AuszugIm Jahre 1900 gelang es dem Deutschen Physiker Max Planck (1858 –1947) das Strahlungsspektrum eines schwarzen Körpers zu beschreiben. Dazu führte er, „in einem Akt der Verzweiflung“, eine mathematische Hilfsgrösse ein, die unter dem Namen Planck’sches Wirkungs-quantum bekannt wurde. Einige Jahre später gelang es Albert Einstein, damit den Photoeffekt zu erklären und es wurde deutlich, dass sämtliche elektromagnetische Strahlung nur als Vielfaches von unteilbaren Portionen auftritt, also quantisiert ist. In seinem Artikel [21], welcher ihm 1921 den Nobelpreis einbrachte, formulierte dies Einstein wie folgt „Es scheint mir nun in der Tat, dass die Beobachtungen über die „schwarze Strahlung“, Photolumineszenz, (...) besser verständlich erscheinen unter der Annahme, dass die Energie des Lichtes diskontinuierlich im Raum verteilt sei. “ Diese Erkenntnis bereitete den Physikern zu Beginn einiges an Kopfzerbrechen, führte aber im Verlauf des 20. Jahrhunderts zur Entstehung eines neuen und mittlerweile sehr erfolgreichen Teilgebiets der Physik, der Quantenphysik.
AuszugIm Jahre 1900 gelang es dem Deutschen Physiker Max Planck (1858 –1947) das Strahlungsspektrum eines schwarzen Körpers zu beschreiben. Dazu führte er, „in einem Akt der Verzweiflung“, eine mathematische Hilfsgrösse ein, die unter dem Namen Planck’sches Wirkungs-quantum bekannt wurde. Einige Jahre später gelang es Albert Einstein, damit den Photoeffekt zu erklären und es wurde deutlich, dass sämtliche elektromagnetische Strahlung nur als Vielfaches von unteilbaren Portionen auftritt, also quantisiert ist. In seinem Artikel [21], welcher ihm 1921 den Nobelpreis einbrachte, formulierte dies Einstein wie folgt „Es scheint mir nun in der Tat, dass die Beobachtungen über die „schwarze Strahlung“, Photolumineszenz, (...) besser verständlich erscheinen unter der Annahme, dass die Energie des Lichtes diskontinuierlich im Raum verteilt sei. “ Diese Erkenntnis bereitete den Physikern zu Beginn einiges an Kopfzerbrechen, führte aber im Verlauf des 20. Jahrhunderts zur Entstehung eines neuen und mittlerweile sehr erfolgreichen Teilgebiets der Physik, der Quantenphysik.
Einleitung. M. Planck (1858–1947) fand um 1900, daß elektromagnetische Strahlung nicht nur als Welle (6.9.5), sondern auch als eine Gesamtheit meist sehr vieler Teilchen, sogenannter Photonen, aufgefaßt werden kann. Bei der Fortpflanzung verhält sich elektromagnetische Strahlung wie eine Welle, bei der Wechselwirkung mit Materie wie Teilchen. Es gelang M. Planck, diese Dualität durch die Beziehungen zwischen der Frequenz, bzw. der Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen und der Energie und dem Impuls der entsprechenden Photonen zu beschreiben. Die Planckschen Beziehungen stehen am Anfang der Quanten- und Wellenmechanik. Im Gegensatz zur klassischen Mechanik ist es ihr móglich, atomare und molekulare Zustände und Prozesse mathematisch exakt wiederzugeben.
Seit ich mich im Alter von 19 Jahren dem Studium der Theoretischen Physik zugewandt habe, bin ich stets ein glühender Bewunderer sowohl der Person als auch des Werkes von Albert Einstein gewesen. Ich wußte, daß dieser berühmte und immer noch jugendliche Gelehrte bereits im Alter von 25 Jahren Ideen in die Physik eingebracht hatte, die in ihrer Neuartigkeit so revolutionär waren, daß sie ihn zum Newton der modernen Naturwissenschaften werden ließen. Ich vertiefte mich mit Eifer und Sorgfalt in diese elegante Relativitätstheorie, die seinen Namen trug, denn ich war damals nur ein Anfänger. Ich wußte auch — und da ich die Quantentheorie intensiv studierte, interessierte mich dieser Teil seiner Arbeit natürlich besonders —, daß Einstein eine kühne Hypothese in bezug auf das Licht verfaßt hatte, seine Theorie der Lichtquanten, in der er den alten Korpuskularbegriff der Strahlung, der seit Fresnel aufgegeben worden war, neu formuliert hatte. Ich wußte außerdem, daß es ihm gelungen war, die Gesetze des photoelektrischen Effekts zu interpretieren und das Problem der Energieschwankungen (Fluktuationen) in der Strahlung eines schwarzen Körpers zu analysieren. Kurz gesagt: Bei jedem Schritt meiner Studien stieß ich mit ständig wachsender Begeisterung auf das Werk dieses erhabenen Denkers.
Die Geschichte der Entdeckung des Ausschließungsprinzips, für die mir im Jahre 1945 die Ehre der Verleihung des Nobelpreises zuteil geworden ist, reicht bis in meine Studentenjahre in München zurück. Nachdem ich mir schon als Schüler in Wien einiges Wissen in der klassischen Physik und von Einsteins damals neuer Relativitätstheorie erworben hatte, geschah es an der Universität München, daß ich durch Sommerfeld in den — vom Standpunkt der klassischen Physik aus etwas sonderbaren — Bau des Atoms eingeführt wurde. Mir wurde der Schock nicht erspart, den jeder Physiker, an die klassische Denkweise gewohnt, erhielt, als er zuerst Bohrs „Grundpostulat der Quantentheorie“ kennen lernte. Es gab damals zwei Wege, auf denen man sich den schwierigen mit dem Wirkungsquantum verknüpften Problemen nähern konnte. Der eine bestand in dem Bemühen, eine abstrakte Ordnung in die neuen Gedanken zu bringen, indem man nach einem Schlüssel zur Übersetzung der klassischen Mechanik und Elektrodynamik in die Quantensprache suchte, die eine logische Verallgemeinerung jener wäre. In diese Richtung zielte Bohrs Korrespondenzprinzip.
Eines der wichtigsten geistigen Ereignisse im 20. Jahrhundert ist die Entstehung der Atomtheorie mit Namen Quantenmechanik. Von ihr gibt es zwei gleichwertige mathematische Fassungen. Die erste Formulierung gelang dem jungen H. 1925. Sein Durchbruch wurde möglich, weil er in seiner Arbeit Über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen nur Zusammenhänge zwischen solchen Eigenschaften der Atome berücksichtigte, die beobachtbar waren. H. verzichtete deshalb zum Beispiel darauf, von den Bahnen der Elektronen in einem Atom zu reden; statt dessen konzentrierte er sich auf die Frequenzen des Lichtes (Spektrallinien), das Atome abstrahlen. Daß es philosophisch falsch ist, eine Theorie nur auf beobachtbare Größen aufbauen zu wollen, hat H. dann von Einstein gelernt. Er überzeugte H. davon, daß umgekehrt erst die Theorie darüber entscheidet, was man beobachten kann.
Jede neue Naturerscheinung, die mit dem bisher anerkannten Theoriensystem noch unvereinbar ist, stellt ihren Entdecker vor die Frage, welche der bekannten, zur Naturbeschreibung verwendeten Prinzipien hinreichende Allgemeinheit besitzen, um die neue Situation zu erklären, und welche derselben abzuändern oder aufzugeben sind. Die Haltung verschiedener Physiker zu Problemen dieser Art, welche hohe Anforderungen an die Intuition und den Takt eines Wissenschaftlers stellen, hängt wesentlich vom persönlichen Temperament des betreffenden Forschers ab. Im Falle der Planckschen Entdeckung des Wirkungsquantums im Jahre 1900, die er im Zuge seiner berühmten Untersuchungen über das Strahlungsgesetz des schwarzen Körpers machte, lag es auf der Hand, daß die Erhaltungssätze von Energie und Impuls, sowie das Boltzmannsche, Entropie und Wahrscheinlichkeit verbindende Prinzip sich als zwei Säulen erweisen mußten, deren Tragkraft durch die der neuen Entdeckung folgende Entwicklung nicht erschüttert werden konnten. Tatsächlich war es gerade das Festhalten an diesen Prinzipien, welches Planck die Einführung der neuen Konstanten h, des Wirkungsquantums, in seine statistische Theorie des thermodynamischen Strahlungsgleichgewichtes ermöglichte.
Als im Oktober 1917 das Institut für Theoretische Physik unter seinem langjährigen Direktor Max Planck (1858-1947) den gerade als Erweiterungsbau fertiggestellten Ostflügel des Universitätsgebäudes bezog, befand sich die physikalische Forschung in Berlin auf einem Höhepunkt. Nicht nur an der Universität, sondern auch an der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt sowie in den Forschungsstätten der Großbetriebe wie Siemens und AEG waren namhafte Wissenschaftler am Werk, um die Entwicklung der Physik auf verschiedenen Gebieten voranzutreiben. So verlangte die aufkommende Elektrifizierung nach leistungsfähigen Lichtquellen, was umfangreiche Untersuchungen auf dem Gebiet der Strahlungsgesetze erforderte. Die daraus resultierenden experimentellen Ergebnisse bildeten die Basis für Plancks theoretische Überlegungen, die zur Begründung der Quantentheorie führten. Dafür wurde Max Planck 1918 mit dem Nobelpreis für Physik geehrt. Als er im Herbst 1926 in den Ruhestand trat, hatte er Erwin Schrödinger als seinen Nachfolger gewonnen, der im selben Jahr mit seiner Abhandlung »Quantisierung als Eigenwertproblem« die Wellenmechanik begründet hatte.