ZusammenfassungNach der Entdeckung der Quantenmechanik durch Heisenberg wurde in ihr zunächst hauptsächlich das Verhalten gebundener Systeme untersucht. In den letzten Jahrzehnten trat auf allen Gebieten der Quantenmechanik, sei es Atomphysik, Festkörperphysik, Kernphysik oder Elementarteilchenphysik, die sämtliche eng mit dem Namen Heisenberg verknüpft sind, immer mehr das Studium der Mehrteilchenreaktionen in den Vordergrund.
ZusammenfassungNach der Entdeckung der Quantenmechanik durch Heisenberg wurde in ihr zunächst hauptsächlich das Verhalten gebundener Systeme untersucht. In den letzten Jahrzehnten trat auf allen Gebieten der Quantenmechanik, sei es Atomphysik, Festkörperphysik, Kernphysik oder Elementarteilchenphysik, die sämtliche eng mit dem Namen Heisenberg verknüpft sind, immer mehr das Studium der Mehrteilchenreaktionen in den Vordergrund.
ZusammenfassungDie Quantenmechanik in ihrer ursprünglichen, von Heisenberg begründeten Matrizenform war ausschließlich zur Behandlung abgeschlossener, periodischer Systeme geeignet. Sie beschrieb mögliche Zustände und Obergänge, sie erlaubte die Energieniveaus zu berechnen sowie die Schwingungen der „virtuellen Resonatoren“, die den Quantensprüngen zugeordnet sind; aber sie konnte nicht vorhersagen, wie sich ein System unter bestimmten äußeren Bedingungen verhalten würde. Bald aber zeigte es sich, daß auf Grund der Matrizenmechanik wenigstens statistische Aussagen über das Verhalten eines Systems möglich sind, wenn dieses locker mit einem anderen System gekoppelt ist. Dann ist seine Energie nicht konstant, ihre Matrix hat nicht nur Diagonalelemente; aber ihr Mittelwert ist eine Diagonalmatrix und das Element, das die mittlere Energie im n=ten Zustande unter der Wirkung der Störung bedeutet, läßt sich auffassen als das Resultat von Quantensprüngen zwischen dem n=ten Zustande und allen andern Zuständen des ungestörten Systems, wobei jedem Sprunge eine aus der Koppelung berechenbare Übergangswahrscheinlichkeit zukommt. Dagegen läßt sich nichts über den Zeitpunkt eines Quantensprunges aussagen. Die Weiterentwicklung der Quantenmechanik hat ihren statistischen Charakter immer deutlicher zum Vorschein gebracht, besonders als es gelang, aperiodische Vorgänge der Behandlung zu unterwerfen. Von den
Heisenberg verstehen Die Quantenmechanik ist ein seit Jahrzehnten kultiviertes Mysterium. Es gilt als allgemein bekannt, dass man die ihr zugrunde liegenden Phänomene zu akzeptieren hat, weil sie prinzipiell unbegreiflich sind. Die Autoren dieser kompakten Einleitung machen dem ein Ende. Mit ihrem alternativen Ansatz treten sie den Beweis an, dass man die Quantenmechanik tatsächlich verstehen kann. Durch den Verzicht auf komplizierte Herleitungen konzentrieren sie sich auf das Wesentliche und erleichtern so den Zugang zur faszinierenden Wissenschaft des Allerkleinsten. Aus dem Inhalt Schrödinger-Gleichung / Existiert Zufall? / Heisenbergsche Unschärferelation / Doppelspalt & Tunneleffekt / Stabilität von Atomen / Wellenförmige Wahrscheinlichkeitsdichten / Eigenschaften des Vakuums / Impuls & Energie / Wann wird klassische Mechanik zur Quantenmechanik? / Spin & Verschränkung / Lichtemission und Aufbau des Wasserstoff-Atoms / Mehrteilchensysteme / Fermionen und Bosonen
Von Lothar von Straufl und Torneu, Jena II.Der durch die Quantenmechanik veranderte Standpunkt *)In den letzten Jahrzehnten des 19.Jahrhunderts trat mit der Entdeckung der neuen Strahlenarten, Kathoden-und Rontgen-Strahlen, und des Elektrons wie auch der Radioaktivitat eine groRe Menge empirischen Materials in die Physik ein, dessen Einordnung in die Theorie in vollem MaRe erst durch die Quantentheorie ermoglicht wurde.Der Blitz, der diese Situation zum ersten Ma1 erleuchtete, war Plancks Entdeckung des Gesetzes der Hohlraumstrahlung, das den neuartigen und zunachst wenig verstandenen Begriff der Quanten in die Physik einfuhrte.Des weiteren ist die Atomtheorie Rutherfords zu erwahnen sowie, schon unter Benutzung des Wirkungsquantums, die Bohrsche Atomtheorie, die das Atomplanetensystem erkennen lieR, sich aber mit ihren ,,strahlungslosen" Elektronenbahnen zunachst in schroffem Gegensatz zur klassischen Elektrodynamik setzte.Durch eine Fulle experimenteller Bestatigungen erwies sich jedoch ihr Wahrheitswert, womit ein neues Zeitalter der Physik eroffnet wurde.Es ist bekannt, da13 die Bohrsche Theorie auch auf Schwierigkeiten sties, was aber ihre fundamentale Bedeutung nicht aufhob, und daI3 dann Heisenberg, Schrodinger, Dirac u. A. die Quantenmechanik aufstellten, die auch noch heute das physikalische Weltbild beherrscht.Heisenbergs groI3e Tat ist nicht nur die Quantentheorie der Matrizen, sondern auch vor allem die Entdeckung der Unscharfe-Relationen, welche den von de Broglie aufgedeckten Dualismus von Teilh e n -und Wellenbild begrundeten.Hier werden wir anzuknupfen haben, wenn die Bedeutung der modernen Physik fur den Begriff der Objektivierbarkeit, dem diese Arbeit gewidmet sein soll, ins Auge gefaRt wird.Heisenberg hat wohl zuerst die veranderte Stellung der Physik zur Objektivierbarkeit erfaI3t.In aufierordentlich klarer Weise hat er &on 1933 in einem Munchener Vortrag diese schopferische Idee ans Licht ge-~t e l l t .~) Die Unscharfe-Relationen sprechen in ihrer ersten Form die Komplementaritat zwischen Impuls und Ort einerseits, zwischen Energie und Zeit andererseits aus.Klassische und Quantenphysik haben die Satze von der Erhaltung der Energie und des Impulses gemeinsam.Wenn man mit der klassischen Physik in den Erhaltungssatzen die Kausalgesetzlichkeit als Ausdruck der Gesetzlichkeit der Naturvorgange annimmt, im Raum-Zeit-Bild die Anschaulichkeit, so wird man die beiden Kennzeichen der Kausalitat im klassischen Sinne, Energie und Impuls, als komplementar zu der Dimension der Anschauung setzen.Wir mussen auch hier die Kenntnis der quantenmechanischen Theorie im wesentlichen als bekannt voraussetzen.Schrodinger sah in seiner Wellen-
ZusammenfassungDas Mehrteilchenproblem der Atomphysik konnte, wie die meisten Probleme der Quantenphysik, erst auf Grund der modernen Quantenmechanik in Angriff genommen werden. Die ältere Bohrsche Quantentheorie hat bei der Behandlung des Mehrteilchenproblems vollkommen versagt, denn es zeigte sich, daß schon das einfachste Mehrteilchenproblem, das He-Problem, bei dem sich im Feld eines Kernes nur zwei Elektronen bewegen, zu unüberwindlichen Schwierigkeiten führte, und es ist auf Grund der Bohrschen Atomtheorie nicht gelungen, ein He-Modell zu konstruieren, das die Eigenschaften des He-Atoms zu erklären vermag. Durch die Entdeckung der Quantenmechanik, die man in erster Linie De Broglie, Heisenberg, Schrödinger und Dirac zu verdanken hat, änderte sich diese Lage mit einem Schlag. Durch die Quantenmechanik wurde für die gesamte Quantenphysik ein neues Fundament geschaffen, aus dem sich eine in sich geschlossene und widerspruchsfreie Theorie des Mehrteilchenproblems entwickeln konnte. Natürlich muß man gerade so wie beim berüchtigten astronomischen Drei- und Mehrkörperproblem darauf verzichten, das Problem in seinem vollen Umfang anzugreifen; es werden immer nur spezielle, in der Natur wichtige Teilprobleme zu lösen sein, und jedes dieser Teilprobleme erfordert wohlüberlegte und kunstvolle mathematische Approximationen.
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.
Die theoretische Deutung der Ouantenstruktur der Materie hat unsere Vor stelluhg von der Wirklichkeit tiefgreifend veriindert. Der entscheidende Schritt dazu wurde von Werner Heisenberg vor fast einem halben Jahrhundert getan. Die neue Ouantenphysik hat in vielen physikalischen und philosophischen Arbeiten ihren Nieder schlag gefunden; sie hat ganz neue Gebiete erschlossen, wie insbesondere die Atomkem physik und die Physik der Elementarteilchen. Wemer Heisenberg hatte und hat noch an der Erforschung dieser neuen Gebiete wesentlichen Anteil. Sein Hauptinteresse in den letzten Jahren galt dabei der Entwicklung einer einheitlichen fundamentalen Feldtheorie der Materie. Das Lebenswerk Heisenbergs ist in so hohem MaRe Teil der heutigen physika lischen Literatur geworden, daB - damit verglichen - der Versuch einer gesonderten Darstellung in einem Festband immer als unzureichend oder uberflUssig erscheinen muB. Die in diesem Band gesammelten Arbeiten versuchen deshalb nicht, einen Oberblick uber sein Lebenswerk zu geben, sondem sind im wesentlichen Arbeiten aus dem augenblick lichen Interessengebiet der Autoren, thematisch allerdings 5.0 ausgewiihlt, daB sie mittel bar oder unmittelbar mit Arbeiten Heisenbergs in Verbindung stehen. AuBerdem wurde durch die Art der Darstellung angestrebt, uber den Fachmann hinaus einen groReren Leserkreis anzusprechen. Die meisten Beitriige haben deshalb mehr allgemeine und grund siitzliche Erorterungen zum Inhalt.