter Normalbedingungen von etwas über 1013 Hektopascal zu vergleichen ist. Im interplanetaren Raum hat man weniger als 10−18 Hektopascal. Hier kommt ganz entscheidend die Quantentheorie ins Spiel. Als Vakuum bezeichnet man dort üblicherweise den Grundzustand des Hamilton-Operators, also den Zustand niedrigster Energie. Bei der Berechnung dieser Energie hat man mit mathematischen Schwierigkeiten zu kämpfen, da sich für diese Energie zunächst der unsinnige Wert unendlich ergibt. Das hat mit den Nullpunktschwankungen zu tun, die wegen Heisenbergs Unbestimmtheitsrelationen unvermeidbar sind. Das Problem lässt sich (zunächst) lösen, indem man nur die endlichen Differenzen zur Grundzustandsenergie betrachtet und letztere willkürlich auf null setzt. Überraschungen lassen nicht lange auf sich warten. So erkannte der niederländische Physiker Hendrik Casimir schon 1948, dass das Einbringen zweier paralleler Platten im leeren Raum dazu führt, dass diese sich anziehen, was einer negativen Grundzustandsenergie entspricht. Experimentell ist dieser Casimir-Effekt wohletabliert. Er zeigt, dass das Vakuum recht ungewöhnliche Eigenschaften hat. Die Überraschungen verstärken sich noch, wenn man einen Beobachter betrachtet, der sich mit gleichförmiger Beschleunigung a durch das Vakuum bewegt. Wie der kanadische Physiker William Unruh 1976 feststellte, sieht dieser Beobachter keinen leeren Raum, sondern nimmt einen thermischen Zustand mit der Temperatur ħa/2πkBc wahr. Hierin bedeuten ħ das Wirkungsquantum, kB die Boltzmann-Konstante und c die Lichtgeschwindigkeit. Grund dafür ist die verschränkte Natur des Grundzustands, die sich bei gleichförmiger Beschleunigung thermisch äußert. Obwohl dieser Unruh-Effekt experimentell noch nicht etabliert ist, wird er allgemein akzeptiert. Wir verdanken unsere Existenz dem Vakuum Eng verwandt damit ist ein nach dem britischen Physiker Stephen Hawking bezeichneter Effekt. Wie Hawking 1974 theoretisch herausfand, strahlen Schwarze Löcher mit einer Temperatur ħκ/2πkBc, wobei κ die Oberflächenbeschleunigung des Schwarzen Loches ist. Auch nach diesem Effekt wird experimentell gefahndet. Während in der Quantenfeldtheorie nur die Differenzen zur Grundzustandsenergie messbar sind, ist für die Gravitation tatsächlich die absolute Energie von Bedeutung, da jeder Energie nach E = mc2 eine Masse zugeordnet ist, die ein Gravitationsfeld erzeugt. So sollte etwa der Grundzustand des mit dem Higgs-Teilchen verknüpften Feldes ein beträchtliches Gravitationsfeld erzeugen, von dem aber nichts zu spüren ist. Zu spüren ist aber eine im Vakuum vorhandene, viel kleinere Energie, die als Kosmologische Konstante oder Dunkle Energie zu einer beschleunigten Expansion des Universums führt. Der Ursprung dieser Vakuumenergie ist bisher nicht geklärt. Nach den gängigen Vorstellungen der Kosmologie lassen sich die Strukturen im Universum, Galaxien und Galaxienhaufen, auf die Nullpunktschwankungen von Feldern im frühen Universum zurückführen, die durch eine äußerst schnelle Expansion (inflationäre Phase) quasi zum Leben erweckt werden. So verdanken auch wir unsere Existenz dem Vakuum, vor dem die Natur keine Scheu hat. Claus Kiefer ist Professor für theoretische Physik an der Universität zu Köln, wo er sich vornehmlich der Quanten- und Gravitationsphysik widmet.
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.
Die letzten Ausführungen haben bereits einen Ausblick auf den Wandel in der Fassung des Naturgesetzes gewährt: es hat sich ja aus unserer ganzen Darstellung ergeben, daß das strenge, kausale, in Raum und Zeit gegebene, in Differentialgleichungen ausdrückbare Naturgesetz der älteren Physik mit dem der heutigen Physik, daß im Quantenpostulat eine Unstetigkeit des Geschehens einführt und mit ihr eine statistische Auffassung der Naturvorgänge, nicht übereinstimmt. Wenn wir uns in diesem abschließenden Teil noch besonders der Problematik des Naturgesetzes zuwenden, so könnte das den Anschein erwecken, als ob wir das bereits Gesagte wiederholen müßten. Denn die wesentlichsten Gesichtspunkte der neuen Auffassung vom Naturgesetz sind ja in der Tat durch die Begriffe Statistik und Komplementarität gekennzeichnet. Aber es bleibt doch noch ein besonderer Aspekt, unter dem man das Problem des Naturgesetzes betrachten kann, der zwar hier und da in den vorausgehenden Betrachtungen bereits zum Ausdruck gelangte, dessen Wichtigkeit aber doch eine gesonderte Behandlung verlangt: Das ist die Frage des Verhältnisses zwischen Naturgesetz und Objektivierbarkeit überhaupt, denn je nach der Entscheidung in diesen Fragen wird man von einem Begriffswandel in der Auffassung des Naturgesetzes sprechen müssen.