Das handliche Büchlein ist der achte Band einer Serie der Heisenberg-Gesellschaft, die die geistige Nachlassenschaft des genialen Physikers Werner Heisenberg der heutigen Generation nahebringen will. Herausgeber ist kein geringerer als Konrad Kleinknecht, Vorsitzender der Heisenberg-Gesellschaft und Professor für Elementarteilchenphysik an der Universität Mainz.

Quanten 8, erschienen 2020, enthält drei Vorträge, die auf der Mitgliederversammlung der Heisenberg-Gesellschaft im September 2019 im Deutschen Museum in München gehalten wurden.

Im ersten Teil mit dem Titel Grenzenlos scharf: Mikroskopieren und Lithographieren mit Quantenchemie berichtet Thomas Arno Klar über höchstauflösende optische Fluoreszenzmikroskopie. Klar ist Professor für Angewandte Physik an der Johanes-Kepler-Universität Linz und Helmholtz-Preisträger des Jahres 2001. Sein Forschungsschwerpunkt ist die weitere Entwicklung der STED-Mikroskopie zur beugungsunlimitierten Photochemie. STED steht für „Stimulated Emission Depletion“. Grundlage sind die Forschungen von Eric Betzig, Stefan Hell und William Moerner zur höchstauflösenden optischen Fluoreszenzmikroskopie. Für ihre Leistungen wurden die drei Forscher mit dem Nobelpreis für Chemie 2014 ausgezeichnet.

Klar berichtet über die Überwindung der beugungsbegrenzten Auflösung in der konventionellen Mikroskopie mit Hilfe der quantenmechanischen Dynamik von Farbstoffmolekülen. Während in der klassischen Mikroskopie die Auflösung durch die Beugungseigenschaften des Lichtes und damit dessen Wellenlänge begrenzt ist, ermöglicht die Nutzung quantenmechanischer Eigenschaften photochemischer Reaktionen eine Auflösung unter einem Zehntel der Wellenlänge des Lichtes zu erreichen. In seinem Vortrag wird die Problematik von der Heisenbergschen Unschärferelation und dem Beugungslimit näher skizziert. Während sich die Unschärferelation vor allem auf einzelne Teilchen wie Elektronen bei Messung von Ort und Impuls auswirkt, spielt sie für die Ortsmessung komplexer Moleküle eine geringe Rolle. Aufgrund deren größerer Masse ist eine Ortsänderung nach einer durchgeführten Messung unbedeutend klein.

Der Aufsatz enthält auch einen Abschnitt zur dreidimensionalen Mehrphotonenlithographie mit eindrucksvollen Beispielen. Objekte von wenigen Mikrometern Größe werden plastisch sichtbar. Klar mahnt am Ende seines Beitrages aktuell akzeptierte Theorien kritisch zu hinterfragen, wie er am Beispiel der lange für unüberwindbar gehaltenen Beugungsbegrenztheit der Mikroskopie zeigt. Durch das optisch induzierte An- und Ausschalten molekularer Konfigurationen kann das klassische Beugungslimit überwunden und die Auflösung enorm gesteigert werden. Mit der beugungsunlimitierten Mikroskopie werden Untersuchungen und Beobachtungen der Zellphysiologie möglich, was allein in der Medizin zahlreiche neue Erkenntnisse liefert.

Im zweiten Teil, Musik und Philosophie – Quellen der Kreativität bei Werner Heisenberg, berichtet seine Tochter Barbara Blum-Heisenberg über die musische Veranlagung ihres Vaters: „…ohne Musik kann man nicht wirklich leben. Aber wenn man Musik hört, kommt man manchmal auf die absurde Idee, dass das Leben einen Sinn hätte“ schrieb der noch junge Heisenberg aus Kopenhagen an seine Eltern.

Die Beziehung von Musik, Mathematik und Philosophie beeinflusste Heisenberg bei seinen wissenschaftlichen Überlegungen. Blum-Heisenberg beschreibt zunächst den musikalischen Werdegang ihres Vaters, greift auf Biographisches zurück und kommt danach zu der Bedeutung der Philosophie in seinem wissenschaftlichen Werdegang. Dabei lässt sie ihn öfters selbst zu Wort kommen.

In Heisenbergs Denken spielte der Wahrheitsbegriff eine wesentliche Rolle. Mit der Quantenmechanik scheint ihm, sei die überprüfbare und eindeutige Wahrheit der Naturgesetze an eine Grenze gestoßen. Widersprüche der Erscheinungen im submikroskopischen Bereich der Elementarteilchen können nicht beseitigt werden. Niels Bohrs Ausspruch kommt hier in den Sinn: „Wer von der Quantentheorie nicht schockiert ist, hat sie nicht verstanden.“ Das Kausalgesetz von Ursache und Wirkung gilt im atomaren Bereich nicht immer.

Heisenberg sah es als wichtigste Aufgabe der Wissenschaft an, die verschiedenen Disziplinen der Naturwissenschaften zu einem gesamtheitlichen Weltbild zusammenzufassen. In einem 1954 gehaltenen Vortrag plädiert er für die humanistische Bildung in den Schulen, weil sie die gemeinsame Wurzel der europäischen Kulturen sei. Auch hat er sich für die Gründung eines Musikinstituts bei der Max-Planck-Gesellschaft eingesetzt, was aber nie realisiert wurde. Er setzte sich ferner für die Überwindung kultureller Schranken ein. Ihm sei deutlich geworden, dass die Verschiedenheit im Denken der Völker und Rassen zu studieren, zu einer Bereicherung der eigenen Persönlichkeit führt.

Im dritten Teil, Die Entwicklung der Deutung der Quantentheorie, kommt Heisenberg selbst zu Wort. Es handelt sich um die Urfassung zur Festschrift anlässlich des 70. Geburtstages von Niels Bohr, die ins Englische übersetzt wurde. In dem Aufsatz geht es um die grundsätzlichen Fragen zum Welle-Teilchen-Dualismus, „… die man nicht wegdiskutieren darf.“ Der Wahrscheinlichkeitsbegriff wird als objektive physikalische Realität akzeptiert. Die Ergebnisse der Solvay-Konferenz 1927 in Brüssel, Bohrs Begriff der Komplementarität und damit die inzwischen allgemein akzeptierte „Kopenhagener Deutung“ werden in ihrem historischen Kontext in Heisenbergs Beitrag dargestellt. Auch die Argumente der Gegner der Kopenhagener Deutung werden diskutiert. Heisenberg kommt zu dem Schluss, dass die Kopenhagener Deutung zwangsläufig ist, will man nicht wesentliche Symmetrieeigenschaften der Quantentheorie opfern.

Im Anhang finden sich kurze Biographien der drei Autoren Thomas A. Klar, Barbara Blum-Heisenberg und Werner Heisenberg.

Das lesenswerte Büchlein Quanten 8 liefert zahlreiche Einblicke in die verschiedenen Facetten der Quantenmechanik, von technischen Anwendungsmöglichkeiten bis zu fundamentalen philosophischen Fragestellungen. Zum Verständnis der Lektüre sollten jedoch physikalische Grundkenntnisse vorhanden sein. Auch Band 8 dieser Schriftenreihe der Heisenberg-Gesellschaft kann uneingeschränkt empfohlen werden.

Prof. Dr. Hans-Ulrich Keller, Stuttgart

 

bestellen: Konrad Kleinknecht (Hrsg.): Quanten 8. Schriftenreihe der Heisenberg-Gesellschaft