Das große Quantenei

Werner Heisenberg

Bildbeschreibung:
Werner Heisenberg

"Heisenberg hat ein großes Quantenei gelegt", schrieb Einstein im September 1925 an seinen Freund Ehrenfest, "in Göttingen glauben sie daran (ich nicht)". Was der erst dreiundzwangzigjährige Werner Heisenberg ausgebrütet hatte, versetzte die Physiker in eine solche Aufregung, dass Einstein sie mit einem aufgescheuchten Hühnerhof verglich. In Göttingen, das neben München eines der geistigen Zentren der Quantenphysik war, arbeitete Heisenbergs Chef Max Born den Geistesblitz seines Assistenten Heisenberg weiter aus. Gemeinsam mit Pascual Jordan, einem Schüler Borns, veröffentlichten Heisenberg und Born 1926 die berühmt gewordene "Drei-Männer-Arbeit". Damit setzten sie die bis dahin hauptsächlich intuitiv begründete Quantenphysik auf ein solides mathematisches Fundament.

Doch die Göttinger Methode, die nach dem zugrunde liegenden mathematischen Verfahren den Namen "Matrizenmechanik" erhielt, fand nicht nur begeisterte Anhänger. Dem österreichischen Physiker Erwin Schrödinger erschien die Matrizenrechnung zu kompliziert; er fühlte sich von ihrem "Mangel an Anschaulichkeit abgeschreckt, um nicht zu sagen abgestoßen". Im Gegenzug entwickelte er eine Theorie für Materie, die an der Wellentheorie für Licht anknüpfte. Dazu hatte ihn eine Arbeit des französischen Physikers Louis de Broglie angeregt, der 1924 vorgeschlagen hatte, die Elektronen in einem Atom als "stehende Materiewellen" zu beschreiben.

"Geistesblitz"

Bildbeschreibung:
"Geistesblitz": Heisenberg kurierte im Frühjahr 1925 einen Anfall von "Heufieber" auf der Insel Helgoland aus. Nachdem er mehrere Tage damit zugebracht hatte, auf den Klippen herumzuklettern, über Physik nachzudenken und Gedichte aus Goethes West-Östlichem Divan auswendig zu lernen, kam eines nachts um drei der Geistesblitz: "Ich hatte das Gefühl, durch die Oberfläche der atomaren Erscheinungen hindurch auf einen tief darunter liegenden Grund von merkwürdiger innerer Schönheit zu schauen (...) ich war so erregt, dass ich an Schlaf nicht denken konnte." So erwartete er auf der Spitze eines ins Meer hineinragenden Felsenturmes den Sonnenaufgang. Seit Juni 2000 erinnert daran sogar ein Gedenkstein auf der Insel.
(Foto Helgoland: Lilo Taddy)

Auf dieser Idee aufbauend entwickelte Schrödinger seine berühmte Wellen-Gleichung, die heute jeder Physikstudent lernt. Bald sollte er aber zu seinem Erstaunen feststellen, dass seine Gleichung nur eine andere mathematische Ausdrucksweise für Heisenbergs Matrizenrechnung darstellte. Allerdings war Schrödingers Formalismus einfacher und setzte sich daher bei den Physikern durch. Sogar Heisenberg zog es vor, in seinen folgenden Arbeiten die Schrödingergleichung zu verwenden.

Schrödingers Theorie erregte sofort die Aufmerksamkeit des dänischen Physikers Niels Bohr. Der Kopenhagener Professor hatte bereits in jungen Jahren die Idee der Quantensprünge in sein äußerst erfolgreiches Atommodell eingebaut. Die Sichtweise der Heisenbergschen Theorie passte viel besser zu Bohrs Vorstellungen, als die "Wellenmechanik" Schrödingers. Deshalb brannte er darauf, mit seinem "wisssenschaftlichen Gegner" zu sprechen. Als Schrödinger auf Bohrs Einladung nach Kopenhagen kam, verwickelte ihn sein Gastgeber vom frühen Morgen bis spät in die Nacht in intensive Diskussionen. Nach einigen Tagen wurde Schrödinger krank. Heisenberg, der zu dieser Zeit in Kopenhagen mit Bohr zusammenarbeitete, schildert die Hartnäckigkeit des sonst so rücksichtsvollen Gastgebers: "Frau Bohr pflegte ihn (Schrödinger) und brachte Tee und Kuchen, aber Niels Bohr saß auf der Bettkante und sprach auf ihn ein: ,Aber Sie müssen doch einsehen, dass... " Zu einer Einigung kam es nicht. Beim Abschied auf dem Bahnhof äußerte Schrödinger fast verzweifelt: "Wenn es doch bei dieser verdammten Quantenspringerei bleiben soll, so bedaure ich, mich überhaupt jemals mit Quantentheorie abgegeben zu haben."

"Tag und Nacht", M. C. Escher, 1939.

Bildbeschreibung:
"Tag und Nacht", M. C. Escher, 1939. Tag und Nacht, Hell und Dunkel sind zwei Seiten einer Medaille. In der Quantenphysik spricht man von Komplementarität: Zwei Gegensätze, die sich aber gegenseitig bedingen. (© Photo: 2001 Cordon Art B.V.-Baarn, Holland. All rights reserved)

Auch zwischen Bohr und Heisenberg kam es zu hartnäckigen Diskussionen über die Interpretation der Quantentheorie. Im Februar 1927 waren sie so festgefahren, dass Bohr in Ski-Urlaub fuhr und Heisenberg gegen seine Gewohnheit nicht mitnahm. So konnte jeder einmal für sich nachdenken. In dieser Zeit entstanden zwei Arbeiten, die heute die Grundpfeiler der Quantentheorie bilden: Bohr formulierte das Komplementaritätsprinzip, Heisenberg die Unbestimmtheitsrelation. Im September 1927 stellte Bohr die später als "Kopenhagener Deutung" bezeichnete Theorie bei einer internationalen Tagung in Como vor. Die anwesenden Physiker nahmen Bohrs Gedanken zur Kenntnis, schienen sie aber in aller Konsequenz noch nicht zu durchdringen.

Der für die Forschung so fruchtbare Widerspruch kam erst einen Monat später von Einstein während des 5. Solvay-Kongresses in Brüssel. Einstein, dessen Reaktion alle mit Spannung erwarteten, kritisierte die Quantentheorie als unvollständig. Nun kam es zu einem geistigen Duell zwischen Bohr und Einstein, das in der Geschichte der Physik seinesgleichen sucht. Über fünf Tage hinweg zog sich die "schachspielartige" Partie. Einer der Kongressteilnehmer, Paul Ehrenfest, erinnert sich: "Einstein immer neue Beispiele ... Bohr stets aus einer dunklen Wolke von philosophischem Rauchgewölk die Werkzeuge heraussuchend, um Beispiel nach Beispiel zu zerbrechen. Einstein wie die Teuferln in der Box: jeden Morgen frisch herausspringend." Am Morgen des letzten Tages brachte Einstein schließlich ein Beispiel, das Bohr am Abend mit Hilfe der allgemeinen Relativitätstheorie widerlegen konnte - Einstein war mit seinen eigenen Waffen geschlagen. Damit schien von 1927 an die Kopenhagener Deutung gesichert. Einstein mochte sich damit bis zu seinem Lebensende nicht abfinden.

Niels Bohr (links) und Albert Einstein.

Bildbeschreibung:
Niels Bohr (links) und Albert Einstein auf dem Solvay-Kongress
(Quelle: AIP Emilio Segrè Visual Archives, Foto: Paul Ehrenfest Sen.)

Werner Heisenberg (links) mit Niels Bohr.

Bildbeschreibung:
Werner Heisenberg (links) mit Niels Bohr im Kopenhagener Institut
(Quelle: AIP Emilio Segrè Visual Archives, Foto: Paul Ehrenfest Jun.)

Fünfter Solvay-Kongress in Brüssel, 1927.

Bildbeschreibung:
Fünfter Solvay-Kongress in Brüssel, 1927. Vordere Reihe (v.l.n.r.): I. Langmuir, M. Planck, M. Curie, H.A. Lorentz, A. Einstein, P. Langevin, C.E. Guye, C.T.R. Wilson, O.W. Richardson. Mittlere Reihe: P. Debye, M. Knudsen, W.L. Bragg, H.A. Kramers, P.A.M. Dirac, A.H. Compton, L. de Broglie, M. Born, N. Bohr. Hintere Reihe: A. Piccard, E. Henriot, P. Ehrenfest, E. Herzen, T. de Donder, E. Schrödinger, E. Verschaffelt, W. Pauli, W. Heisenberg, R.H. Fowler, L. Brillouin (Quelle: Solvay-Institut, Brüssel)

Die Kopenhagener Deutung

In seinem Komplementaritätsprinzip formulierte Bohr die Einsicht, dass prinzipiell nicht zu versöhnende Eigenschaften ein und desselben physikalischen Objektes (wie Wellen- und Teilcheneigenschaften) sich auf der anderen Seite wechselseitig bedingen. Heisenberg drückte diesen Sachverhalt mathematisch in der Unbestimmheitsrelation aus: Je genauer der Ort eines Teilchens gemessen wird, desto unschärfer wird sein Impuls (Masse mal Geschwindigkeit) - und umgekehrt. Begriffe wie Ort und Impuls sind im Bohrschen Sinne zueinander komplementär, weil sie nicht gleichzeitig exakt bestimmbar sind.

Einstein und die Quantentheorie

Über Einsteins viel zitierten Zweifeln an einem "würfelnden Gott" wird oft vergessen, dass er selbst an der Entstehung der Quantentheorie maßgeblich beteiligt war. Tatsächlich erhielt er den Nobelpreis für seine Vermutung, dass Licht Eigenschaften eines Teilchens besitzt (und nicht für die Relativitätstheorie!). Einstein hat außerdem einen wichtigen Beitrag zur Quantenstatistik geleistet. Unter Heisenbergs Studenten kursierte über Einstein das Bonmot: "Die Quantentheorie versteht er, nur schade, dass er sie nicht mag."