Neben der Speziellen und der Allgemeinen Relativitätstheorie zählt die Quantentheorie zu den epochalen physikalischen Erkenntnissen des 20. Jahrhunderts. Während die beiden erst genannten Theorien in sich weitgehend abgeschlossen sind, ist die Quantenmechanik trotz ihrer unbestreitbaren Erfolge noch nicht komplett. Viele Fragen sind offen und manche Rätsel ungelöst. Sie ist unanschaulich und widerspricht offensichtlich in vielen Bereichen dem „natürlichen Hausverstand“ und den makroskopischen Gesetzen der Physik. Niels Bohr meinte einst: „Wer von der Quantentheorie nicht schockiert ist, hat sie nicht verstanden!“ und Max Born beschwert sich in einem Brief an Einstein: „Quanten sind eine hoffnungslose Schweinerei“.

Um den historischen Kontext zur Entwicklung der Quantentheorie besser nachzuvollziehen, hat Konrad Kleinknecht, Vorsitzender der Heisenberg-Gesellschaft und Professor für experimentelle Elementarteilchenphysik, 2012 die Schriftenreihe „Quanten“ begründet.

Quanten 7 enthält zwei Vorträge vom Theodor Wolfgang Hänsch und Karl von Meyenn, die die Autoren auf der Mitgliederversammlung der Heisenberg-Gesellschaft im Oktober 2018 gehalten haben sowie zwei Beiträge von W. Heisenberg mit biographischen Dokumenten sowie zum Verständnis der „Modernen Physik“. Im ersten Teil „Das Wasserstoffatom und die Leidenschaft für Präzision“ berichtet Hänsch über seine Experimente zur hochpräzisen Bestimmung der Übergangsfrequenzen im Wasserstoffatom mittels optischer Laserspektroskopie. Er beschreibt die von ihm um die Jahrhundertwende entwickelter Methode des Frequenzkamms, wofür er 2005 den Nobelpreis für Physik (gemeinsam mit John L. Hall) erhielt.

Um einen Frequenzkamm zu erzeugen, bedient man sich eines modengekoppelten Femtosekunden-Laser. Die hochgenaue Frequenzbestimmung ermöglicht gemäß der Quantenelektrodynamik den Ladungsradius eines Protons zu ermitteln und den Strukturradius des Deuterons, des Kerns eines schweren Wasserstoffatoms.

Die Ergebnisse fließen direkt in die Genauigkeitssteigerung von Atomuhren ein. Immer weitere Verbesserungen von Cäsium-Uhren führten zu einer Genauigkeit von 10-16 (Caesium Fountains). Gegenüber den ersten Cäsiumuhren von 10-12 Ganggenauigkeit sind die nun mehr entwickelten Strontium-Gitteruhren mit 10-18 um eine Million Mal genauer. Eine solche Uhr weicht nach einem Weltalter von rund 14 Milliarden Jahren nur um eineinhalb Sekunden von einer fiktiven Idealuhr ab.

Der zweite Teil mit dem Beitrag von K. von Meyenn „Zwischen Skylla und Charybdis“ beschreibt Paulis und Heisenbergs Weg zur Quantenmechanik und ihr Ringen, das Partikelbild und das Wellenbild der Elementarteilchen in Einklang zu bringen. Die Problematik wird schon im Titel offensichtlich, der auf die Meeresungeheuer in der Straße von Messina hinweist, die passierende Seefahrer bedrohen. Der Autor beschreibt ausführlich die Versuche um eine akzeptable Interpretation des Teilchen-Welle-Dualismus. Einsteins Lichtquanten lassen sich nicht mit der Wellenvorstellung der Strahlung vereinbaren. Die Quantenmechanik war den konservativen Physikern nicht geheuer. Max Planck, Vater der Quantenmechanik, meinte dazu „…die neue wissenschaftliche Wahrheit setzt sich nicht durch, indem die Gegner überzeugt werden sondern dadurch, dass sie allmählich aussterben und die heranwachsende Generation vorurteilslos die neuen Erkenntnisse übernimmt“. Pauli und Heisenberg ließen bei ihrem Studium bei Arnold Sommerfeld in München schon früh ihre Begabung erkennen. Einer von Paulis Lehrern in einem Wiener Gymnasium beschreibt die Fähigkeit seines Schülers: „… zeigt eine phänomenale Begabung für Mathematik und Physik. Er verspricht ein neuer Gauß oder Boltzmann zu werden“.

Die Wege zu Paulis Ausschließungsprinzip („Pauli Verbot“) und zu Heisenbergs Unschärferelation werden verständlich und nachvollziehbar beschrieben. Paul Ehrenfest wird zitiert: „Heisenberg hat ein großes Quanten–Ei gelegt. Zu Göttingen glauben sie daran (ich nicht)“. Das Kapitel endet mit Schrödingers Wellenmechanik und der legendären Solvay-Konferenz 1927.

Zwei Beiträge von Werner Heisenberg „Sprache und Wirklichkeit in der Physik“ und „Aus meinem Leben“ runden das lesenswerte Büchlein ab. Im Anhang finden sich kurze Biographien der drei Autoren. Quanten 7 ist spannend zu lesen. Leichtverständlich erfährt man, welche Gedanken die bedeutenden Physiker der Quantenmechanik bewegten und wie sie nach Irrungen und Wirrungen zu ihren fundamentalen Erkenntnissen gelangten. Mathematische Formeln kommen nur sporadisch vor. Die wenigen Abbildungen hätte man sich etwas größer gewünscht. Das kleinformatige, dünne Büchlein lässt sich bequem mitnehmen und verkürzt jede Reise auf höchst anregende Weise.

Prof. Dr. Hans-Ulrich Keller, Stuttgart

 

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