In Kap. 2, § 4 wurde bereits ein vorläufiger Begriff von der Einstein sehen Theorie der Lichtquanten gegeben. Wir haben auch auf einige Entgegnungen hingewiesen, denen diese Theorie, z. B. von seiten H. A. Lorentz’, begegnet ist. Obwohl wir es hier mit einer Theorie nicht nur des sichtbaren Lichtes, sondern allgemein der Strahlungsenergie zu tun haben, werden wir der Kürze halber auch in der Folge von der Quantentheorie des Lichtes sprechen.
In Kap. 2, § 4 wurde bereits ein vorläufiger Begriff von der Einstein sehen Theorie der Lichtquanten gegeben. Wir haben auch auf einige Entgegnungen hingewiesen, denen diese Theorie, z. B. von seiten H. A. Lorentz’, begegnet ist. Obwohl wir es hier mit einer Theorie nicht nur des sichtbaren Lichtes, sondern allgemein der Strahlungsenergie zu tun haben, werden wir der Kürze halber auch in der Folge von der Quantentheorie des Lichtes sprechen.
Die Aufstellung des Planckschen Strahlungsgesetzes um die Jahrhundertwende bedeutet den Beginn einer einzigartigen Krise in der theoretischen Physik, deren Beendigung wir auch heute noch nicht vorauszusehen vermögen. Die Anfänge ihrer Frucht, der Quantentheorie, finden sich diesem Ausgangspunkte gemäß in V 23: Theorie der Strahlung von W. Wien behandelt, welche Darstellung dem eigentlichen Thema des vorliegenden Artikels historisch daher am nächsten steht. Die neuere Entwicklung hingegen, gekennzeichnet durch die Namen Einstein, Bohr, Sommerfeld, hat die Quantentheorie im wesentlichen immer deutlicher zu einer Theorie der Materie fortgebildet; als Inbegriff molekularer Gesetzmäßigkeiten ist sie dadurch nicht nur in Beziehung zu den makroskopischen Gesetzen der gesamten Massischen*) Physik getreten, sondern hat auch — worauf es hier allerdings nicht ankommen wird — in mancherlei Hinsicht; die Chemie der Physik tributpflichtig gemacht.
Es ist bemerkenswert, daß die Grundpfeiler sowohl der Quantenmechanik als auch der speziellen Relativitätstheorie in den ersten fünf Jahren dieses Jahrhunderts gelegt wurden, und interessant die Entwicklung der beiden zu vergleichen. Während die spezielle Relativitätstheorie als Ganzes (1905) ein Geniestreich Einsteins war, entwickelte sich die Quantenmechanik in einer Reihe von kleinen Schritten während eines Vierteljahrhunderts (1900–1925). Eine Erklärung dafür ist, daß es, während in der speziellen Relativitätstheorie das Verhalten von Raum und Zeit einzig und allein aus zwei Prinzipien folgt, in der Quantentheorie keine solch einfachen Prinzipien gab, von denen ausgehend alle Quantenphänomene abgeleitet werden konnten. Vielmehr war jeder Schritt eine weitere Hypothese, die entweder auf einem neuen experimentellen Ergebnis beruhte oder ein solches vorhersagte, was nicht unbedingt in einer logischen Reihenfolge geschah und schon gar nicht in Folge eines oder zweier Prinzipen. Die Quantenmechanik entstand also abwechselnd aus Hypothesen und Experimenten, in etwa fünfundzwanzig Jahren. Wie die Überschriften der folgenden Abschnitte zeigen, können die meisten Schritte auf diesem Weg eng mit einer Person in Verbindung gebracht werden; die Beschäftigung mit ihnen wird uns hier als Einführung in die Quantenmechanik dienen.
ZusammenfassungWenn man es mit Korpuskeln hoher Relativgeschwindigkeit zu tun hat — d.h. in dem Fall, wo die klassische Physik an Stelle der Newtonschen Gleichungen die relativistischen Gleichungen verwenden würde — kann die Quantenmechanik nicht mehr so ohne weiteres herangezogen werden. Ihre Formulierung muß erweitert werden. Jedoch bleiben ihre Basisaxiome gültig, und die grundsätzlichen Probleme bei ihrer Deutung sind dieselben wie in der nicht-relativistischen Physik. Der einzige wesentliche Punkt, den man hier erwähnen muß, ist der, daß allein die relativistischen Phänomene der Materie die Möglichkeit geben, sich in Energie umzuwandeln und umgekehrt. Es ist folglich nicht mehr gestattet, die Elementarteilchen als stabile Bestandteile des Universums aufzufassen, die in Ewigkeit existieren und agieren. Es ist daher nicht mehr möglich, zwischen der Existenz eines Teilchens und seinen übrigen Eigenschaften eine deutliche, ebenso qualitative wie fundamentale Unterscheidung zu treffen. Von nun ab hat die Theorie selbst in der Existenz eines Teilchens (oder eines Teilchenpaares) genauso wie in seiner Lage, seiner Geschwindigkeit usw. nahezu eine Art physikalische Eigenschaft zu sehen (nicht des Teilchens, sondern irgendeines Grundelementes). Die Teilchen sind selbst „physikalische Eigenschaften“. Diese Tatsache — daß unter die Eigenschaften eines physikalischen Systems auf gewisse Art auch dessen Existenz zu zählen ist — ist in der Folge beizubehalten. Dies ist genau genommen von allen aus der relativistischen Quantenmechanik herrührenden Tatsachen die einzige, die man zu berücksichtigen hat.
ZusammenfassungGegen Ende seines Lebens schrieb Einstein seinem ältesten Freund, daß ihn 50 lange Jahre des ununterbrochenen „bewußten Nachgrübelns“ über die Frage „Was sind Lichtquanten?“ der Antwort um nichts näher gebracht hätten. Wie immer übertrieb Einstein auch in diesem Falle keineswegs: Das Problem, Diskretheit ebenso wie Kontinuität in der natürlichen Welt zu verstehen, beschäftigte ihn während seiner ganzen wissenschaftlichen Laufbahn. Daß Einstein so viel Zeit und Energie darauf verwendete, sich mit der Quantentheorie auseinanderzusetzen, mag viele — sogar viele Physiker — überraschen. Denn sein Entwurf der speziellen und der allgemeinen Relativitätstheorie sowie seine vielen Versuche, eine noch allgemeinere Theorie, nämlich eine einheitliche Feldtheorie, zu schaffen, haben seine anderen Leistungen in den Schatten gestellt. Und doch wird vermutlich jeder, der das Werk Einsteins kennt, den Worten von Max Born, einer der bedeutendsten Persönlichkeiten in der Entwicklungsgeschichte der Quantenmechanik, zustimmen, als er schrieb: „Meiner Meinung nach müßte er selbst dann, wenn er nicht eine einzige Zeile über die Relativität geschrieben hätte, als einer der größten theoretischen Physiker aller Zeiten gelten.“ Diese Meinung gründete sich hauptsächlich auf jene Schriften, in denen Einstein über die erstaunlichen Ergebnisse seines „bewußten Nachgrübelns“ über das Quantenproblem berichtet.
Im Sommer des Jahres 1965 fand an der Washingtoner Universität in Seattle eine Konferenz über neue Lehrmethoden in der Physik statt.Bei einer vorbereitenden Planungsdiskussion wurde darauf hingewiesen, daß viele Studenten beim Erfassen einiger Begriffe der modernen Physik Schwierigkeiten haben, insbesondere bei denen der Quantentheorie, und daß eine Wiederholung der experimentellen Grundlagen nützlich wäre.Mit diesem Buch wird versucht, dem gerecht zu werden.Die Auswahl der zu berücksichtigenden Experimente ist zwangsläufig willkürlich.Selbstverständlich werden die Vorstellungen der Quantentheorie stark betont, da sie sehr oft dem "gesunden Menschenverstand" widersprechen.Andererseits ist die spezielle Relativitätstheorie, obwohl sie in ähnlicher Weise dem "gesunden Menschenverstand" widerspricht, nicht berücksichtigt, weil sie sich erstens fast vollständig auf ein einziges Experiment stützt, das zu gut bekannt ist, um hier wiederholt zu werden, und weil sie zweitens im Momentum Book, Band 9, An Introduction to the Special Theory of Relativity, von ROBBET KATZ treffend dargestellt ist.Untersuchungen der Eigenschaften des Elektrons sind zweifellos ebenfalls wichtig.Sie sind aber im Momentum Book, Band 3, The Discovery of the Electron, von DAVID L. ANDERSON enthalten.Dieses Buch kann mit unterschiedlichen Vorkenntnissen gelesen werden.Es ist so geschrieben, daß es für Abiturienten und Studenten der ersten Semester verständlich ist, wenn sie über Grundkenntnisse der klassischen Physik verfügen.Die Ausführungen sollen ihnen erleichtern, die mitunter paradoxen Vorstellungen, auf denen die moderne Physik aufbaut, zu erfassen.Das Buch kann aber auch für Studenten höherer Semester, die ihr Wissen in einen besseren historischen Rahmen einbetten möchten, nützlich sein.Deshalb ist versucht worden, jedes Experiment -mit einer Ausnahme, auf die ausdrücklich hingewiesen wird -vom Standpunkt eines Physikers jener Zeit darzustellen und die Experimente hinreichend ausführlich zu
In die erste Hälfte des 20. Jahrhunderts fielen nicht nur die Umwälzungen der Physik durch Relativitätstheorie und Quantentheorie. Es war auch eine Zeit, in der die Physiker zu Philosophen wurden - und dies aus Notwendigkeit und mit Konsequenzen, wie dieses Buch zeigt. Zu Unrecht klage man darüber, daß unsere Generation keine Philosophen habe, soll schon Adolf von Harnack gesagt haben: "Die Philosophen sitzen jetzt nur in der anderen Fakultät, sie heißen Planck und Einstein." Einstein hat auch die Begründung dafür vorgezeichnet, warum er und seine Kollegen die Philosophie nicht den Philosophen überlassen konnten. In einer Zeit, in der die Physiker über ein festes, nicht angezweifeltes System verfügten, möge dies wohl in Ordnung gewesen sein, schreibt er, "nicht aber in einer Zeit, in welcher das ganze Fundament der Physik problematisch geworden ist". Nur der Physiker selbst jedoch fühle und wisse am besten, wo ihn der Schuh drückt. In einer aufwendig recherchierten, auf die Originalquellen zurückgreifenden und umfassenden Darstellung analysiert der Naturwissenschaftler und Philosophiehistoriker Erhard Scheibe dieses neue Verhältnis von Physik und Philosophie und den dazugehörigen Typus des philosophierenden Physikers, der die Physik bis heute nachhaltig prägt. Zum Buch In die erste Hälfte des 20. Jahrhunderts fielen nicht nur die Umwälzungen der Physik durch Relativitätstheorie und Quantentheorie. Es war auch eine Zeit, in der die Physiker zu Philosophen wurden - und dies aus Notwendigkeit und mit Konsequenzen, wie dieses Buch zeigt. Zu Unrecht klage man darüber, daß unsere Generation keine Philosophen habe, soll schon Adolf von Harnack gesagt haben: "Die Philosophen sitzen jetzt nur in der anderen Fakultät, sie heißen Planck und Einstein." Einstein hat auch die Begründung dafür vorgezeichnet, warum er und seine Kollegen die Philosophie nicht den Philosophen überlassen konnten. In einer Zeit, in der die Physiker über ein festes, nicht angezweifeltes System verfügten, möge dies wohl in Ordnung gewesen sein, schreibt er, "nicht aber in einer Zeit, in welcher das ganze Fundament der Physik problematisch geworden ist". Nur der Physiker selbst jedoch fühle und wisse am besten, wo ihn der Schuh drückt. In einer aufwendig recherchierten, auf die Originalquellen zurückgreifenden und umfassenden Darstellung analysiert der Naturwissenschaftler und Philosophiehistoriker Erhard Scheibe dieses neue Verhältnis von Physik und Philosophie und den dazugehörigen Typus des philosophierenden Physikers, der die Physik bis heute nachhaltig prägt.