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Die Quantentheorie als wissenschaftliche Revolution

Man kann die revolutionären Entdeckungen der Physik zu Beginn des 20. Jahrhunderts sehr übersichtlich chronologisch auflisten. Das empfiehlt sich auch, um den Überblick zu behalten.

Diese Übersicht, sie ist gleichzeitig ein kurzer Abriss zur Wissenschaftsgeschichte, enthält die großen Namen der bedeutendsten Physiker, alles Nobelpreisträger, wobei die meisten aus Deutschland stammen. Niels Bohr, der Däne, taucht allerdings zweimal in der Liste auf. Hier interessiert dabei in erster Linie die Entdeckungsgeschichte der Quantentheorie.

1900 Max Planck:

Planck formuliert ein neues physikalisches Gesetz (E = h x f), wonach Lichtwellen auch als Quanten (also „Teilchen“, sogenannte Photonen) deutbar sind. „h“ ist eine universelle Naturkonstante, die man als „Plancksches Wirkungsquantum“ bezeichnet. „f“ ist die Frequenz der Welle, „E“ die Energie.

Nobelpreis 1918 (verliehen 1919) für seine Verdienste zur Entwicklung der Physik mit Hilfe der Quantentheorie.

1905 Albert Einstein:

Spezielle Relativitätstheorie und andere wissenschaftliche Arbeiten, z.B. „Zur Elektrodynamik bewegter Körper“. Der in den Annalen der Physik veröffentlichte Aufsatz enthielt die heute sehr berühmte Formel E = m x c² (m ist die Masse, c die Lichtgeschwindigkeit).

Nobelpreis 1921 (verliehen 1922), rückwirkend für die Entdeckungen im Jahr 1905, jedoch nicht für die Relativitätstheorie, sondern für seine Deutung des photoelektrischen Effekts mit Hilfe der Lichtquantenhypothese.

1909 Ernest Rutherford:

Streuversuch – Beschuss einer Metallfolie mit Alphateilchen (positiv geladene und relativ massereiche Teilchen). An den Experimenten war u.a. auch der deutsche Physiker Hans Geiger beteiligt. Ernest Rutherford (1871-1937) wurde in Neuseeland geboren, war aber als Wissenschaftler in England (Cambridge) tätig.

Nobelpreis 1908 (für Chemie).

1913 Niels Bohr:

Stark vereinfachtes Atommodell (wie ein Planetensystem im Kleinen).

Die Atomhülle besteht aus negativ geladenen Elektronen, die auf ganz bestimmten Bahnen den Atomkern umkreisen. Jedoch bewegen sich die Elektronen im Mikrokosmos des Atoms so, dass sie keine Energie verlieren (entgegen den Gesetzen der Elektrodynamik, die in der klassischen Physik gelten). Bei entsprechender Energieaufnahme oder -abgabe wechselt ein Elektron auf eine äußere oder innere „Umlaufbahn“ (Quantensprung). Bei sehr starker Energiezufuhr verlässt das Elektron die Atomhülle endgültig, und es bleibt ein positiv geladenes Atom (sogenanntes Ion) zurück.

Nobelpreis 1922 „für seine Verdienste um die Erforschung der Struktur der Atome und der von ihnen ausgehenden Strahlung“.

1926 Erwin Schrödinger:

Wellenmechanisches Atommodell. – Es gibt keine scharfe Außengrenze des Atoms, vielmehr kann für jedes Elektron nur eine Wahrscheinlichkeit berechnet werden, mit der es sich an einem bestimmten Ort in der Atomhülle aufhält. Eine bildhafte Vorstellung des Atoms ergibt sich hier aufgrund der sogenannten Wahrscheinlichkeitsdichte (entsprechend einer speziell geformten „Elektronenwolke“).

Nobelpreis 1933 für seine Weiterentwicklung der Quantenmechanik.

1927 Werner Heisenberg:

Unschärferelation – Es ist prinzipiell unmöglich, Ort und Impuls (Geschwindigkeit) eines Elementarteilchens gleichzeitig völlig exakt zu messen. Ist z.B. der Ort genau bekannt, so wird der Impuls unbestimmt (unscharf) und umgekehrt. Der Zusammenhang gilt in der Quantenphysik allgemein für alle komplementären Eigenschaften eines Teilchens. Es gibt auch eine Unschärferelation zwischen Energie und Zeit.

Nobelpreis 1932 (verliehen 1933) für die Begründung der Quantenmechanik.

1927 Niels Bohr:

Komplementaritätsprinzip (entdeckt in Diskussion mit Heisenberg). – „Wellen- und Teilchenbild sind komplementär. Beweist eine Messung den Wellencharakter von Strahlung oder Materie, dann ist es unmöglich, in derselben Messung den Teilchencharakter nachzuweisen. Das Experiment bestimmt, welches Bild zu benutzen ist.“

Die Bedeutung der Quantentheorie

Max Planck entdeckte die Formel zur Berechnung der Quantenenergie und legte damit den ersten Grundstein zur umwälzend neuen Theorie. Niels Bohr hat dann mit seinem Komplementaritätsprinzip den entscheidenden Schritt zur Ausarbeitung der Quantentheorie getan. Doch erst Heisenberg und Schrödinger brachten die Theorie in eine mathematisch ausformulierte, abgeschlossene Form.

Bohr und Heisenberg zusammen entwickelten die sogenannte „Kopenhagener Deutung“: ,,Die Quantentheorie bezieht sich auf das atomare Naturgeschehen, wie es sich zeigt, wenn es mit realisierbaren Messgeräten untersucht wird.“

Dies ist gleichsam der Vorgedanke zur umstrittenen und oft falsch verstandenen Subjektivitätsthese, wonach die Quantentheorie lediglich solche Ergebnisse zutage fördert, wie sie Menschen in bewusster Wahrnehmung (eben durch physikalische Messungen) erst erzeugen können. Subjektiv ist dabei eigentlich nicht die menschliche Wahrnehmung selbst, sondern die im Prinzip willkürlich gewählte Art der Messung.

Plancks Entdeckungen hoben bereits den Wissensstand in Bezug auf die atomare Welt auf ein völlig neues Niveau. Man wusste nun: Atome geben ihre Energie nicht stetig, sondern in Portionen ab (nach vorheriger Anregung bzw. bei entsprechenden Temperaturen). Dies ist die physikalische Grundlage der sogenannten Quantentheorie. Was noch sehr wichtig ist: Strahlungen (elektromagnetische Wellen) können auch als Teilchen verstanden werden. Umgekehrt ist im Prinzip jedwede Materie ebenso als Welle deutbar.

Da die Energie eine universelle physikalische Größe darstellt, ist es problemlos möglich, die beiden „Phänomene“ ineinander umzurechnen. Mit dem Begriff „Phänomen“ und überhaupt mit anschaulichen Deutungsversuchen muss man jedoch sehr vorsichtig umgehen; denn beide Vorstellungen (Welle und Teilchen) sind überhaupt keine real existierenden Zustände. Es sind lediglich gleichberechtigte physikalische Modellvorstellungen. Man spricht deshalb vom sogenannten Welle/Teilchen-Dualismus.

Welche „Existenzweise“ die wahre ist, was nun genau der Natur entspricht, kann vom Physiker nicht entschieden werden.

Aufbauend auf Versuchen des deutschen Physikers Philip Lenard, der den „Fotoeffekt“ entdeckte, untersuchte Planck die Wechselwirkung von elektromagnetischer Strahlung (Licht) mit Materie theoretisch noch genauer. Mit seiner neuen Formel (E = h x f) konnte er die experimentellen Ergebnisse exakt erfassen und z.B. die spektrale Verteilung der Temperaturstrahlung vorausberechnen.¹⁵

Jedoch bedeutete die Quantelung der Energie, die zur Erklärung notwendig war, einen eklatanten Bruch mit der bisherigen „klassischen“ Physik; denn die alte Physik konnte sich die Natur bislang nur als eine kontinuierlich gestaltete Welt vorstellen. Diskontinuierlich auftretende physikalische Eigenschaften waren undenkbar. Es galt der Spruch: „Die Natur macht keine Sprünge.“

Bei Rutherfords Streuversuch hatte man theoretisch Folgendes erwartet: Da die Atome im Metall sehr dicht gelagert sind, kann keine Teilchenstrahlung hindurchdringen. Aber das Ergebnis sah tatsächlich völlig anders aus: Fast die gesamte Strahlung durchdringt nämlich die Atome der Metallfolie ungehindert, und nur ein sehr geringer Teil wird zurückgeworfen.¹⁶

Aus den Experimenten drängt sich die wichtige Schlussfolgerung auf, dass die Atome größtenteils aus leerem Raum bestehen. Fast die gesamte Masse ist im winzigen Atomkern konzentriert. Die Größe des Atomkerns beträgt nur ca. ein Zehntausendstel des Atomdurchmessers. Der Atomkern ist positiv geladen, denn die Alphateilchen werden durch Abstoßung gleicher elektrischer Ladungen daran gestreut.

Von nun an gibt es drei Arten von Atomphysik, je nachdem ob man die äußere Atomhülle (bestehend aus Elektronen), den Atomkern (bestehend aus Protonen und Neutronen) oder sonstige Elementarteilchen (die man bald noch finden sollte) untersucht. Somit ist auch der Unterschied zwischen Atom- und Kernphysik klar, obwohl es natürlich Überschneidungen in den Experimenten gibt.

Das von Niels Bohr in die Diskussion gebrachte Komplementaritätsprinzip hat Generationen von Physikern Kopfzerbrechen bereitet und ist auch heute noch nicht endgültig verstanden. Gerade Carl Friedrich von Weizsäcker machte sich darum verdient, die philosophischen Konsequenzen der Quantentheorie und speziell auch der geheimnisvollen Komplementarität bis in die letzten Feinheiten zu durchdenken. Dabei liegt es in der Natur der Sache, dass die Erkenntnis vorerst nur dadurch fortschreiten kann, Denkfehler und vorschnelle populärwissenschaftliche Deutungen aufzudecken und zu vermeiden. Eine positive Aussage mit neuem, vielleicht auch revolutionärem oder gar endgültigem Wahrheitsgehalt darf man sich wohl nicht erwarten. Weizsäcker war wie kaum ein anderer dazu befähigt, die Tatsachen und ihre korrekte Interpretation seriös und auch relativ leicht verständlich auszubreiten.