Die Hintertreppe zum Quantensprung Ernst Peter Fischer

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Acht Revolutionäre

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Erwin Schrödinger (1887–1961)

Die Fortsetzung der Philosophie mit anderen Mitteln

Erwin Schrödinger ist wahrscheinlich der Wissenschaftler, dessen Name in der akademischen Welt von Studenten und Nobelpreisträgern am häuﬁgsten ausgesprochen und zitiert wird. Dies liegt zum einen an der berühmten Katze, die nach ihm benannt ist, also an »Schrödingers Katze«, der inzwischen schon derart viele Bücher gewidmet worden sind, dass der noch berühmtere britische Astrophysiker Stephen Hawking einmal gesagt hat: »Wenn ich noch einmal von Schrödingers Katze höre, greife ich nach meinem Gewehr.« Mit dem unschuldigen Tier wollte Schrödinger 1935 auf eine ihm unsinnig erscheinende Konsequenz der Quantentheorie hinweisen, die wir noch kennenlernen werden. Der zweite Grund, warum sein Namen so häuﬁg genannt wird, liegt in der berühmten Schrödinger-Gleichung, die im Zentrum der Quantentheorie steht und die nicht nur eleganter, sondern auch einfacher anwendbar (lösbar) als alle anderen Formulierungen der neuen Atomphysik ist. Schrödinger war fast vierzig Jahre alt, als er diese grundlegende Gleichung 1926 zu Papier brachte. Am Anfang dieses seines Aufstiegs zur Weltberühmtheit stehen Skiferien, die er Weihnachten 1925 im schweizerischen Arosa verbrachte. Schrödinger war von Zürich aus in die Berge gefahren, wo er seit 1921 den Lehrstuhl für Theoretische Physik innehatte. Dabei ist anzumerken, dass es nicht seine Frau Annemarie war, mit der er die Reise antrat. Schrödinger nahm lieber eine gute alte Freundin mit. Er hat seinen Biografen insgesamt viele Gelegenheiten gegeben, von einem großen und rastlosen Frauenhelden zu berichten, schließlich hat der bekannte Physiker nur uneheliche Kinder gezeugt – unter anderem damals in Arosa, als er auch in die Welt der Quanten eindrang und sein geistiges Kind zur Welt brachte.

Wellen im Atom

So schön die Ferienzeit auch war, selbst die Berge, der Schnee und das Fest der Liebe (Weihnachten) vermochten es nicht, Schrödingers Gedanken völlig von der Physik abzuziehen. Zu sehr ärgerte er sich über die entsetzliche »Matrizenmechanik«, die aus Göttingen gemeldet und in Kopenhagen akzeptiert wurde und für die vor allem ein blutjunger Physiker namens Heisenberg verantwortlich zeichnete. Seine Quantenspringerei widerte Schrödinger an. Ihm kam das Wort »ekelhaft« in den Mund, und er fühlte sich abgestoßen von dieser neuen Physik. Sein ganzer Ehrgeiz zielte darauf, sie abzuschaffen und zu der gewohnten klassischen Form zurückzukehren. Schrödinger hatte auch eine Idee, wie er, von einem soliden physikalischen Grund ausgehend, diesem ästhetischen Motiv nachspüren konnte. Er wollte versuchen, die Bewegung eines Elektrons in einem Atom als Welle zu erfassen, und hoffte, die diskreten Zustände, die Elektronen dabei einnehmen können, als dieselben stehenden Wellen erklären zu können, die man etwa von den Saiten einer Violine kennt. Diese springen ja schließlich auch von einem Ton zu einem anderen, ohne dass irgendwelche Zwischenklänge ans Ohr dringen. Für diese Überlegung spricht außerdem, dass die Töne selbst auch auf getrennten Notenlinien festgehalten werden, zwischen denen die Komponisten und unsere Ohren keinen Klang haben wollen.

Ausgangspunkt von Schrödingers Gedankenspielen war der Vorschlag des jungen Franzosen Louis de Broglie, der in seiner Doktorarbeit 1924 vorgeschlagen hatte, mit der Materie so umzugehen, wie es Einstein mit dem Licht vorgemacht hatte. 1905 war von Einstein erkannt worden, dass Licht eine doppelte Natur besitzt. Es kann nicht allein als Welle aufgefasst werden, man muss ihm vielmehr zusätzlich Teilcheneigenschaften zuschreiben, und zwar genau die, die Planck mit seinen Quanten vorgegeben hatte. Was dem Licht recht war, sollte der Materie billig sein, dachte der jugendliche de Broglie unbekümmert, ohne sich darum zu scheren, dass Elektronen doch eine nachweisbare Masse haben. Zwar konnte sich niemand im Detail vorstellen, wie Elektronen als Welle in Erscheinung treten können, aber de Broglie trug diese Idee trotzdem vor. Ihn drängte es, Licht und Materie symmetrisch und im Gleichklang behandeln zu können – und die nachfolgenden Experimente gaben ihm triumphal recht.

Schrödinger war vor allem von dem ästhetischen Argument begeistert. Er setzte sämtliche Hebel in Bewegung, um die Doktorarbeit aus Paris zu bekommen, wobei man wissen sollte, dass es grundsätzlich schwierig ist, an Doktorarbeiten zu kommen. Es bereitet besondere Mühe, sich französische Doktorarbeiten zu beschaffen, und es könnte durchaus sein, dass Schrödinger hierbei mehr Arbeit aufzuwenden hatte als bei der Ableitung seiner Gleichung, die dann in den Ferien 1925 folgte. Mithilfe des in de Broglies Arbeit ausgebreiteten Vorschlags gelang es Schrödinger tatsächlich, eine Gleichung für den elektronischen Umlauf in einem Atom aufzustellen, die mathematisch die Bewegung einer Welle erfasst – eben die Wellengleichung, die heute nach ihm benannt ist.

Doch so schön dieses Ergebnis auch war, zu seinem erneuten Entsetzen musste Schrödinger erkennen, dass das, was sich da in Raum und Zeit veränderte, keineswegs etwas aus der Welt der konkret greifbaren Realität war. Seine Wellengleichung beschrieb überhaupt keine tatsächliche Wellenbewegung in einem Atom. Sie erfasste vielmehr ein Gebilde mit imaginären Dimensionen. Der Ausdruck »imaginär« ist dabei streng mathematisch gemeint und bedeutet, dass die Schrödinger-Gleichung nicht mehr stimmt, wenn es nur um die reellen (realen) Zahlen geht, mit denen allein Messdaten angegeben werden. So merkwürdig es auch klingt: Ohne dem sich der anschaulichen Wirklichkeit entziehenden Imaginärteil von Schrödingers Gleichung ist die reale Welt nicht beschreibbar. Dies ist zweifellos ein Satz, der mehr Fragen aufwirft als Antworten liefert und eher verblüfft als beruhigt. Aber so ist sie, die Quantenmechanik – sie erfasst die Realität mit Mitteln, die nicht zu ihr gehören.

In dieser unanschaulichen und unwirklichen Welt ging zwar alles so stetig und mathematisch bestimmt zu, wie sich Schrödinger dies erträumt hatte, doch das traf nicht mehr zu, sobald man sich von dort in die physikalische Wirklichkeit mit ihren relevanten und messbaren Größen aufmachte. Zu seinem besonderen Ärger musste Schrödinger zu guter Letzt sogar noch feststellen, dass seine Wellenmechanik dieselben Vorhersagen über die atomaren Qualitäten machte wie die Gleichungen von Heisenberg, die ihn so wurmten. Sie war folglich mathematisch äquivalent zu ihnen. Auch wenn er nun aus der Sicht der Physiker einen großen wissenschaftlichen Triumph erzielt hatte, für den ihm 1933 der Nobelpreis für Physik verliehen wurde, in seinen eigenen Augen hatte er vor allem eine philosophische Niederlage erlitten. Eine besondere Befriedigung wollte sich deshalb bei ihm lange Zeit nicht einstellen.

Schrödingers Katze

Bei seinem anschließenden fast zehnjährigen Bemühen, mit den Quanten und der imaginären Beschreibung ihrer realen Existenz ins Reine zu kommen, hat Schrödinger zuletzt einen Begriff und ein Bild geprägt, die beide maßgeblich geworden sind für das Verständnis der Atomphysik bzw. für den Umgang mit ihr.

Zuerst zum Bild: Es stellt Schrödingers Katze dar, die in einem Kasten eingesperrt ist, in dem sich zusätzlich radioaktives Material beﬁndet. Bei einem nicht mit Sicherheit, sondern nur mit Wahrscheinlichkeit vorherzusagenden Zerfall eines Atoms wird die frei werdende Energie genutzt, um einen Mechanismus in Gang zu setzen, der ein giftiges Gas in den Kasten einströmen lässt. Man kann nun zu einem beliebig wählbaren Zeitpunkt die Frage stellen, ob die Katze noch lebt oder nicht, wobei die Antwort durch ein Guckloch möglich ist, das am Kasten angebracht ist. Schrödinger wollte sich mit dieser Versuchsanordnung über die Kopenhagener Deutung lustig machen, da in deren Rahmen der Zustand der Katze unbestimmt ist. Das heißt, die Katze ist als Mischung (Superposition) aus »halb lebend« und »halb tot« anzusehen. Die Festlegung ihres Zustands erfolgt in dieser Interpretation erst durch die Tatsache, dass sie beobachtet wird – und dies erschien Schrödinger als Gipfel der Albernheit. Es kann doch nicht sein, so argumentiert Schrödinger in Übereinstimmung mit dem gesunden Menschenverstand, dass der- oder diejenige über das Leben der Katze entscheidet, der bzw. die durch das Guckloch schaut.

Wie gesagt, es gibt dicke Bücher über das Leben und Sterben von Schrödingers Katze. Sicher lohnt es sich, ausführlich über den geschilderten Vorgang nachzudenken, wenn man wissen will, was die Quantentheorie besagt, die sich darauf beschränken muss, bei Einzelereignissen deren Wahrscheinlichkeit anzugeben – und zwar mithilfe der Schrödinger-Gleichung. Doch darf man ihre wichtigste Vorgabe nicht übersehen, und genau dies hat Schrödinger bei seinem Bild der eingesperrten und bedrohten Katze getan: Seine eigene Gleichung beschreibt ja gerade nicht etwas aus der physikalischen Wirklichkeit, zum Beispiel keine Katze in einem Kasten. Schrödingers Gleichung stellt vielmehr nur eine symbolische Fassung der Realität dar, die sich in einer mathematischen Welt mit imaginären Dimensionen beﬁ ndet. Eine Katze gibt es in diesen Sphären nicht, weder eine lebendige noch eine tote. Verrückt ist nicht Schrödingers Gleichung, verrückt ist die Tatsache, dass jemand diese Gleichung ﬁnden konnte und dass sie – nach Anwendung einer präzisen Vorschrift – die Wirklichkeit nachprüfbar als Wahrscheinlichkeit erfasst.

Schrödingers Katze wird vielleicht nicht sehr lange in ihrem Kasten gelebt haben, dafür aber ist ihr ein langer Auftritt in der philosophischen Diskussion sicher. Das Gleiche gilt für den oben angekündigten Begriff, den Schrödinger in Verbindung mit seinem gruseligen Gedankenexperiment im Jahre 1935 vorschlug, um das Charakteristische der atomaren Wirklichkeit auszudrücken. Schrödinger hatte nach zehnjährigem Nachdenken erkannt, worin letztendlich das Paradoxon besteht, das die Quanten über die Wirklichkeit aufzeigen und in die Welt einführen. Die Unstetigkeit im winzig Kleinen weist nämlich auf den Zusammenhang des großen Ganzen hin. Die Quantentheorie zeigt, dass die materielle Realität »verschränkt« ist, wie Schrödinger die Einsicht ausdrückte, dass es im Innersten der Welt gar keine Teile, sondern nur ein untrennbares Ganzes gibt. Atomare Objekte – so zeigte sich immer deutlicher und das lässt sich heute immer überzeugender im Experiment nachweisen – können miteinander korreliert sein, obwohl keine physikalisch nachweisbare Wechselwirkung zwischen ihnen besteht. Schrödinger nannte dies die Verschränkung der Wirklichkeit, und damit gab er dem ganzheitlichen Zug der Atome, der durch alle Jahrhunderte dem klassisch-physikalischen Denken fremd geblieben war, einen eleganten und einprägsamen Namen. Die Verschränktheit spannt ein Netz vor dem Nichts auf, vor dem wir Angst haben. Die Quanten bewahren uns vor dem Verschwinden – wir müssen nur den Mut haben, uns auf sie einzulassen.

Eine klassische Weltansicht

Als Schrödinger den verheißungsvollen Begriff »Verschränkung« prägt, ist sein Leben zum wiederholten Male durch äußere Umstände durcheinandergeraten. Der am 12. August 1887 in Wien geborene und dank der Englischkenntnisse seiner Tante zweisprachig aufgewachsene Schrödinger hoffte nach dem Studium der Physik und einigen frühen Arbeiten zur Theorie der Farben darauf, den Lehrstuhl für Theoretische Physik an der Universität in Czernowitz zu bekommen, der ehemaligen Hauptstadt des ehemaligen habsburgischen Kronlandes Bukowina. Hier in der Peripherie seiner Heimat wollte Schrödinger nach eigenem Bekunden redlich theoretische Physik lehren und treiben, darüber hinaus aber das tun, was ihm geistig das Liebste zu sein schien, nämlich tief in philosophische Texte eintauchen. Er hatte damals durch die Lektüre von Schopenhauers Werken die indische Philosophie entdeckt und begonnen, sich ihre Einsicht zu eigen zu machen. Der zufolge sind wir nur Aspekte eines einzigen Wesens bzw. einer einzelnen Wesenheit, die ebenso wenig von dieser Welt sein kann wie die Lösung seiner Gleichung, der er den skurrilen Namen »Psi-Funktion« gegeben hat (so als ob das Unbewusste da seine Hände im Spiel gehabt hätte). Es ist zweifelhaft, ob der oft primadonnenhaft auftretende, sexbesssene und auf Ruhm und Ehrungen erpichte Schrödinger sein Bekenntnis zum ruhigen Philosophieren am Rande der Zivilisation selbst geglaubt hat. Verhindert worden ist die Umsetzung dieses Vorhabens auf jeden Fall, und zwar durch äußere politische Umstände: Nach dem Ersten Weltkrieg gehörte Czernowitz nicht mehr zu Österreich, und Schrödinger musste sein Glück anderswo suchen. Er verließ die Bukowina und ging über Breslau und Jena nach Zürich.

Festgehalten sei an dieser Stelle, dass er noch kurz vor seinem schon beschriebenen quantenphysikalischen Höhenﬂug mehr mit Philosophie als mit seinem Lehrfach befasst war. Schrödinger schrieb damals auf, was er unbescheiden Meine Weltansicht nannte. In diesem Buch stellte er vier Fragen, die sich seiner Meinung nach weder mit Ja noch mit Nein beantworten lassen: Gibt es ein Ich? Gibt es eine Welt neben dem Ich? Hört das Ich auf, wenn der Körper stirbt? Hört die Welt auf, wenn mein Körper stirbt? In seiner kritischen Betrachtung dieser Fragen bekennt sich Schrödinger eindeutig zur der indischen Weisheit, die in der Vedanta niedergelegt ist und der zufolge Ich und Welt ein Ding sind. Für ihn passiert alles im Bewusstsein, das er als singulär auffasst. Unter dieser Vorgabe wird leicht verständlich, dass die Quantentheorie mit ihrer Zweiteilung (und ihren zwei Theorien von Heisenberg und Schrödinger) ihm wenig behagte und im wahrsten Sinne des Wortes unannehmlich erschien.

»Was ist Leben?« – wissenschaftlich gesehen

Die Physiker lassen sich zwar nicht von Schrödingers philosophischen Bekenntnissen beeindrucken, sie genießen aber in vollen Zügen seine physikalischen Früchte. 1928 – nach dem überragenden Erfolg seiner Gleichung – holen sie Schrödinger als Nachfolger von Max Planck nach Berlin. Hier bleibt er fünf Jahre lang, also bis 1933, dem Jahr, in dem ihm der Nobelpreis für Physik zugesprochen wird und in dem die Nazis an die Macht kommen. Für sie hat Schrödinger nur Verachtung übrig. Aus Protest gegen Hitlers Machtergreifung emigriert er und hält sich zunächst eine Zeit lang in Oxford auf. Trotz eindringlicher Warnungen und in völliger Verkennung des deutschen Machtstrebens lässt er sich 1936 dazu überreden, einen Lehrstuhl in Graz anzunehmen, den er nur zwei Jahre später, beim Anschluss Österreichs, ﬂuchtartig verlassen muss. Er irrt ein paar Monate umher – ohne Geld und ohne Heimstatt. Doch dank einer Initiative des irischen Ministerpräsidenten Eamon de Valera, der in Dublin ein Institute for Advanced Studies eingerichtet hat, wird er gerettet. Der studierte Mathematiker und Politiker lädt Schrödinger 1938 ein, sich in Dublin niederzulassen und am Institut seine theoretisch-physikalischen Überlegungen weiterzuverfolgen. Fast zwanzig Jahre lang bleibt Schrödinger auf der Insel, deren Sprache ihm von Kindesbeinen an vertraut ist, und erst 1956 kehrt er in seine Heimat Österreich zurück. Er geht nach Wien,^[1] wo er fünf Jahre später am 4. Januar 1961 stirbt.

Die wissenschaftlich folgenreichste Arbeit der Dubliner Jahre war eine Vorlesungsreihe, die Schrödinger zwischen 1943 und 1944 gehalten hat und in der er versucht, die Frage »Was ist Leben?« mit den Augen eines Physikers zu beantworten. Das Bemerkenswerte an diesem eher kurzen Buch mit gleichnamigen Titel, das nach wie vor aufgelegt wird und in zahlreiche Sprachen übersetzt worden ist, besteht in zwei Dingen: Zum ersten sagt Schrödinger mit ungeheurer Lässigkeit und Überzeugungskraft voraus, dass es einen genetischen Code gibt. (Er wurde bekanntlich in den 1960er-Jahren entschlüsselt.) Und zum zweiten konstatiert er selbstbewusst, dass die zentrale Frage der kommenden Biologe die nach der Natur des Gens sein wird. Er selbst unterbreitet den rafﬁnierten Vorschlag, Gene als aperiodische Kristalle zu betrachten. Sie werden damit eine Aufgabe für Physiker, und Wissenschaftler aus ihren Reihen wechseln tatsächlich in den Jahren nach dem Zweiten Weltkrieg zur Biologie und formen diese Wissenschaft nachhaltig um.

Wer Kritik an Was ist Leben? üben will, kann darauf hinweisen, dass Schrödinger in seinem Buch Leben mit Vererbung verwechselt. Denn offensichtlich geht es ihm nur um die Funktionsweise der Gene und der von ihnen ausgehenden Fähigkeit, Ordnung zu bewahren und weiterzugeben. Doch was gewöhnlich eher zum Nachteil eines Buches ausschlägt, nämlich im Titel mehr zu versprechen, als der Inhalt einlöst, wird bei Schrödinger zum eigentlichen Triumph: Viele Wissenschaftler – alte und neue Biologen – richteten damals ihr Augenmerk ausschließlich auf die Frage nach der Natur und der Struktur der Gene, und Schrödingers Buch ist deshalb genau die Lektüre, die sie brauchten und auf die sie warteten.

Was ist Leben sonst noch?

Während der Arbeit an dem Manuskript gelingt es Schrödinger, eine irische Schauspielerin zu schwängern. An seinen Freuden lässt er uns in seinem Tagebuch teilhaben. Dort heißt es: »What is Life?, I asked in 1943. In 1944, Sheila May told me. Glory to be God!« Neben der Wissenschaft gilt Schrödingers Hauptinteresse nachweislich dem Sexuellen. Wie sein Lieblingsphilosoph Schopenhauer sah er hierin den unsichtbaren Mittelpunkt allen Handelns und Benehmens, und es scheint, als ob er dabei die mystische Einheit bzw. Vereinigung zu erleben hoffte, die er aus den indischen Texten als Literatur kannte.

Für Sheila schreibt er zahlreiche Liebesgedichte, und vielleicht ist es gestattet, eines davon zu zitieren. Das folgende Liebeslied hat Schrödinger selbst noch 1956 in einer eigenen Gedichtsammlung publiziert:^[2]

Niemand als du und ich
Wissen wie uns geschehn.
Keiner hat es gesehen
Wenn wir uns küssten inniglich.

Keiner, keiner weiß
dass uns der Himmel liebt
dass er uns alles gibt
was er zu geben weiß.

Und säh uns wer
er dacht es kaum
dass in weitem raum
sonst alles leer,

nur wir, nur wir
und unser Glück
Nie nie zurück
als nur mit dir.

Ein eigenwilliger Kauz

Der von seinen Landsleuten einst auf der 1000-Schilling-Note verewigte Schrödinger lässt sich vielleicht am besten als eigenwilliger Kauz charakterisieren, der wie ein Schulbub gerne mit kurzen Hosen aufgetreten ist, zugleich aber über einen höchst eleganten Stil verfügt und alles ganz neu und originell formuliert. Er zitiert in seinen Schriften nur ganz selten andere Autoren und schöpft fast ausschließlich aus seiner eigenen Existenz, die, wie er glaubt, am universalen Bewusstsein teilhat. Das Bewusstsein interessiert Schrödinger natürlich auch als individuell verfügbare Eigenschaft, und in seiner späten Schrift Mind from Matter schlägt er vor, dass es die Neuheit sei, welche die materiellen Vorgänge ans Bewusstsein koppele. Mit anderen Worten: Es sind neue Situationen des Erlebens, die in seiner Weltsicht zu neuen materiellen Zuständen des Gehirns werden, und es scheint ihm – unter evolutionären Aspekten betrachtet – sinnvoll, diesen Reaktionen in den Nervenzellen die Qualität Bewusstsein zu geben. So jedenfalls sieht es Schrödinger, der ein »rein verstandesmäßiges Weltbild ohne alle Mystik« als »Unding« verwirft. Er tut dies kurz vor seinem Tod, als er einen letzten Versuch unternimmt, die Frage »Was ist wirklich?« zu beantworten. Im Grunde trauert er der Welt nach, die den Menschen im alten Griechenland (noch) offenstand, als es »die verhängnisvolle Spaltung« von philosophischem und wissenschaftlichem Denken noch nicht gab. Diese scheint Schrödinger zu seinen Lebzeiten unerträglich geworden zu sein. Seltsam dabei ist nur, dass er nicht sehen wollte oder konnte, dass die Einheit, die er suchte, gerade in der Theorie zurückgewonnen wurde, die zu schaffen er mitgeholfen hatte. Diese Einheit beruht allerdings nicht in einer Vereinigung von Gegensätzen, sondern in dem Vermögen, sie auszuhalten. Doch von dieser Askese wollte Schrödinger anscheinend nichts wissen.

2

Louis de Broglie (1892–1987)

Die Dualität der Materie

Louis de Broglie entstammt einer französischen Adelsfamilie. Sein vollständiger Name lautet Louis-Victor Pierre Raymond Duc de Broglie, und der kompliziert aussehende Familienname wird etwa wie »brollje« gesprochen. Der aus der Normandie stammende Graf hat bereits 1929 den Nobelpreis für Physik bekommen, und zwar aufgrund eines Vorschlags, der in seiner Doktorarbeit zu ﬁnden ist, die er 1924 unter der Überschrift Recherches sur la théorie des Quantes vorgelegt hatte. Zwar klingt der Titel dieser Promotionsschrift ähnlich nichtssagend wie der von tausend anderen Abschlussarbeiten – da hat sich halt jemand um Untersuchungen über die Theorie der Quanten bemüht, ohne dass es mehr als diese Tatsache zu berichten gäbe –, aber der Schein trügt. In seiner Schrift trägt de Broglie den Gedanken vor, dass es so etwas wie Materiewellen geben kann. Und damit nicht genug: Er gibt auch eine Formel (ein Rechenverfahren) an, um die Wellenlänge zu berechnen, die mit einer gegebenen Masse verbunden ist.

Im Rückblick wirkt de Broglies Idee wie die selbstverständliche Erweiterung eines Gedankens von Albert Einstein, der 1905 bemerkt hatte, dass es neben den Lichtwellen auch Lichtteilchen (Photonen) geben musste und sich Licht nur im Wechselspiel dieser beiden Bilder verstehen ließ. Licht konnte sowohl Welle als auch Teilchen (Korpuskel) sein, und – so dachte vielleicht der junge Graf de Broglie knapp zwei Jahrzehnte später – was für das Licht gilt, kann der Materie nicht schaden. Wenn es neben Lichtwellen auch Lichtteilchen gibt, warum sollte es dann nicht neben Materieteilchen wie etwa Elektronen auch Materiewellen geben? Die Natur zeigt sich doch sonst auch gerne symmetrisch.

Doch was uns heute selbstverständlich und klar erscheint, wurde von den Zeitgenossen mit großer Skepsis aufgenommen. De Broglies Doktorvater, Paul Langevin, war, um es milde auszudrücken, ziemlich erstaunt über die Neuheit der Idee seines Studenten, und Max Planck erklärte rundweg, dass ihm das Ganze nur »sehr schwer verständlich« sei und die jungen Leute – wie de Broglie – viele Dinge viel zu leicht nähmen.

Das frühe Leben des Grafen

Was wirklich Mühe machte an dem Gedanken des jungen Physikers de Broglie steckte in einer Konsequenz seiner Idee namens Materiewelle. Anders als bei den Teilchen des Lichts kannte man von einem Elektron etwa ziemlich genau die Masse, über die es verfügte. Und wenn dieser Masse wie auch immer die Eigenschaften von Wellen zukamen, dann konnte sie zum Verschwinden gebracht werden. So wie Licht plus Licht zu Dunkelheit führen kann – die Physiker sprechen dann von der Eigenschaft der Interferenz, die Wellen zukommt –, muss dann auch Masse plus Masse zu Nichts führen. Das sei eine absurde Vorstellung, meinte man 1924 sofort, doch bald konnte sie tatsächlich im Experiment bewiesen werden, was dann auch eine zügige Einladung zum König von Schweden, der die Nobelpreise zu überreichen hat, zur Folge hatte.

Bevor wir über den Nachweis der Richtigkeit von de Broglies Idee berichten und die Folgen für die gesamte Physik und ihr Weltbild betrachten, wollen wir einige Lebensstufen von Louis de Broglie ansehen.

Irgendwie muss das Wissenschaftliche in seine Familie gekommen sein, denn sein 17 Jahre älterer Bruder Maurice hatte schon vor ihm zur Physik gefunden, um letztlich ein geschätzter Experimentalphysiker zu werden. Der junge Louis beschäftigte sich dagegen nach den in Paris verbrachten Schuljahren zunächst mit Philosophie und Geschichte, bevor er auf die Schriften von Henri Poincaré aufmerksam wurde, die etwa vom Wert der Wissenschaft handelten oder unter dem Titel Wissenschaft und Hypothese die Bedeutung von guten Ideen für die Entwicklung der Forschung erörterten. Von 1911 an studierte Louis de Broglie dann Physik und Mathematik, wobei sein Interesse schon sehr früh auf die Quanten gelenkt wurde, und zwar dadurch, dass sein Bruder Maurice ihm die Verhandlungen der ersten Solvay-Konferenz vorlegte, die 1911 in Brüssel abgehalten worden war.

Die Idee zu den bis heute stattﬁ ndenden Solvay-Konferenzen stammt von dem deutschen Physiker Walter Nernst, der mit dem belgischen Großindustriellen Ernest Solvay Kontakt aufgenommen hatte und dem ausgebildeten Chemiker erklären konnte, dass man ein Forum brauche, um die »fundamentalen und fruchtbaren Ideen von Planck und Einstein« im Kreis von Wissenschaftler erörtern zu können. Solvay war einverstanden, und 1911 konnte Nernst viele Physiker ins Brüsseler Hotel Metropol einladen, um zum Thema »Die Theorie der Strahlung und der Quanten« diskutieren zu lassen. Im folgenden Jahr lagen die Referate gedruckt vor, und Maurice de Broglie zeigte das Buch seinem Bruder Louis.

Was rasend schnell hätte gehen können, kommt plötzlich zum Erliegen, denn die europäischen Staaten schliddern in den Ersten Weltkrieg, und de Broglie muss seine Studien unterbrechen. Er wird Nachrichtenofﬁ zier und beschäftigt sich weniger mit Quanten und mehr mit Elektrotechnik und der Ausbildung von Personal. Erst 1919 kommt er zur Physik zurück, was konkret bedeutet, dass er Mitarbeiter im Privatlaboratorium seines Bruders wird und über Röntgenstrahlen und den Fotoeffekt nachdenkt, bei dem Licht den in einem elektrischen Leiter ﬂießenden Strom beeinﬂusst. Wenn dies passiert, dann muss das Licht mit den Elektronen, die sich beispielsweise in einem Metall bewegen, in Wechselwirkung treten. Aber wie? Wie trifft das Licht überhaupt auf einen Draht? Als Welle oder als Teilchen? Und wie reagieren die Teilchen des Drahts, wenn eine Welle kommt? Könnte es nicht sein, dass auch die Elektronen wie Wellen agieren, wenn sie auf Licht treffen bzw. vom Licht getroffen werden?

Der Nachweis

Wir wissen nicht, ob sich Louis de Broglie diese Fragen so gestellt hat. Wir wissen aber, dass er 1923 eine Arbeit über Wellenmechanik verfasst und 1924 seine Doktorarbeit mit dem Vorschlag einreicht, der ihm Ruhm und Ehre bringt. Das heißt, Ruhm und Ehre kommen, nachdem ein Experiment nachweisen konnte, dass es die von ihm konzipierten Materiewellen tatsächlich gibt. Dieser Versuch wurde 1927 durch die beiden amerikanischen Physiker Clinton Davisson und Lester Germer an den Bell-Laboratorien durchgeführt. Dabei wurde ein Elektronenstrahl auf einen »Einkristall« (aus Nickel) gelenkt, wobei ein Kristall den genannten Ehrennamen nur dann bekommt, wenn seine Atome völlig regelmäßig bzw. so regelmäßig wie möglich angeordnet sind.

Davisson und Germer lenkten also den Strahl aus Elektronen unter verschiedenen Winkeln auf die Kristalloberﬂ äche, ermittelten mit höchster Genauigkeit die auftretende Streuung und registrierten dabei Kurven, die sich ganz genau – qualitativ und quantitativ – mit der Idee von de Broglie, dass es Materiewellen geben müsse, erklären ließen. In der Tat konnten Elektronen an dem Kristallgitter so gebeugt werden wie Licht, die Materieteilchen agierten somit nachweislich wie Wellen – ein Befund, für den das Nobelkommitee nicht mehr lange brauchte, um den begehrten Preis dafür zu vergeben.

Jetzt war klar, dass Dualität eine grundlegende Eigenschaft der Natur ist. Nicht nur das (masselose) Photon, sondern auch das (massive) Elektron kann Welle und Teilchen zugleich sein. Und so verwirrend diese Einsicht auch auf den ersten Blick erschien, sie zeigte auf den zweiten Blick deutlich, dass es eine gemeinsame (fundamentale) Theorie geben konnte bzw. musste, mit der sich die physikalische Wirklichkeit erfassen ließ. Sie war tatsächlich schon kurz nach dem Bekanntwerden von de Broglies Hypothese aufgestellt worden und heißt heute Quantenmechanik.

Die Schriften des Grafen

In dem Jahr, in dem de Broglie den Nobelpreis erhielt, wurde er auch zum Professor für Theoretische Physik am Institut Henri Poincaré in Paris berufen. Ein paar Jahre später wechselte er an die Sorbonne, der er die kommenden Jahrzehnte über die Treue hielt.

Wir wollen hier nicht über die Jahre des Zweiten Weltkriegs sprechen, in denen de Broglie als Berater der französischen Atomenergiekommission gewirkt und sich patriotisch gestimmt gezeigt hat. Wir wollen aber erstens auf die Tatsache hinweisen, dass Planck, der mit der Idee von Materiewellen zunächst nichts anfangen konnte, 1938 dafür gesorgt hat, dass de Broglie mit der höchsten Auszeichnung der deutschen Physik, der Max-Planck-Medaille, geehrt wurde. Beim Festakt selbst machte Planck in seiner Laudatio keinen Hehl aus dem politischen Charakter der Veranstaltung, mit der die Existenz einer europäischen Kultur demonstriert wurde, die durch Kriege nicht zerstört werden kann. Und wir wollen zweitens anmerken, dass der Goverts Verlag in Hamburg kurz darauf in demselben Geist zwei Bücher von Louis de Broglie in deutscher Übersetzung herausbrachte, in denen der französische Nobelpreisträger seine Sicht der neuen Physik für ein breites Publikum vorlegte. Licht und Materie erschien 1939, und Die Elementarteilchen folgten vier Jahre später, wobei der zweite Band den geheimnisvollen Untertitel Individualität und Wechselwirkung enthält. Die Lektüre dieser beiden Bände ist nach wie vor empfehlenswert. Die Texte handeln unter anderem vom »Geheimnis des Lichts«, vom »Indeterminismus der Quantenphysik« und von der »Eigengesetzlichkeit und Wechselwirkung der Teilchen«. Sie berühren zahlreiche philosophische Fragen, die im Verlauf der Entstehung der Quantenphysik aufgetaucht sind, und sie tun dies auf zugleich behutsame und originelle Weise.

Es kann hier nicht darum gehen, mit ein paar Sätzen zusammenzufassen, was de Broglie meint, wie etwa die geheimnisvollen Materiewellen in der physikalischen Wirklichkeit vorzustellen sind. Wir wollen aber fragen, ob in den Texten erkennbar vom Autor preisgegeben wird, was ihn zu dem damals doch revolutionären Gedanken von Materiewellen gebracht hat. Eine Logik der Forschung kann dabei nicht am Werk gewesen sein. Aber was dann?

In dem Band Licht und Materie schildert de Broglie unter der Überschrift »Materie und Licht in der modernen Physik« zunächst das Bemühen von Lukrez bis Einstein, mit diesen Phänomenen ins Reine zu kommen. Dann referiert er über die Quanten und ihre Sprünge und stellt im Zuge dessen Einsteins Lichtquanten, die Photonen, vor bzw. erzählt von den Experimenten, die ihre Existenz nahelegen. Er weist darauf hin, dass in den frühen Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts allgemein der Eindruck entstand, dass die klassische Mechanik für Teilchen im Inneren des Atoms modiﬁziert werden musste, wobei der Grund dafür »lange Zeit ein Geheimnis geblieben« ist. Just an dieser Stelle kommt er auf sich selbst zu sprechen: »Beim Durchdenken dieser Fragen gelangte der Verfasser im Jahre 1923 zu der Überzeugung, dass es sowohl in der Theorie der Materie wie in der Strahlentheorie unbedingt notwendig ist, gleichzeitig Korpuskeln und Wellen anzunehmen, um eine einheitliche Lehre zu erhalten, die ermöglicht, die Eigenschaften der Materie und die Eigenschaften des Lichtes zugleich zu interpretieren.« De Broglie erläutert sodann, wie sein Gedanke der Dualität von Materie experimentelle Triumphe feiern konnte, ohne aber das Folgende aus dem Blick zu verlieren: »Der Grund, warum es diese beiden Aspekte [Welle und Teilchen] gibt, und die Art und Weise, wie es möglich wäre, sie zu einer höheren Einheit zu verschmelzen, sind immer noch ein Geheimnis. (…) Das Auftreten solcher Schwierigkeiten darf keineswegs wundernehmen. Jedes Mal, wenn es dem menschlichen Geist um den Preis großer Bemühungen gelungen war, eine Seite des Buches der Natur zu entziffern, hat sich sofort gezeigt, wie viel schwieriger erst die Entzifferung der folgenden Seite sein würde. Trotzdem hindert ihn ein tiefer Instinkt daran, den Mut sinken zu lassen, und veranlasst ihn, seine Anstrengungen zu erneuern, um immer wieder fortzuschreiten in der Erkenntnis von der Harmonie der Natur.«

3

Wolfgang Pauli (1900–1958)

Die Nachtseite der Wissenschaft

Es hat sehr lange gedauert, bis Wolfgang Pauli, einer der ganz Großen unter den Physikern des 20. Jahrhunderts, seinen Biografen gefunden hat. Dafür gibt es einen guten Grund, und zwar die ungeheure Weite und Tiefe seines Denkens und inneren Erlebens. Pauli hat nämlich nicht nur versucht, neben der bewusst eingesetzten Lichtseite des Verstandes und seiner Rationalität auch die nur unbewusst eingreifende Nachtseite der Wissenschaft mit ihren Träumen zu berücksichtigen; er wollte die hier ﬂießenden Quellen der Erkenntnis dingfest machen. Pauli tat dies, weil er früher als viele andere spürte, dass der Sachverstand der Experten alleine gefährlich werden kann und ein Gegengewicht braucht, wie er einmal anschaulich formuliert hat: »Nach meiner Ansicht ist es nur ein schmaler Weg der Wahrheit (sei es eine wissenschaftliche oder sonst eine Wahrheit), der zwischen der Scylla des blauen Dunstes von Mystik und der Charybdis eines sterilen Rationalismus hindurchführt. Der Weg wird immer voller Fallen sein, und man kann nach beiden Seiten abstürzen.«

Pauli war stets auf der Suche nach der Balance, die den Absturz vermeidet, was unter Zeitgenossen, die den Weg ihrer wissenschaftlichen Rationalität für absolut sicher hielten, schwerfallen musste. In Paulis Weltbild war kein Platz für solche Einseitigkeiten, und er betrachtete es »fast wie ein Dogma, dass Gegensatzpaare symmetrisch behandelt und bewertet werden müssen«, wie er noch kurz vor seinem Tode schrieb, »und hierzu gehört auch das Paar Geist/Materie«, das im 17. Jahrhundert getrennt worden war und erst jetzt mit den Quanten wieder zusammengefügt werden konnte.

Gemäß dem Grundsatz der Symmetrie und nach dem Prinzip des Gleichgewichts traute Pauli nicht nur dem denkenden, sondern auch dem fühlenden Menschen Erkenntnischancen zu. Das Unbewusste konnte seiner Ansicht nach ebenso einen Beitrag zu unserem Weltbild liefern wie das bewusste Erleben. Pauli glaubte, dass westlich erzogene Wissenschaftler erst dann das Glück, das alle Menschen suchen, ﬁnden, wenn sie im Fühlen und Träumen so stark wären wie im Denken und Wachen.

Natürlich haben solche Vorstellungen bei seinen Kollegen kaum Resonanz gefunden, und auch jetzt schrecken noch viele Physiker und andere Forscher davor zurück. Deshalb wird es höchste Zeit, sich unvoreingenommen mit Pauli zu befassen, der sich ernsthaft wie kein Zweiter – nämlich mit seinem ganzen Leben – darum bemüht hat, die Tiefe des geistigen Wandels zu begreifen, der mit der Quantentheorie eingetreten war und die westliche Welt gezwungen hat, ihr Ideal der Objektivität aufzugeben. Pauli hatte den Mut, sich zu fragen, was diesen Wandel bewirkt, was also hinter der Physik liegt und unsere Vorstellungen bestimmt, obwohl es unserer Willkür entzogen ist.

Das Wunderkind

Pauli kommt am 25. April 1900 in Wien zur Welt, also im ersten Frühling des neuen Jahrhunderts; im Herbst desselben Jahres führt Max Planck in Berlin das Quantum der Wirkung in die Physik ein. Paulis Vater, der aus Prag stammt und als assimilierter Jude eine medizinische Karriere an der Universität gemacht hat, ist dort mit dem berühmten Physiker und Philosophen Ernst Mach bekannt geworden, der Taufpate des Sohnes Wolfgang wird. Mach wirkt bei diesem christlichen Ritual offenbar nachhaltiger als der Geistliche, weshalb Pauli später davon gesprochen hat, er sei »antimetaphysisch statt katholisch getauft« worden. Das heißt übrigens konkret, dass er sehr früh einen Blick für das Böse bekommen hat, denn dieses identiﬁzierte Mach mit dem Metaphysischen.

Paulis wohlumsorgte Kindheit an der Seite seiner Mutter Bertha wird jäh unterbrochen, als er eine Schwester bekommt. Sie heißt Hertha und wird später Schriftstellerin. Was den neunjährigen Knaben an der Schwester bedrückt, bleibt unklar. Er wird etwas eigenbrötlerisch und eignet sich bis zum 18. Lebensjahr all das mathematische und physikalische Wissen an, das er braucht, um in diesen jungen Jahren gleich drei Abhandlungen über die Allgemeine Relativitätstheorie zu schreiben. Welch ungewöhnliche und besondere Leistung hier gelungen ist, wird nur klar, wenn man sich vor Augen hält, dass Einsteins große Arbeit zu diesem Thema erst 1915 erschienen und damals selbst von vielen erwachsenen Physikern kaum verstanden worden ist. Abgesehen davon erstaunt an den frühen Publikationen Paulis vor allem, dass der Teenager nicht nur schwierige mathematische Ableitungen zustande bringt, sondern es darüber hinaus sogar riskiert, Zweifel an der Bedeutung physikalischer Grundbegriffe zu äußern. Er schlägt sogar vor, Grenzen ihrer Anwendbarkeit anzunehmen. So bemerkt der vorwitzige Schüler zum Beispiel, dass es schlicht und einfach keinen Sinn ergibt, wenn Physiker von einem elektrischen Feld in einem Atom sprechen, obwohl das alle ganz selbstverständlich tun. Natürlich sind die Bausteine der Atome geladen, und natürlich sind im Verständnis der klassischen Physik Ladungen mit Feldern verbunden und von ihnen umgeben. Doch nachweisen lässt sich solch ein Feld nur durch die Kraft, die es auf eine Probeladung ausübt, und genau dies geht nicht. Denn wie – dies würde der junge Pauli gerne wissen – will man solch ein Ding, das doch aus Atomen bestehen muss, in einem Atom an- bzw. unterbringen?

Der körperlich nicht besonders groß gewachsene Pauli fällt mit solchen Überlegungen auch beim Studium der Physik auf, das er von 1918 an in München bei Arnold Sommerfeld absolviert, dem Zeit seines Lebens hochverehrten Lehrer. In Sommerfelds Seminar lernt er bald den ein Jahr jüngeren Heisenberg kennen. Es ist keine Frage, dass niemals zuvor und danach zwei Studenten ähnlichen Kalibers nebeneinander die Hörsaalbank gedrückt haben, und es ist äußerst bemerkenswert, wie schnell sie sich aus dem Weg gehen. Ihre Lebensweise ist denkbar unterschiedlich: Während Heisenberg die Natur durchstreift und deshalb von seinem Kommilitonen verächtlich als Naturapostel apostrophiert wird, hält sich Pauli lieber von der frischen Luft fern und in Nachtlokalen auf, um hier seinen physikalischen Gedanken nachzuhängen. Er taucht selten vor zwölf (und manchmal auch unrasiert) in der Universität auf, dennoch kommt er wissenschaftlich voran und promoviert im Alter von 21 Jahren in demselben Jahr, in dem er zur Bewunderung Einsteins einen viele Hundert Seiten langen Aufsatz über die Relativitätstheorie verfasst. Dieser geistige Erguss hat bis auf den heutigen Tag nicht an Bedeutung verloren, weil er die philosophischen Implikationen des neuen Raum-Zeit-Kontinuums und seiner eigenwilligen Geometrie ebenso erfasst, wie er die physikalisch-mathematischen Gegebenheiten elegant darstellt.

Das Prinzip der Ausschließung

Nach der Promotion 1921 verlässt Pauli sein bislang vertrautes Umfeld, um kurze Gastspiele in Göttingen, Hamburg und Kopenhagen zu geben. Dabei lernt er Niels Bohr kennen, und zwischen beiden entwickelt sich eine lebenslange und stets ungetrübte Freundschaft. Nach den Wanderjahren kehrt Pauli an die Elbe zurück, um fünf Jahre lang in Hamburg zu bleiben, und zwar als Assistent von Wilhelm Lenz, bei dem er sich auch habilitiert. In dieser Zeit zwischen 1923 und 1928, in der es Heisenberg und Schrödinger gelingt, ihre beiden gleichberechtigten Versionen der Quantenmechanik vorzulegen, unterbreitet Pauli einen physikalischen Vorschlag, der ihm am Ende des Zweiten Weltkriegs den Nobelpreis für sein Fach einbringen wird. Die Idee wird heute in den Lehrbüchern als sogenanntes Ausschließungsprinzip eingeführt und häuﬁg Pauli-Prinzip genannt. In einfachster Form ausgedrückt, erkennt Pauli, dass zum Beispiel Elektronen in einem Atom nicht jeden Zustand annehmen können. Es gibt vielmehr die Einschränkung, dass ein Elektron von dem Zustand ausgeschlossen ist, den ein anderes Elektron schon besetzt hat. Mit anderen Worten: Elektronen verhalten sich wie konsequente Individualisten (übrigens im Gegensatz zu den Teilchen des Lichts, den Photonen, die alle den gleichen Zustand einnehmen und dann zum Beispiel als sichtbarer Lichtstrahl in Erscheinung treten können).

So leicht und selbstverständlich sich dies vielleicht anhört und so sehr das Pauli-Prinzip die gesamte Physik beeinﬂusst, so schwierig war es 1924, den Physikern diesen Gedanken nahezulegen. Viele sprachen von »Schwindel« und »Unsinn«. Denn durch welchen Mechanismus sollte das Verbot, den gleichen Zustand anzunehmen, in die Tat umgesetzt werden und überhaupt erst zustande kommen?

Die eigentliche Pointe des Prinzips steckt in der Tatsache, dass Pauli es nur formulieren konnte, indem er über das hinausging, was die Physiker von den Elektronen wussten bzw. annahmen. Die Quantenmechanik erlaubt den Mitspielern auf der atomaren Bühne nur diskrete, das heißt durch Quantensprünge getrennte Zustände, die man bequemerweise durch geeignete Quantenzahlen charakterisiert. Für ein Elektron kannten die Physiker damals drei Quantenzahlen, und das Unverschämte an Paulis Vorschlag von 1924 bestand darin, dass Pauli mir nichts dir nichts einfach eine vierte Quantenzahl einführte und zudem ausdrücklich und bewusst darauf verzichtete, diese neue Zahl durch eine klassisch-physikalisch verständliche Eigenschaft zu veranschaulichen. Vielmehr empfahl er seinen Kollegen, alle entsprechenden Bemühungen zu unterlassen. Der von ihm vorgeschlagene Freiheitsgrad des Elektrons sollte »eine klassisch nicht beschreibbare Art von Zweideutigkeit« sein.

Dies erscheint vielleicht alles wie Wahnsinn, aber es hatte Methode. Tatsächlich dauerte es nicht lange, bis in Experimenten Konsequenzen genau dieser unbekannten Qualitäten von Elektronen nachgewiesen werden konnten, die sich mit Paulis vierter Quantenzahl erfassen ließen. Diese Methode handelt von dem, was seit dieser Zeit unter dem Namen »Spin« bekannt ist, und wie wichtig der Elektronenspin ist, weiß jeder Chemiker, der versucht, Bindungen zwischen Atomen und Molekülen zu erklären. Ohne Hilfe des Spins käme er dabei nicht zurecht. Anders gesagt, ohne die von Pauli theoretisch vorhergesagte Quantenzahl gäbe es keine chemische Bindung – und damit keine Moleküle des Lebens.

Professor mit Neurose in Zürich

Der Aufenthalt in Hamburg endet 1928, als Pauli einen Ruf der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) in Zü-rich annimmt und in die Schweiz übersiedelt. Dort verbringt er – abgesehen von Reisen und Forschungsaufenthalten in den USA, deren Staatsbürger er 1946 wird – den Rest seines nicht allzu langen Lebens, das bereits am 15. Dezember 1958 endet.

Der Wechsel nach Zürich geht mit dem Beginn einer Neurose einher, wie Pauli seinen damaligen Gemütszustand nennt. Er tritt 1929 aus der katholischen Kirche aus und heiratet (in Berlin) die junge Tänzerin Käthe Deppner. Die Ehe wird aber schon 1930 wieder geschieden. Hier sei eine kritische Anmerkung gestattet: Historiker, die sich mit dem Nachlass Paulis beschäftigen, schweigen diese erste Heirat gerne tot, allenfalls lassen sie sich zu nichtssagenden Bemerkungen wie »Ehe von kurzer Dauer« hinreißen. Es ist überhaupt ärgerlich, wie potenzielle Biografen mit schwierigen Fragen, die Paulis Leben und Person betreffen, umgehen, wenn sie außerhalb der Physik liegen. Dieses ängstliche Ausweichen hat bislang jeden ernsthaften Versuch verhindert, eine Biograﬁe über diesen Physiker zu schreiben. Natürlich gibt es genügend wissenschaftliche Spannungen in Paulis Leben, doch die erregenden inneren Dimensionen seines Denkens und Fühlens müssen deshalb nicht auf alle Zeiten so verborgen bleiben, wie sie es zu seinen Lebzeiten waren.

In Zürich nutzt Pauli die Tatsache, dass damals auch der berühmte Psychologe Carl Gustav Jung in der Stadt wohnt, und begibt sich zu ihm in Behandlung. Wie dabei konkret vorgegangen wurde, ist bislang nirgendwo genau zu erfahren. Es scheint aber, dass die beiden wechselseitig voneinander proﬁtiert haben. Jung nutzt Paulis Träume, um seine Theorie der nächtlichen Gehirntätigkeit zu entwickeln, und Pauli selbst ist darum bemüht, etwas von der Gefühlskälte abzulegen, die ihn vor allem unter Kollegen berüchtigt gemacht und ihm in Verbindung mit seiner meist zutreffenden, aber oft unerbittlichen Kritik den Namen »der fürchterliche Pauli« eintragen hat. Man könnte diesen Charakterzug allerdings auch positiv verstehen: Gerade durch ihn wird Pauli zum »Gewissen der Physik«, weil er klarer und schneller als andere zwischen Sinn oder Unsinn eines mehr oder weniger »verrückten« Vorschlags unterscheiden kann. Sein Urteil ist dabei oft sehr hart, etwa dann, wenn er den Vorschlag eines Physikers folgendermaßen abfertigt: »Das ist nicht richtig, was Sie sagen, es ist noch nicht einmal falsch.«

Das kleine neutrale Teilchen

Pauli bietet offenbar sowohl auf der Tag- als auch auf der Nachtseite der Wissenschaft Stoff für Geist und Seele. Schauen wir zunächst auf die Tagseite des wissenschaftlichen Diskurses. Hier wagt sich Pauli 1930 erneut mit einem kühnen Vorschlag in die Arena physikalischen Denkens. Zu einer Zeit, als nur Elektronen und Protonen als Bestandteile der Atome bekannt sind – das Neutron wird erst im Jahre 1932 entdeckt –, kommt Pauli zu einem wichtigen Schluss in Hinblick auf Beobachtungen, die im Zusammenhang mit dem radioaktiven Betazerfall von Materie gemacht worden sind. Ihm fällt auf bzw. ein, dass die unterschiedlichen Energien, die von den radioaktiven Atomen freigesetzt werden, nur zu erklären sind, wenn man dabei ein bislang unbekanntes Teilchen mit in die Rechnung aufnimmt. Pauli behauptet deshalb, dass das hypothetische Gebilde elektrisch neutral sei, und bietet außerdem eine Wette darüber an, dass eine Wechselwirkung des Gebildes mit anderen Teilchen der Materie so gering sei, dass ein experimenteller Nachweis niemals gelingen werde.

Ein starkes Stück, was Pauli da bietet, und zwar in doppelter Hinsicht. Zum einen fällt die Sicherheit der theoretischen Vorhersage auf, die er sogar gegen die damalige Einstellung Bohrs durchhielt, der für kurze Zeit bereit war, die durchgängige Gültigkeit des Energiesatzes einer statistischen Kontinuität zu opfern. Und zum anderen lässt sich fast so etwas wie eine Geringschätzung erkennen, was den Beitrag angeht, den technische Möglichkeiten bzw. experimentelle Daten bei Einsichten der Physik liefern.

Was die Wette anbelangt, so hat Pauli sie verloren, denn die Existenz der von ihm postulierten und heute nach einem Vorschlag von Enrico Fermi unter dem Namen »Neutrino« bekannten Teilchens konnte sehr wohl nachgewiesen werden. Dies geschah im Jahre 1956, also noch zu Lebzeiten Paulis. Und was die Kühnheit der Neutrino-Hypothese angeht, so basierte sie auf der Grundüberzeugung, dass es im Reich der physikalischen Gesetze symmetrisch zugeht: Aus der Symmetrie der Naturgesetze folgt mit mathematischer Sicherheit die Gültigkeit von Erhaltungssätzen, und hieran hielt Pauli unerschütterlich fest. Er glaubte felsenfest an die Erhaltung der Energie – auch beim Betazerfall. Als die Messungen hartnäckig zeigten, dass ein Teil der Gesamtenergie verloren zu gehen schien, war für Pauli sicher, dass es etwas geben musste, das ebendiesen Teil der Energie aufgenommen hatte, aber in den Experimenten unbemerkt geblieben war – das Neutrino.

Als übrigens ebenfalls noch 1956 in weitergehenden Experimenten zum Neutrino und anderen Elementarteilchen entdeckt wurde, dass es die ganz große Symmetrie doch nicht gibt, war Pauli wirklich verblüfft. Er tröstete sich aber rasch mit dem hübschen Gedanken, dass Gott eben »nur ein Linkshänder« sei, und zwar ein schwacher, wie er in Hinblick auf die Wechselwirkung formulierte, die dem Betazerfall die Energie liefert.

Briefe mit Träumen und anderen Nachtseiten

Im Anschluss an das oben erwähnte Zusammentreffen mit C. G. Jung entwickelt sich zwischen beiden ein wissenschaftliches Gespräch in Briefform, das sowohl der Wissenschaft als auch der Öffentlichkeit lange Zeit unbekannt geblieben und erst in den 1990er-Jahren publiziert worden ist. Pauli versucht darin vor allem mit den zahllosen Träumen fertig zu werden, die sich Nacht für Nacht in seinem Kopf melden.

Sein Traumleben wird besonders aktiv, nachdem er 1934 zum zweiten Mal geheiratet hat, und zwar Franca Bertram, die freundliche Historiker gerne als »treue Lebensgefährtin für den Rest seines Lebens« vorstellen. Die kinderlos bleibende Ehe hat bis zu Paulis Tod gehalten, und es gibt kein schlechtes Wort von ihm über seine Frau Franca. Doch wahrscheinlich hat sie sich zu viel um ihren Mann gekümmert und dabei zuletzt unverdient gemacht: Da sie nur seine Lichtseite präsentieren und ihn somit anders zeigen wollte, als er war, ist leider anzunehmen, dass sie viele von Paulis intimen Briefen vernichtet hat, in denen er mit aufregenden Gedanken zu philosophischen und psychologischen Fragen oft bis an die Grenze des Denk- und Erkennbaren gegangen ist, wie selbst C.G. Jung einräumen musste.

Unabhängig von dieser Spekulation darf man jedoch davon ausgehen, dass die meisten Briefe Paulis erhalten geblieben sind. Diesen Schluss legt der bisher veröffentlichte Wissenschaftliche Briefwechsel nahe, der schon heute weit über 5000 Seiten Umfang hat und noch manche Überraschungen verspricht. Um ein Beispiel für die Vielfalt der Gedanken zu geben, die Pauli in Briefform freigiebig anbietet, sei aus der Antwort zitiert, die er auf die Frage seines Mitarbeiters und späteren Nachfolgers Markus Fierz gibt, als der seinen Lehrer nach der Triebfeder seines Tuns fragt. Pauli antwortet: »Warum wir in der Physik die Natur erforschen? Die Alchemie sagte, ›um uns selbst zu erlösen‹, was durch die Herstellung des Lapis Philosophorum [des Steins der Weisen] ausgedrückt wurde. Jungianisch formuliert wäre das die Herstellung eines ›Bewusstseins vom Selbst‹, bzw. eines ›bewussten Zustandes des Selbst‹. Nun ist dieses nicht nur licht, sondern auch dunkel und muss als Totalität auch den Willen zur Macht über die Natur mitenthalten, den ich als eine Art böse Hinterseite der Naturwissenschaften auffasse, die sich von diesen nicht abtrennen lässt. Aber die Antwort auf die gestellte Warum-Frage wird immer das den Rationalisten verhasste Wort ›Heilsweg‹ bleiben, gegen das man sich vergeblich sträubt.«

Wie in allen nicht zur Veröffentlichung bestimmten Texten von Pauli müssen einige der verwendeten Begriffe in den Zusammenhang gestellt werden, den er beim Schreiben vor Augen hatte, sonst ist der Umfang des Gemeinten nicht zu erkennen. In dem Zitat fallen zwei Begriffe auf, nämlich der »Heilsweg« und die »Hinterseite«, für die er auch oft »Schattenseite« sagte und der zuerst Aufmerksamkeit geschenkt werden soll.

Pauli hatte im Laufe seines wissenschaftlichen Lebens verstanden, dass die technischen Entwicklungen des 20. Jahrhunderts – Stichwort: Atombombe – das ethische Fundament der abendländischen Tradition, zu der zweifellos die mathematische Naturwissenschaft zählt, unglaubwürdig gemacht haben. Vielleicht ist auch darin der Grund zu suchen, dass Pauli ruhig und abgeschieden der physikalischen Grundlagenforschung nachging, während nahezu alle bedeutenden Physiker seiner Generation sich in Los Alamos mit der Entwicklung von Kernwaffen abmühten. Der oben zitierte Wille zur Macht, der sich deutlich in dem berühmten Diktum »Wissen ist Macht« ausdrückt, hat sich jedenfalls spätestens im Verlauf des Zweiten Weltkriegs mehr und mehr verselbstständigt und sich von dem eigentlichen – humanen – Ziel der Naturforschung entfernt. Die Rationalität hat dabei massiv Schiffbruch erlitten, wie Pauli am eigenen Leib in Form seiner Psychose erfährt und wie sich heute auf der ganzen Welt zum Beispiel an der Umweltzerstörung zeigt. Die Frage, wie hier durch Wissenschaft Abhilfe zu schaffen ist, muss also dringend beantwortet werden. An dieser Stelle kann nicht oberﬂ ächlich reagiert werden, denn immerhin geht seit den Tagen der Bombe die alte und von Platon begründete Gleichung nicht mehr auf, der zufolge das Rationale identisch mit dem Guten ist. Was die Griechen vor mehr als 2000 Jahren noch annehmen durften und was der europäischen Wissenschaft lange Zeit hindurch eine ethische Grundlage gab, können und dürfen wir heute nicht mehr glauben, nachdem der wissenschaftliche Sachverstand geplant und gezielt das Böse hervorgebracht hat.

Paulis Vorschläge für einen Ausweg aus diesem Bruch zwischen dem Rationalen und dem Guten basieren alle auf seinem Verlangen nach Symmetrie. Ihm scheint, dass das (christliche) Abendland aufhören muss, das zu verachten, was er »chtonische, instinktive Weisheit« nennt und mit dem Erleben von »Schönheit« in der Natur zu tun hat. Ethik kommt nicht zustande, wenn wir in geistigen Sphären argumentieren und dabei die Ehrfurcht vor dem Leben beschwören. Moralisches Handeln entspringt der Wahrnehmung des anderen und von anderen und der dabei erreichten und praktizierten Wertschätzung seiner und ihrer Besonderheit.

Pauli scheint es darüber hinaus für möglich zu halten – und damit kommt der oben erwähnte Heilsweg ins Spiel –, dass Erfüllung sowohl im Denken wie im Fühlen gefunden werden kann. Mit dem komplementären Paar Denken und Fühlen greift Pauli auf die von C.G. Jung eingeführte Typologie der psychischen Qualitäten (Funktionen) eines Individuums zurück. Wichtig ist Jung dabei, dass in psychologischer Sicht das schwächere der beiden Vermögen die Verbindung zu dem Unbewussten herstellt. Für Pauli ist selbstverständlich, dass zum wissenschaftlichen Tun eines Menschen »das gesunde Funktionieren des Unbewussten« ebenso beiträgt wie die Arbeit von Verstand und Vernunft. Er geht sogar so weit, das ständig wiederholte Nachdenken über einen Gegenstand als wissenschaftliche Methode zu bezeichnen, und zwar deshalb, weil dieser Vorgang so lange fortgesetzt wird, bis das Unbewusste ausreichend aufgewühlt wird und den betroffenen Menschen zu plötzlicher Klarheit führen kann.

Das harmonische Zusammenﬁnden von Bewusstsein und Unbewusstem als Mittel der Erkenntnis galt für Pauli nicht nur als sein persönliches Ziel. Vielmehr sah er hierin eine allgemeine Aufgabe für den abendländischen Menschen. Als sich zum Beispiel der Philosoph Karl Jaspers in Paulis Todesjahr 1958 Gedanken über Die Atombombe und die Zukunft des Menschen machte, stellte auch er fest, dass die Rationalität in eine Sackgasse geraten war, und zwar deshalb, weil sie nur nach der Machbarkeit frage und Verfügungswissen ohne Orientierungshilfe erzeuge. Jaspers hoffte, dass die Menschen bald lernen würden, mit ihrer Vernunft den Sachverstand zu lenken und einen Ausweg aus der festgefahrenen Situation zu ﬁ nden.

Pauli stimmte der Analyse zwar zu, traute aber nicht der Vernunft allein. Für ihn kam nur die Besinnung auf komplementäre Gegensatzpaare infrage, wie er es ausdrückte, und er meinte damit das Bewusstsein und das Unbewusste, das Denken und das Fühlen, die Vernunft und den Instinkt, den Logos und den Eros. In der nackten Tatsache, dass die eine Hälfte dieser Liste von Gegensatzpaaren nicht einmal ansatzweise eine Rolle in der Wissenschaft spielt, erkennt Pauli, wie sehr sich das westliche Denken selbst im Weg steht und in seiner Einseitigkeit blockiert.

»Hintergrundsphysik«

In Paulis Briefen wimmelt es von originellen Hinweisen auf die westliche Kultur, deren bloße Erwähnung jeden Rahmen sprengen würde. Auf einen erkenntnistheoretischen Punkt besonderer Art soll hier aber trotzdem hingewiesen werden. In einem Text aus dem Jahre 1948, der erst seit ein paar Jahren in publizierter Form vorliegt (als Anhang in dem von C.A. Meier herausgegebenen Band mit dem Briefwechsel zwischen Wolfgang Pauli und C.G. Jung), stellt ihn Pauli relativ ausführlich vor. Das Manuskript trägt den Titel Hintergrundsphysik und behandelt physikalische Grundbegriffe wie Atom, Atomkern, Energie und Welle als archetypische Symbole. Was ist damit gemeint?

Es wurde bereits gesagt, dass Pauli eine gewisse Skepsis gegenüber der traditionellen Logik in der Forschung hatte. Er hoffte, »dass niemand mehr der Meinung ist, dass Theorien durch zwingende logische Schlüsse aus Protokollbüchern abgeleitet werden, eine Ansicht, die in meinen Studententagen noch sehr in Mode war«. So äußert sich Pauli in einem Aufsatz mit dem Titel Phänomen und physikalische Realität, in dem man weiter lesen kann: »Theorien kommen zustande durch ein vom empirischen Material inspiriertes Verstehen, welches am besten im Anschluss an Plato als zur Deckung kommen von inneren Bildern mit äußeren Objekten und ihrem Verhalten zu deuten ist. Die Möglichkeit des Verstehens zeigt aufs Neue das Vorhandensein regulierender typischer Anordnungen, denen sowohl das Innen wie das Außen des Menschen unterworfen ist.«

Mit den »typischen Anordnungen« meint Pauli das, was bei C. G. Jung »Archetypus« heißt. Der Archetypus erlaubt es, die tiefen Beziehungen zwischen der menschlichen Seele und der real gegebenen Materie herzustellen, ohne die wir gar nicht in der Lage wären, Begriffe zu erﬁ nden, die auf die Natur passen. In diesem Bild treten die physikalischen Gesetze als äußere und die Begriffe als innere »Projektionen« archetypischer Qualitäten auf. Erkenntnis kann gelingen, nachdem die menschliche Wahrnehmung äußere Formen in innere Bilder verwandelt hat (dies könnte die ursprüngliche Bedeutung von Information sein). Diese treffen anschließend auf andere innere Bilder, welche wie die platonischen Ideen als Vorgabe für den Menschen existieren und seinen Erkenntnishorizont deﬁnieren. Die Übereinstimmung zwischen den beiden Bilderströmen ist möglich, weil sie eine gemeinsame archetypische Ebene haben, von der sie ausgehen.

Pauli beharrte auf der skizzierten »Wesensidentität von Innen und Außen«, wie sie im Übrigen auch bei Goethe zu ﬁnden ist. Dem ist sie offenbar selbstverständlich, denn Goethe meint: »Nichts ist drinnen, nichts ist draußen, denn was innen, das ist außen« (Epirrhema). Pauli stuft die Übereinstimmung der inneren und äußeren Sphäre »als die bleibende Wahrheit hinter jeder Ontologie« ein, die das »Ziel aller Wissenschaft bleiben« muss. Das Aufregende seiner eigenen wissenschaftlichen Entwicklung bestand für ihn darin, dass mit der Quantenmechanik »ein allererster, noch recht kleiner Schritt unserer abendländischen Naturwissenschaft in Richtung auf eine solche Mitte getan ist«. Dieser Schritt, so hebt er hervor, bestehe in der Abkehr der Theorie »von der gewöhnlichen Kausalität im engeren Sinne und ihrem Miteinbeziehen des Beobachters in eine symbolische Wirklichkeit«.

Die Quantentheorie ist also auch aus vielen philosophischen Gründen etwas völlig Neues, wie Pauli zu betonen nicht müde wird: »In der Quantenmechanik wird sich der Physiker zum ersten Mal bewusst, dass er nunmehr auch ›natura naturans‹ spielt (dass er ›schaffendes Naturprinzip‹ und nicht nur geschaffene Natur [natura naturata] ist) – kein Wunder, dass es erst einmal schiefgeht – denn aller Anfang ist schwer.« Das »Schiefgehen« bezieht sich vor allem auf die Schwierigkeiten, die zahlreiche Physiker wie zum Beispiel Einstein mit der Quantenphilosophie hatten, wobei Pauli in dessen Fall eher grob von »neurotischen Missverständnissen« spricht, völlig ungerührt davon, dass Einstein nur gut über Pauli gesprochen und ihn sogar als seinen »geistigen Sohn« bezeichnet hat. Trotzdem: Die genannten Anfangsschwierigkeiten scheinen sich lange gehalten zu haben und erst in späten Tagen des 20. Jahrhunderts in ein erstes »Gelingen« überzugehen. Dann nämlich, als die Antwort gefunden war, die Physiker heute auf die Frage geben, wie denn das wirklich Unteilbare (Elementare) im Innersten der Dinge zu seinen Eigenschaften kommt, oder anders formuliert, wie denn ein Elektron Masse und Ladung (und mehr) haben kann, wenn es ein Gebilde ohne jede Teile ist? Nach dem letzten Stand der Dinge werden solche Eigenschaften, die man aus dem Inneren erwartet, durch das Außen, welches sich durch Wechselwirkungen bemerkbar macht, erklärt. Die Welt formt etwas, von dem sie zugleich selbst geformt wird. Die physikalische Natur ist natura und naturans zugleich. Innen und Außen fügen sich dem Wesen nach zusammen. Kurz: Die Welt ist ein Ganzes, und die Physiker gehören dazu – genau wie Pauli gesagt hat.

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Werner Heisenberg (1901–1976)

Das selbstvergessene Genie mit tausend Talenten

Werner Heisenberg war kreativer und ehrgeiziger als alle anderen Physiker seiner Generation. Er war ein Mann von beneidenswerten Talenten. Er wusste von frühester Jugend an spielerisch leicht die Werkzeuge der Mathematik handzuhaben, spielte konzertreif das Pianoforte, beherrschte die klassische Klavierliteratur umfassend, konnte scheinbar mühelos fremde Sprachen erlernen – in kürzester Zeit war er zum Beispiel in der Lage, Vorträge auf Dänisch zu halten – und zeigte ungewöhnlich gute Qualitäten als Skiläufer in schwierigen Abfahrten abseits von touristisch erschlossenen Pisten. Vor allem aber schien er gute physikalische Ideen nur so aus dem Ärmel zu schütteln. Den entscheidenden Durchbruch zur Quantenmechanik schaffte Heisenberg im Alter von 24 Jahren, weshalb er schon als 26-Jähriger Professor für Physik wurde. Als solcher war er um weitere Umstürze in seiner Wissenschaft bemüht und wagte sich noch vor seinem fünfzigsten Geburtstag mit einer Weltformel an die Weltöffentlichkeit.

Das Unbestimmte

Wenn dieser große Griff letztlich auch ins Leere ging und vergeblich blieb, so ist Heisenbergs Name doch weit über sein Fachgebiet hinaus berühmt geworden, und zwar vor allem durch die sogenannte Unbestimmtheitsrelation. Diese ist unter dem (weniger genauen) Namen »Unschärferelation« in die Alltagssprache eingegangen, obwohl sie auf einen eher verwirrenden Aspekt der atomaren Wirklichkeit hinweist. Heisenbergs Relation erfasst die Tatsache, dass sich nicht alle Eigenschaften von Objekten mit atomaren Dimensionen mit beliebiger Genauigkeit in einem Experiment messen lassen. Man kann zum Beispiel nicht den Ort und die Geschwindigkeit eines Elektrons zugleich ermitteln, wie Heisenberg zum ersten Mal erkannte, als er über die Frage eines Kommilitonen nachdachte, der wissen wollte, warum sich ein Elektron nicht in einem Mikroskop beobachten lässt. Um das Elektron zu lokalisieren – so Heisenbergs Antwort –, müsste eine Strahlung mit sehr kleiner Wellenlänge verwendet werden. Da deren Energie aber nach Planck sehr hoch ist, würde beim Zusammentreffen von Strahlung und Elektron das anvisierte Objekt so gewaltsam aus seiner Bahn geworfen und seine Geschwindigkeit verändert werden, dass deren genaue Bestimmung damit ausgeschlossen ist.

In der skizzierten Weise ist allerdings nur sehr oberﬂ ächlich ausgedrückt, was durch die Heisenberg’sche Unschärferelation wirklich erkannt wird. Es geht nicht einfach darum, dass sich zwei Eigenschaften eines Elektrons oder anderer Gegebenheiten der atomaren Sphäre nicht gleichzeitig messen lassen (schließlich nimmt man in diesem Fall an, dass die anvisierten Eigenschaften einen aktuellen Wert unabhängig davon haben, ob sie jemand messen will). Heisenberg erkannte vielmehr, dass die Sache in Wahrheit viel schlimmer ist: Es geht weniger um Ungenauigkeit als um Unbestimmtheit. Tatsächlich besitzt ein Elektron gar keine bestimmte Eigenschaft, bis jemand es auf sie abgesehen hat und sich um deren Messung bemüht. Objekte der atomaren Wirklichkeit sind ohne die auf sie gerichtete Aufmerksamkeit (ohne einen Eingriff) eines Beobachters unbestimmt, und zwar präzise in der Weise, in der es (die mathematisch formulierten) Unbestimmtheitsrelationen angeben. Elektronen halten sich alle Möglichkeiten offen, bevor sie – unter der Vorgabe eines Subjekts in Form des Experimentators – aktuelle Qualitäten annehmen.

In der wissenschaftlichen Literatur wird an dieser Stelle manchmal vom sogenannten Heisenberg-Schnitt gesprochen, der den Cartesischen Schnitt kittet oder ablöst, den René Descartes im 17. Jahrhundert eingeführt hatte. Der französische Philosoph wollte klar zwischen der Welt des Geistes und der Welt der Dinge unterscheiden können und hat deshalb die Trennung zweier Bereiche vorgenommen, die uns immer noch Probleme schafft. Die Quantenmechanik bindet nun beide Sphären wieder enger zusammen und mildert die Schärfe des Cartesischen Schnittes.

Schönheit der Jugend

Als Heisenberg diese von Physikern zunächst gern verdrängte und von Philosophen zumeist noch lieber ignorierte Einsicht gelang, war er noch keine 26 Jahre alt. (Er war am 5. Dezember 1901 in Würzburg geboren worden, hatte seine Jugend aber in München verbracht, nachdem sein Vater dort Professor für Byzantinistik geworden war.) Trotzdem hatte er damit nicht seine erste große Leistung vollbracht, denn die Erkenntnis, für die er 1933 eigentlich den Nobelpreis für Physik erhalten sollte, lag damals schon einige Jahre zurück. Ein wesentliches Stück jener bahnbrechenden Entdeckung war Heisenberg im Frühjahr 1925 gelungen, wobei ihm ein äußerer Umstand den Weg frei gemacht hat. Im Mai des genannten Jahres musste Heisenberg, der an der Universität Göttingen als Assistent von Max Born an seiner Habilitation arbeitete, seinen Dienstherren um Erlaubnis bitten, von seinen Pﬂichten entbunden zu werden. Er litt unter einer schweren Allergie (Heuschnupfen), und um sich auskurieren zu können, fuhr er auf die (nahezu pollenfreie) Insel Helgoland, wo er in den zwei Wochen seines Aufenthalts kaum schlief. Ein Drittel seiner Zeit – so hat später Heisenbergs Freund und Student Carl Friedrich von Weizsäcker erzählt – lernte Heisenberg Gedichte aus dem Westöstlichen Diwan von Goethe auswendig, ein zweites Drittel verbrachte Heisenberg mit Kletterpartien auf den Felsen der roten Insel, und im letzten Drittel der Zeit bemühte er sich, eine neue Mechanik der Atome zu formulieren, die von der Existenz des Quantums der Wirkung ausging, das Max Planck entdeckt hatte. Über den entscheidenden Moment der Erkenntnis hat Heisenberg in seiner Autobiograﬁ e Der Teil und das Ganze berichtet. Er ging dabei nach einem philosophischen und einem physikalischen Grundsatz vor. Philosophisch hatte sich Heisenberg festgelegt, bei der Beschreibung der Atome nur Eigenschaften zu verwenden, die experimentell zugänglich waren. Das heißt, in seiner Theorie durfte zum Beispiel von den Frequenzen des Lichts, das Atome aussenden, die Rede sein, denn sie konnte man messen; es durfte aber nicht um Bahnen von Elektronen gehen, da sie einer Beobachtung unzugänglich blieben. Physikalisch richtete sich Heisenbergs ganze Aufmerksamkeit auf die Gültigkeit des Energiesatzes, und sein unbeirrtes Festhalten an dieser fast heiligen Säule der klassischen Physik erlaubte es ihm eines Abends, »die mir vorschwebende Mathematik«, mit der er die Gesetze der Atome ausdrücken wollte, »widerspruchsfrei und konsistent« zu entwickeln. Auf dem Papier vor ihm nimmt plötzlich zum ersten Mal das Form an, was heute als Quantenmechanik an den Universitäten gelehrt wird und was sich als unendlich erfolgreich und folgenreich erwiesen hat. Als Heisenberg die mathematische Gestalt der neuen Atomphysik selbst wahrnimmt, passiert Folgendes: »Im ersten Moment war ich zutiefst erschrocken. Ich hatte das Gefühl, durch die Oberﬂ äche der atomaren Erscheinungen hindurch auf einen tief darunter liegenden Grund von merkwürdiger innerer Schönheit zu schauen, und es wurde mir fast schwindlig bei dem Gedanken, dass ich nun dieser Fülle von mathematischen Strukturen nachgehen sollte, die die Natur dort unten vor mir ausgebreitet hatte. Ich war so erregt, dass ich an Schlaf nicht denken konnte.«

Nüchtern gesagt hatte Heisenberg bei diesem Erlebnis entdeckt, dass sich die grundlegenden Gleichungen für Atome und ihre Bausteine nicht formulieren lassen, wenn man wie in der klassischen Physik vorgeht und zum Beispiel die physikalische Größen Energie und Impuls als Zahlen behandelt. Heisenberg sieht vielmehr, dass sich die Welt des Mikrokosmos nur erfassen lässt, wenn man die physikalischen Größen in kompliziertere Gebilde übersetzt und ihnen zwei Dimensionen zugesteht, die in Form von Spalten und Säulen angeordnet werden. Solche Darstellungen werden von Experten mit dem viel verwendeten Begriff »Matrizen« bezeichnet. Das Besondere ist nun, dass den Mathematikern damals längst bekannt war, was Matrizen sind und wie man mit ihnen auf ihrem Gebiet umgeht, dass aber Heisenberg selbst diese Gebilde nicht kannte, bis seine Fantasie sie ihm offenbarte.

Was Heisenberg auf Helgoland gelingt, entspricht dem Aufﬁnden einer neuen Form, etwas, das im Bereich der Kunst als kreativer Akt bezeichnet wird. Mit anderen Worten, bei der Entdeckung der Quantenmechanik ist es so kreativ zugegangen wie bei der Schaffung eines Kunstwerks. Heisenberg bringt eine neue Physik auf dieselbe Weise hervor, mit der ein Künstler einen neuen Malstil entwirft. Daher ist es kein Wunder, dass er dabei auf die Schönheit der Natur zu sprechen kommt. Ihr tritt er gegenüber, und er erkennt die Wahrheit.

Der Weg nach Kopenhagen

Nachdem Heisenberg dieser Schritt zu einem neuen wissenschaftlichen Stil gelungen war, kehrte er nach Göttingen zurück, um die gewonnenen mathematischen Strukturen gemeinsam mit seinem Lehrer Max Born und dessen Assistenten Pascual Jordan zu veröffentlichen, die sich beide mit Matrizen auskannten und dem intuitiv Geschauten die strenge Formulierung gaben, die heute in den Lehrbüchern zu ﬁnden ist. Dabei entstand die sogenannte Drei-Männer-Arbeit, die zum Vorbild vieler wissenschaftlicher Publikationen geworden ist.

Göttingen spielt in der Geschichte der Quantenmechanik eine große Rolle. Heisenberg, der eigentlich bei Arnold Sommerfeld in München Physik studierte, war 1922 zum ersten Mal in diese Universitätsstadt gekommen, um die Vorlesungen zum damals aktuellen Stand der Quantentheorie zu hören, die Niels Bohr vor den Göttinger Mathematikern hielt. Der geistige Austausch war ihm überhaupt wichtig. In seiner Jugend- und Studienzeit führte Heisenberg ein naturverbundenes Leben; oft war er mit Freunden mit Zelt und Kochgeschirr im Gebirge unterwegs, und beim abendlichen Lagerfeuer schienen sich dann die jungen Männer gerne gegenseitig dabei zu übertrumpfen, die Unabhängigkeit ihrer Meinung zu demonstrieren. Bei diesen Gesprächen kam eine Wildheit des Denkens zum Vorschein, die sich Heisenberg mit den Wirren der Zeit erklärte. Der Erste Weltkrieg hatte der nachwachsenden Generation vollends das genommen, was Heisenberg den Glauben an »die zentrale Ordnung« oder »die wirksame Mitte« nennt. Solch eine Instanz musste wiedergefunden werden, und Heisenberg schienen die Naturwissenschaften der beste Ort dafür zu sein; vielleicht gab es hier sogar die Möglichkeit, »der Wahrheit gegenüberzutreten«. Die Grunderkenntnis seiner Jugend bestand jedenfalls darin, dass auf sich alleine angewiesen war, wer nach neuen Ufern aufbrechen wollte. Heisenberg hatte dabei den Vorteil, von Anfang an sicher sein zu können, dass seine Geisteskräfte reichten, um stets ganz vorne mit dabei zu sein und meist sogar als Erster anzukommen.

Sein Lehrer Sommerfeld erkannte die Begabung Heisenbergs rasch, weshalb er ihn auch nach Göttingen schickte, als Bohr dort seine berühmte Vorlesungsreihe hielt, die als »Bohr-Festspiele« in die Geschichte der Physik eingegangen sind. Heisenberg gehörte zu den jüngsten Zuhörern in dem zwar riesigen, aber dennoch hoffnungslos überfüllten Saal. Obwohl er sich eher winzig zwischen all den berühmten Professoren vorkommen musste, stellte er trotzdem selbstbewusst eine kritische Frage. Er wagte es sogar, Bohr zu widersprechen und brachte den großen Mann in leichte Verlegenheit. Bohr reagierte allerdings neugierig und lud den jungen Unruhestifter zu einem Spaziergang ein. »Dieser Spaziergang«, so Heisenberg in seiner Autobiograﬁ e, »hat auf meine spätere Entwicklung den stärksten Einﬂ uss ausgeübt, oder man kann vielleicht besser sagen, dass meine eigentliche Entwicklung erst mit diesem Spaziergang begonnen hat.«

Was hier als physikalisch-philosophisches Gespräch zwischen dem damals fast 40-jährigen dänischen Nobelpreisträger und dem gerade 20-jährigen deutschen Studenten begann, entwickelte sich zu einer äußerst erfolgreichen wissenschaftlichen Zusammenarbeit, die zunächst durch menschliche Nähe und tiefe Gemeinsamkeit geprägt war, um schließlich in einem unmenschlichen politischen Rahmen mit übermenschlichen Aufgaben entsetzlich zu scheitern. Das Wechselspiel von Bohr und Heisenberg bietet umfassend literarischen Rohstoff, und es scheint, dass man ihm nur in Form der Dichtung oder einer anderen Kunstform adäquat oder wenigstens nachvollziehbar beikommen kann.

Doch nun von Anfang an. In den ersten Jahren ist das Verhältnis zwischen Heisenberg und Bohr reines und ungetrübtes Glück, vielleicht von der Sorte, wie es ein Vater und sein Sohn erfahren können, wenn beide in dieselbe Richtung wollen und Großes nicht nur gelingen kann, sondern auch bald zustande kommt. Es dauert nicht lange, bis Bohr Heisenberg nach Kopenhagen einlädt, und beide zusammen sorgen dafür, dass Bohrs dortiges Institut zu dem Ort wird, an dem die neue Physik in ihren philosophischen Dimensionen erfasst und verstanden wird. Im Wechselspiel zwischen dem jungen Ideenproduzenten Heisenberg, der sich immer in höchster Erregung beﬁndet, und dem geduldigen wie unermüdlichen Bohr, der stets die Tiefe und Weite eines Gedankens auslotet, wird der wichtigste philosophische Fortschritt des 20. Jahrhunderts zum belebenden Ereignis. Selbst heute noch wird von der prägenden Kraft der Kopenhagener Deutung der Quantentheorie gesprochen, wobei es seltsam auffällig ist, dass es keinen gemeinschaftlichen Text von Bohr und Heisenberg gibt, der die unmissverständliche Deutung enthalten würde und somit maßgeblich für die Interpretation der Quantenwirklichkeit wäre. Erst 1963 hat der Wissenschaftshistoriker Armin Hermann in der Reihe »Dokumente der Naturwissenschaft« unter dem Titel Die Kopenhagener Deutung der Quantentheorie die beiden Publikationen herausgegeben (und mit einem Nachwort versehen), die zentral für dieses Thema sind. Dabei handelt es sich um Heisenbergs Arbeit »Über den anschaulichen Inhalt der quantentheoretischen Kinematik und Mechanik«, die in der Zeitschrift für Physik 43, 172 (1927) erschienen ist, und um Bohrs Arbeit über »Das Quantenpostulat und die neuere Entwicklung der Atomistik«, die in den Naturwissenschaften 16, 245 (1938) veröffentlicht wurde.

Die wesentliche Botschaft aus Kopenhagen steckt in der Zweiteilung der Dinge. Diese lässt zu, dass zum Beispiel das Licht als Welle und als Teilchen gesehen werden kann, dass in der Physik das diskrete Quantum gleichberechtigt neben dem kontinuierlichen Kraftfeld steht und dass das qualitative Analysieren im Stil von Bohr ebenso erlaubt ist wie das mathematische (quantitative) Denken im Stil von Heisenberg. Aber die Kopenhagener Deutung geht noch sehr viel weiter, und ihre zentrale Ordnung, so scheint es, muss jeder für sich selbst ergründen, auch wenn sich alle Hinweise bei Bohr und Heisenberg ﬁnden lassen. In den 1950er-Jahren hat Heisenberg in seinem Buch Physik und Philosophie zusammengefasst, was er unter einem Aspekt der Kopenhagener Deutung versteht: Sie »beginnt mit einem Paradoxon. Sie fängt mit der Tatsache an, dass wir unsere Experimente mit den Begriffen der klassischen Physik beschreiben müssen, und gleichzeitig mit der Erkenntnis, dass diese Begriffe nicht genau auf die Natur passen. Die Spannung zwischen diesen beiden Ausgangspunkten ist für den statistischen Charakter der Quantentheorie verantwortlich.« Er fährt dann fort mit dem Hinweis, dass eine Messanordnung von einem Beobachter konstruiert und vorgegeben wird und dadurch ein subjektives Element in die Beschreibung der atomaren Vorgänge kommt: »Wir müssen uns daran erinnern, dass das, was wir beobachten, nicht die Natur selbst ist, sondern Natur, die unserer Art der Fragestellung ausgesetzt ist.«

Der Unpolitische in der Politik

Als Heisenberg sein Buch Physik und Philosophie schreibt, ist der Zweite Weltkrieg, der sein Verhältnis zu Bohr nahezu vollständig ruiniert hat, schon Vergangenheit. Aber schon früher, nämlich um 1927, als sich die beiden Forscher dem eigentlichen Höhepunkt ihrer gemeinsamen Erkenntnissuche nähern, fallen erste Schatten auf die gemeinsame erfolgreiche und glückliche Zeit. Zu Beginn des Jahres kommt es nach zahlreichen Diskussionen über die eigenartige Quantenwirklichkeit zur völligen Erschöpfung der zwei Physiker. Als Bohr zu einem Urlaub nach Norwegen aufbricht, hat Heisenberg zwar seinen Teil der Kopenhagener Deutung, die Unbestimmtheitsrelation, schon abgeleitet, doch sagt er Bohr zu, das entsprechende Manuskript erst nach dessen Rückkehr zur Veröffentlichung einzureichen. Leider hält sich Heisenberg, der Bohrs unendlich sorgfältiges Abwägen und seine umständlichen Umformulierungen kaum noch für nützlich erachtet, nicht an diese Vereinbarung, und es kommt zu ersten Irritationen zwischen den beiden.

Rückblickend erscheint diese angedeutete zwischenmenschliche Schwierigkeit harmlos im Vergleich zu den Bedrückungen und Belastungen, die Heisenberg und Bohr bald bevorstehen und von außen auf sie zukommen. Der Grund für die zunehmenden Differenzen innerhalb der Freundschaft steckt in der Politik. Die Quantentheorie entsteht in den Jahren der Weimarer Republik. In dieser schwachen »Demokratie ohne Demokraten« steigen die Nationalsozialisten ab den 1930er-Jahren nach und nach zur starken politischen Kraft in Deutschland auf, und die Folgen von Gewaltherrschaft und Terror bekommen bald alle zu spüren, die sich nicht gesinnungstreu zeigen und den amtlich verordneten Judenhass teilen. Als Heisenberg es nach 1933 wagt, die Theorien des Juden Einstein gegen eine sogenannte Deutsche Physik zu verteidigen, wird er in den Nazi-Zeitungen als »weißer Jude« beschimpft, wodurch seine wissenschaftliche Karriere in akute Gefahr gerät. Es bedarf einer besonderen Intervention seiner Mutter, um hier Abhilfe zu schaffen. Frau Heisenberg kennt die Mutter von Heinrich Himmler und kann sich so auf indirekten Weg an den Chef der Geheimen Staatspolizei, kurz Gestapo, wenden und um Verständnis für ihren Sohn bitten.

Es ist bekannt, wie sehr die deutsche Forschung nach 1933 ausgeblutet wurde und wie mühsam wissenschaftliches Leben unter den Nazis war. Entsprechend oft ist die Frage gestellt worden, warum sich Heisenberg während der braunen Herrschaft nicht entschließen konnte, sein Heimatland zu verlassen. Angebote, unter anderem von Universitäten aus den USA, lagen genug vor. Hierzu gibt es viele gute Antworten von Heisenberg selbst – etwa die, dass andere die amerikanischen Jobs dringender brauchten als er oder dass er seine Mitarbeiter nicht im Stich lassen wollte, vor allem aber die, dass er sich um seine rasch wachsende Familie kümmern musste. Sie gab es seit 1937, als Heisenberg Elisabeth Schumacher geheiratet hatte (1980 veröffentlichte sie eine Biograﬁe ihres Mannes mit dem Titel Das politische Leben eines Unpolitischen und charakterisierte ihn auf diese Weise treffend). Was die Familie angeht, bekam das Paar sieben Kinder. Heisenberg konnte sich ein glückliches Familienleben nur in Deutschland vorstellen. In seinen geliebten bayerischen Bergen, in Urfeld am Walchensee, hatte er für sie den Ort gefunden, den er für den schönsten der Welt hielt.

Zum Thema Drittes Reich gibt es aber nicht nur klärende, sondern leider auch viele ungeschickte Bemerkungen von Heisenberg, die vor allem im europäischen Ausland für Unverständnis gesorgt haben. Heisenberg scheint bei einem Vortrag in den Niederlanden die anfänglichen deutschen Kriegserfolge mit dem Hinweis kommentiert zu haben, es komme ihm nicht wie eine Katastrophe vor, wenn es ein Europa gäbe, das unter deutscher Vorherrschaft stünde. Natürlich hat Heisenberg dabei nicht an die braune Barbarei gedacht, aber die Menschen, die in den von den deutschen Truppen besetzten Ländern lebten, konnten über solche Äußerungen nur verbittert oder verärgert sein.

Das eigentliche Drama unter den Wissenschaftlern und besonders zwischen Bohr und Heisenberg entfaltete sich, als im Jahre 1938 die Kernspaltung entdeckt worden war und den Physikern rasch klar wurde, dass man Kernreaktoren und Atombomben bauen konnte. Wenngleich sich bald zeigte, dass sich mit dem Uran, das in der Natur vorkommt, keine Atombomben konstruieren ließen, so hat jedoch die Frage, ob und wie sich die reaktions- und explosionsfähige Variante des Urans (das Isotop mit der Ordnungszahl 235) herstellen bzw. anreichern lässt, in den ersten Kriegsjahren sicher auch einige deutsche Physiker beschäftigt. Das Rätsel, welche Rolle Heisenberg dabei gespielt haben mag und welche Strategie er insgesamt in Hinblick auf eine Atombombe in seinem Kopf verfolgt hat, treibt noch heute viele Historiker zur Verzweiﬂung. Wollte Heisenberg die Bombe nicht bauen oder konnte er sie nicht bauen? Hat er zu verhindern versucht, dass man sie baut? Wie genau und intensiv hat er sich um die Physik der Kettenreaktion gekümmert, die für eine Atombombenexplosion notwendig ist? Die Zahl der Bücher und Aufsätze zu diesem Thema ist schon groß, und sie wird weiter wachsen.

Im Mittelpunkt der Aufmerksamkeit steht dabei ein sehr merkwürdiges Gespräch, das zwischen Bohr und Heisenberg im Herbst 1941 stattfand, als Heisenberg nach langer Abwesenheit mitten im Krieg wieder in Kopenhagen auftauchte. Aus welchem Grund ist er überhaupt nach Dänemark gefahren? Wer hat ihm die Reiseerlaubnis in das von deutschen Truppen besetzte Gebiet erteilt? Und wem musste er nach der Rückkehr über seine Gespräche berichten? Über dem Ausﬂug nach Dänemark liegt ein dichter Nebel, der sich mit den derzeitigen Dokumenten nicht vertreiben lässt und politisch denkenden Menschen viel Raum gibt, ihrer Fantasie freies Spiel zu lassen. Unklar bleibt vor allem die Rolle, die Carl Friedrich von Weizsäcker als junger Mann aus prominenter Familie im Hintergrund gespielt hat. Es ist bekannt, dass er in aller Naivität meinte, den »Führer« führen zu können, wenn man ihm erklären würde, was eine Atombombe kann. Natürlich lässt sich heute darüber nur entsetzt lachen, aber ebenso naiv scheint Heisenberg in diesen Dingen gewesen zu sein, und niemand weiß, was der Diplomatensohn von Weizsäcker ihm in dieser Lage geraten hat.

Bedauerlicherweise hat Heisenberg selbst in seinen späteren Erklärungen nur versucht, sich irgendwie aus der Sache zu winden. Er macht es sich sehr leicht, wenn er berichtet, zunächst eher überraschend von der deutschen Botschaft zu einem Vortrag eingeladen worden zu sein – eine Einladung, bei der er aber nicht die Gelegenheit hat verstreichen lassen wollen, »mit Niels über das Uranproblem zu sprechen«, wie es in der Autobiograﬁe heißt. Rechnete der inzwischen 40-jährige Heisenberg wirklich immer noch damit, beim Vater der Atomphysik wie ein Sohn Gehör und Verständnis zu ﬁnden, wo doch Bohrs Land von deutschen Soldaten besetzt und dessen Familie in höchster Gefahr schwebte?

Das Gespräch beginnt selbst in Heisenbergs Erinnerungen auf fatale Weise: »Ich versuchte Niels anzudeuten, dass man grundsätzlich Atombomben machen könne.« Punkt. Wie außer mit blankem Entsetzen konnte Bohr darauf reagieren? Dieser wusste doch, wie ehrgeizig und genial zugleich Heisenberg war, und das konnte in Bohrs Sicht nur heißen, dass seinen berühmtesten deutschen Schüler weder wissenschaftliche noch andere Schwierigkeiten hindern würden, den Weg bis zum explosiven Ende zu gehen. Viel schlimmer noch: Heisenberg würde sich sicherlich besonders darum bemühen, vor allen anderen Physikern ans Ziel zu kommen.

Bohr scheint jedenfalls leichenblass und höchst beunruhigt von dem Gespräch nach Hause zurückgekehrt zu sein, das aus Angst vor der Gestapo bei einem Spaziergang entlang der Langen Linie im Kopenhagener Hafen geführt worden war. Als historische Tatsache lässt sich festhalten, dass es nun nicht mehr lange dauern sollte, bis Bohr aus seiner Heimat ﬂiehen und in den USA das Programm in Gang gebracht werden sollte, tatsächlich eine Atombombe zu konstruieren, und zwar noch bevor sie den Nazis zur Verfügung stünde.

»Ordnung der Wirklichkeit«

Um Heisenberg wird es jetzt einsam. Einem 1942 geschriebenen Text, der zunächst nur an ausgewählte Freunde verschickt und erst ein halbes Jahrhundert später unter dem Titel Ordnung der Wirklichkeit publiziert wurde, merkt man die tiefe Trauer an, die Heisenberg befallen hat und den Unpolitischen niederdrückt. Er hatte »sein Leben für die Aufgabe bestimmt, einzelnen Zusammenhängen der Natur nachzugehen«, und ihm war das »Forschen nach einzelnen Naturgesetzen ein unendlich spannendes Spiel« gewesen, das ihn auch deshalb glücklich gemacht hatte, weil er die Spielabläufe besser als alle anderen vorhersehen konnte: Heisenberg hat eine erste Quantentheorie des Ferromagnetismus entworfen, das erste Proton-Neutron-Modell für einen Atomkern vorgeschlagen, eine erste Theorie des Positrons vorgelegt, als Erster den sogenannten Isospin eingeführt und so weiter und so fort.

Doch Wissen hat auch moralische Konsequenzen. Kluge Forscher wie er hatten nun die Möglichkeit, mit rationalen wissenschaftlichen Methoden eine Atombombe zu bauen, die dann gegen Menschen eingesetzt werden konnte. Heisenberg spürte, dass den Menschen »die stärkste Gefahr von der Verwechslung der bösen und guten Mächte« drohte. Das Bedrohliche dieser neuen Situation rührte seiner Meinung nach daher, dass die politische Macht, die das Zusammenleben der Menschen organisiert, oft genug »durch Verbrechen begründet« wird. So zumindest äußert er sich 1942 in Ordnung der Wirklichkeit, ungeachtet der damit verbundenen Gefahr, solche Aussagen in solcher Zeit zu tun. Außerdem spricht er die Hoffnung aus, dass sich trotz aller Widrigkeiten der zentrale Bereich der Wissenschaft ﬁ nden lässt, in dem »nicht betrogen werden kann« und die Menschen nicht selbst zu entscheiden haben, sondern Gott. Nur dann »ist wohl auch die Gefahr nicht allzu groß, die dadurch heraufbeschworen wird, dass wir die Kräfte der Natur in viel höherem Maße beherrschen als frühere Zeiten«.

Über das Atom hinaus

Nach dem Zweiten Weltkrieg verläuft Heisenbergs Leben in ruhigeren Bahnen. Sein früher Traum, den revolutionären Sprung, der beim Übergang von der Welt der sichtbaren Dimensionen in die Welt atomarer Größenordnungen – also zu den Kernkräften – nötig wurde, wiederholen zu können, erfüllte sich nicht. Auch als er seine Aufmerksamkeit auf andere Dinge richtet und das verbindende Element zwischen einer Theorie der Atome und einer Theorie des Kosmos sucht, gelingt kein Wurf, der sich mit den Erfolgen seiner Jugend messen kann. Das angehende Medienzeitalter verulkt eher ungläubig sein Konzept einer »Weltformel«.

Heisenberg übernimmt politische Verpﬂ ichtungen wie den Vorsitz der Kommission für Atomphysik, die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft eingerichtet wird. Er tritt öffentlich in Erscheinung, so 1957, als die »Göttinger Sieben« sich in einer Erklärung gegen die Aufrüstung der Bundeswehr mit Atomwaffen wenden. Er nimmt sich aber vor allem Zeit, um sich allgemeinverständlich über seine Wissenschaft zu äußern, und dabei entstehen so wunderbare Texte, dass man sich ein knappes Jahrzehnt nach seinem Tod im Jahre 1976 entschließt, sie als Gesammelte Werke herauszugeben. Heisenberg ist zum ersten Klassiker der modernen Physik geworden.

In einem seiner schönsten Texte geht es um Sprache und Wirklichkeit in der modernen Physik. Darin macht er deutlich, was eingangs erwähnt worden ist, dass nämlich in der Quantentheorie »der Begriff der Möglichkeit, der in der Philosophie des Aristoteles eine so entscheidende Rolle gespielt hat, wieder an eine zentrale Stelle gerückt worden ist«. Heisenberg betont, dass man »die mathematischen Gesetze der Quantentheorie geradezu als eine quantitative Fassung dieses aristotelischen Begriffs der ›Dynamis‹ oder ›Potentia‹ auffassen« könne. Da ist sie wieder, die zentrale Stelle, der Kern der wissenschaftlichen Wahrheit, den Heisenberg sein Leben lang umkreist hat. Er hat ihn als Hort der Möglichkeit schlechthin sicher gekannt und erlebt, auch wenn er bei der Suche nach ihm manchmal ein wenig zu viel erreichen wollte. Ihm standen dabei jedenfalls mehr Optionen offen, als den meisten von uns. Wenigstens für Augenblicke müssen ihn diese Momente der Erkenntnisnähe glücklich gemacht haben.

5

Enrico Fermi (1901–1954)

Schwache Wechselwirkungen und starke Fragen

Enrico Fermi, Sohn eines Eisenbahnangestellten und einer Grundschullehrerin, wurde 1901 in Rom geboren. Schon früh zeigte sich seine Begabung für die Wissenschaft, sodass er ein Studium der Physik in Pisa aufnahm, das er bis 1922 absolvierte, um anschließend als junger Doktor der Naturwissenschaften nach Göttingen zu gehen. Ein Jahr lang nahm er an den Seminaren von Max Born teil (dabei ist anzumerken, dass Fermi zwar gut genug Deutsch sprach, um ausreichend Kontakte in der Physikerszene zu knüpfen, sich aber insgesamt als schüchtern zeigte). Nach einem Aufenthalt in Holland kehrte Fermi sodann in seine Heimat Italien zurück, um erst Professor in Florenz und dann in Rom zu werden. Man zeigte sich stolz auf ihn und gab dem theoretischen Physiker Fermi als Erstem seines Landes eine akademische Dauerstellung. In politisch ruhigeren Zeiten wäre er wohl auf dieser Position bis zu seinem Lebensende geblieben, aber seine Frau Laura bekannte sich zur jüdischen Religion, und das wurde in Italien ein Problem, nachdem sich die faschistische Regierung unter dem Duce Mussolini 1936 mit Hitlers Nazi-Deutschland verbündet hatte. Fermis Plan, in die USA auszuwandern, konnte in die Tat umgesetzt werden, als man ihm im Voraus die Nachricht zukommen ließ, er würde mit dem Nobelpreis für Physik für das Jahr 1938 ausgezeichnet – in der Geschichte des Nobelpreises ein einmaliger Vorgang, der unter aktiver Beteiligung von Niels Bohr zustande kam. Verdient hatte Fermi die Auszeichnung auf jeden Fall, wie noch erläutert wird. Trotzdem sei an dieser Stelle die Bemerkung erlaubt, dass die Schwedische Akademie für die Ehrung leider einen Grund angab, den man unglücklich nennen muss. Warum? Auch das soll später geklärt werden. Wichtig war nur, ihn in dem genannten Jahr dafür auszuwählen, um ihm auf diese Weise die ﬁ nanziellen Mittel für einen Neuanfang in den USA zukommen lassen zu können. Mit dem Nobelgeld ging Fermi nach Chicago, wo er einen Lehrstuhl für Physik erhielt und nach einem Zwischenspiel, das mit dem Bau der Atombombe zusammenhing, erneut auﬂebte, bis ihn 1954 plötzlich und unerwartet ein allzu früher Tod ereilte. Fermi erlag einem Magenkarzinom.

Theoretische Kernphysik zum Ersten

Es gibt viele Gründe, weshalb Fermi berühmt ist bzw. berühmt sein sollte. Wenn es allein um Physik geht, dauert es nicht lange, bis auf seine Beiträge zur Kernphysik hingewiesen wird, und da gibt es als Beweis seiner Vielseitigkeit neben einem fundamentalen Beitrag des Theoretikers Fermi auch die bemerkenswerte Leistung des praktischen Ingenieurs, der Fermi auch war. Beginnen wir mit der reinen Wissenschaft, die sich Anfang der 1930er-Jahre über einen Zerfall von Atomen den Kopf zerbrach, den Ernest Rutherford entdeckt und mit dem griechischen Buchstaben beta bezeichnet hatte. Bei diesem Betazerfall kamen Elektronen aus dem Atomkern, was viele Rätsel aufgab, die wenigstens teilweise durch eine geniale Idee von Fermi geklärt werden konnten.

Als Fermi über den Betazerfall nachdachte, kannten die Physiker zwei Wechselwirkungen, die durch Massen als Schwerkraft (Gravitation) und durch positive und negative Ladungen als elektromagnetische Kraft in Erscheinung traten. Sie vermuteten, dass es noch eine dritte Kraft geben müsse, die im Atomkern für den Zusammenhalt der dort versammelten positiven Ladungen sorgt – sie heißt heute »starke Kernkraft« bzw. »starke Wechselwirkung«. Und dann war erst einmal Schluss mit der Aufzählung. Fermi sah, dass mit diesem Trio der Betazerfall nicht zu erklären war, weshalb er vorschlug, die beobachtete Instabilität auf die Wirkung einer vierten Kraft zurückzuführen, die etwas anderes tun sollte als die Wechselwirkungen, die man bis dahin kannte. Fermis »schwache Kernkraft« sollte die Dinge nicht stabilisieren, sie sollte sie vielmehr lockern und ihnen die Möglichkeit des Umwandelns geben, was ja auch zu den natürlichen Prozessen gehört. Zwar galt der Gedanke als wahnsinnig und revolutionär, aber an diese instabile Situation war man in Physikerkreisen schon gewöhnt, und bald erwies sich Fermis Idee als wegweisend. Die schwache Kernkraft bildet mit den anderen drei ein Viererschema bzw. Quartett, das modern und archaisch zugleich ist. Die Antike erklärte die Welt durch vier Elemente – Feuer, Erde, Wasser, Luft –, die Moderne erklärt sie durch vier Wechselwirkungen (denen wir heute noch vier Elementarteilchen hinzufügen).

Die vier Wechselwirkungen der Physik

Art der	Wirkteilchen	Auswirkung
Wechselwirkung
Starke	Gluonen	hält Atomkern
Wechselwirkung		zusammen
Elektromagnetismus	Photon	hält u.a. Stoffe
		zusammen
Schwache	Bosonen	sorgt für Atom
Wechselwirkung		zerfall
Gravitation	Graviton	hält Weltall
		zusammen

Die Physik kennt insgesamt vier Wechselwirkungen, die in der Tabelle aufgeführt sind. Laien wissen auf jeden Fall von der (Schwerkraft) und den Anziehungskräften, die mit elektrischen Ladungen und Magneten verbunden sind. Um einen Atomkern zusammenzuhalten, setzt die Natur das ein, was Physiker starke Wechselwirkung nennen können, weil es noch das schwache Gegenstück gibt, das die Dinge ein wenig locker macht.

Zu den Kräften gehören im Verständnis der Wissenschaft besondere Wirkteilchen, da man sich vorstellt, dass eine Wechselwirkung zwischen (realen) Teilchen durch den Austausch von (eher virtuellen) Partikeln zustande kommt; diese Wirkteilchen werden unterschiedlich und wenig elegant benannt – zum Beispiel als Gluonen, was vom englischen Wort to glue (deutsch: kleben) kommt. Um sich die Entstehung einer Wechselwirkung durch einen Austausch vorstellen zu können, sollte man an zwei Menschen denken, die Federball spielen oder sich ein Frisbee zuwerfen und durch das Spiel »zusammenkleben«. Man kann sich aber auch zwei Menschen vorstellen, die Argumente austauschen. Vielleicht beginnt ja die Kultur des Dialogs im Innersten der Welt?

Für die schwache und die starke Wechselwirkung jedenfalls, deren Reichweite so begrenzt ist, dass sie nur im Zenmehrere Spielbälle, wenn wir in diesem Bild bleiben wollen. Für die Kräfte, die über das Atom hinausgehen und sozusagen in die Welt hineinreichen, genügt jeweils ein Spielball. Das Graviton für die Schwerkraft ist dabei allerdings bislang noch jeder experimentellen Falle entkommen.

Praktische Kernphysik

Fermis überragende praktische Leistung kommt in den Jahren des Zweiten Weltkriegs zustande. Hier muss man tatsächlich von einer Errungenschaft sprechen, die nicht nur für das Fach Physik historisch ist, sondern die Geschichte unserer Zivilisation maßgeblich beeinﬂusst. Am 2. Dezember 1942 – und zwar um 15.25 Uhr Ortszeit – gelingt es Fermi in einem Kernreaktor der Universität von Chicago, der unter dem Stadion des Footballteams gebaut worden ist, unter sicher dramatischen Umständen, die erste kontrollierte Kettenreaktion durchzuführen. Es ist wohl überﬂ üssig zu erwähnen, dass dieser Erfolg den Physikern sofort klarmacht, dass sich mit dem gleichen Mechanismus eine Atombombe bauen lässt, bei der man eine unkontrollierte Kettenreaktion ablaufen lassen kann. Fermis erster »Atommeiler«

– ein Ausdruck, der von ihm selbst stammt – bestand aus 18 Tonnen Graphitziegel, zwischen denen sich sogenannte Regelstäbe aus Cadmium befanden, mit denen die Kettenreaktion zu steuern war. Als nuklearer Brennstoff diente reines Uran bzw. Uranoxid. Am 2. Dezember entfernte Fermi die Regelstäbe, und der Meiler produzierte die Kernenergie, die die Physiker von ihm erwarteten.

Die Idee der Kettenreaktion geht ursprünglich auf den ungarischen Physiker Leo Szilard zurück, dem sie in Verbindung mit der ersten Beobachtung der Uranspaltung – 1938 in Berlin – gekommen ist. Die Überlegung geht etwa so: Wenn ein Neutron einen Atomkern so spaltet, dass dabei nicht nur kleinere Kernbruchstücke entstehen, sondern auch Neutronen frei werden, und wenn es außerdem gelingt, diese im Prozess erzeugten Neutronen erneut auf Atomkerne zu lenken und sie ebenfalls so zu spalten, dass wiederum Neutronen erscheinen, und wenn sich dieser Vorgang zu guter Letzt auch noch ständig wiederholen ließe, dann könnte sich dieser Prozess lawinenartig fortsetzen und als Kettenreaktion zuletzt ungeheure Energiemengen freisetzen. Denn in jedem Einzelfall wird Energie produziert, wie man seit Hahns Experimenten wusste und nachgemessen hatte. Die Kettenreaktion kommt in Gang, wenn genügend Uranatome versammelt sind und alle Neutronen sofort neue Neutronen freisetzen. Man redet dann davon, dass der Reaktor, in dem das Material versammelt ist, »kritisch« wird.

Um sich ein Bild von einer Kettenreaktion zu machen, stellt man sich am besten ein Zimmer mit Mausefallen vor, auf denen jeweils zwei Tischtennisbälle liegen, die in den Raum hineingeschleudert werden, sobald die Falle ausgelöst wird. Wenn jetzt ein Ball in das Zimmer geworfen wird und auf eine andere Mausefalle trifft, schlägt diese zu und schleudert wiederum zwei Bälle in die Luft. Die treffen dann auf zwei weitere Mausefallen, die insgesamt vier Bälle durch die Gegend jagen und so weiter und so fort.

Szilard half Fermi im Winter 1942 tatkräftig, eine solche Kettenreaktion in Gang zu setzen, und mit ihr war der Weg gewiesen, wie eine Atombombe gebaut werden konnte. Gegen die Geheimhaltung, die den beiden Physikern im Anschluss an ihre erfolgreiche kontrollierte Kettenreaktion auferlegt wurde, wehrte sich der Ungar Szilard vehement, wenngleich er später neben anderen Physikern auch den Franck-Report unterzeichnete. Fermi hingegen erinnerte sich wohl an die zwei europäischen Machthaber, die ihn vertrieben hatten, und dachte weniger politisch als praktisch: Er zog mit seiner Familie im Sommer 1944 nach Los Alamos in New Mexico, um dort zu dem heute legendären Manhattan-Projekt beizutragen, das unter der Leitung von Robert Oppenheimer die Entwicklung von Kernwaffen vorantrieb, die Bomben tatsächlich konstruierte und sie einsatzfähig bei der Regierung ablieferte. Als 1945 eine erste Testexplosion durchgeführt werden sollte, zeigte der gleichermaßen pﬁ fﬁge wie umtriebige Fermi seinen vielfach gelobten Sinn für einfache Methoden. Um den Druck der zu erwartenden Schockwelle abschätzen zu können, verteilte er Papierschnitzel auf dem Boden und beobachtete bzw. registrierte, wie hoch und weit weg sie geweht wurden. Wie sich herausstellte, kam er mit diesem schlichten und preiswerten Verfahren dem Ergebnis der komplizierteren und teuren ofﬁziellen Messung ziemlich nahe, welches erst eine Woche später verkündet wurde.

Theoretische Kernphysik zum Zweiten

Mit der Physik der Atomkerne hat sich Fermi schon früh beschäftigt. Bereits in den frühen 1930er-Jahren versuchte er nicht nur den natürlichen Betazerfall zu verstehen, sondern erkundete auch, was bei künstlichen Umwandlungen passiert, also dann, wenn Neutronen auf Uran treffen und es verändern. Ihm war dabei – noch vor der Entdeckung der Kernspaltung durch Otto Hahn und Fritz Straßmann – völlig klar, dass die Neutronen nur von einem Urankern eingefangen werden und dabei größere Elemente entstehen, für die er den Namen »Transurane« prägte. Fermi kam gar nicht auf andere Gedanken. Zwar ist heute bekannt, dass es solche schweren Elemente tatsächlich gibt – eins ist sogar nach ihm Fermium benannt –, aber damals gab es dafür keinerlei experimentelle Befunde. Somit können Fermis Deutungsversuche der vielfach durchgeführten Neutronenexperimente im Rückblick nur als riskante Spekulationen ohne Beleg bewertet werden, und sie sind schlicht und einfach falsch, um es ohne Umschweife zu sagen. Dass er ausgerechnet dafür den Nobelpreis bekommen hat, zeigt zum einen die Lernfähigkeit der Wissenschaft und zum anderen, dass die damalige Eile kein guter Ratgeber war, selbst wenn sie aus humanitären Gründen dringend geboten war.

Fermi hat ganz sicher genügend wunderbare Beiträge zur Physik geliefert, um die schwedische Auszeichnung zu verdienen. Hier sei nur die oben erläuterte schwache Wechselwirkung erwähnt. Darüber hinaus verdanken wir ihm die merkwürdige Einsicht, dass Neutronen dann besser in der Lage sind, die von ihnen getroffenen Kerne umzuwandeln, wenn sie – nein, nicht beschleunigt, sondern – abgebremst werden. Und er erkannte auch, dass das von Wolfgang Pauli formulierte Prinzip der Ausschließung für die davon betroffenen Teilchen festlegte, wie sie in Atomen, Molekülen oder Festkörpern verteilt sind bzw. an welchem Ort sie sich aufhalten können. Die atomaren Bausteine, die hierfür infrage kommen – zum Beispiel Elektronen – werden heute unter dem Sammelbegriff »Fermionen« gefasst. Sie unterliegen dem, was die Physiker Fermi-Dirac-Statistik nennen (der zweite Name weist auf den Engländer hin, dem das nächste Kapitel gewidmet ist). Fermionen zeigen sich als individuelle Mitglieder der Quantenwelt, das heißt, sie nehmen unverwechselbare Eigenschaften an. Ihnen stehen die sogenannten Bosonen gegenüber, die gerne in Massen auftauchen und alle zum Verwechseln sind, weil sie identisch agieren. Für sie gilt eine Bose-Einstein-Statistik, an deren Ableitung neben dem bekannten Physiker noch der Inder Satyendranath Bose beteiligt war.

Das Bedürfnis von Fermionen, möglichst für sich zu bleiben, kann natürlich nur im Rahmen der allgemeinen Gesetze erfolgen, die in Richtung auf einen Grundzustand mit möglichst niedriger Energie drängen. Daraus folgt, dass sich Fermionen in einem physikalischen System so dicht wie möglich um die Mitte des Objektes drängen, das sie ausmachen, und danach scharfe Übergänge erfolgen. Man spricht von einer Fermi-Kante, die durch eine Fermi-Energie gekennzeichnet ist, die einer Fermi-Temperatur entspricht, wobei wir die Aufzählung der nach ihm benannten physikalisch relevanten Begriffe an dieser Stelle beenden wollen, sobald wir noch das Fermi-Gas hinzugefügt haben, das ein System aus Fermionen ist, die keine Wechselwirkung miteinander eingehen. So einfach sich dieses letztgenannte Konzept anhört, so erfolgreich wirkt es in der Physik, weil mit seiner Hilfe nicht nur beschrieben werden kann, wie sich Elektronen in Metallen oder Neutronen in Atomkernen verhalten. Mit einem Fermi-Gas kann auch erfasst werden, was Neutronen in einem Stern machen, der nur aus ihresgleichen besteht und deshalb Neutronenstern heißt. Solch ein Gebilde entsteht, wenn unter dem hohen Druck der Schwerkraft die Elektronen eines Atoms in den Kern gezwungen werden und mit Protonen zu Neutronen fusionieren.

Fermi-Fragen

Obwohl immer beklagt worden ist, dass Fermi außerhalb der Physik nur wenige Interessen entwickelte – zum Beispiel äußerte er sich nie zu den philosophischen Fragen der Quantensprünge –, gibt es trotzdem eine Wortkombination mit seinem Namen, die auch für Menschen verlockend ist, die auf seinem angestammten Terrain einer mathematisch erklärenden Physik Mühe haben. Gemeint sind die Fermi-Fragen bzw. die Fermi-Probleme, die dazu dienen, so über etwas nachzudenken, dass eine quantitative Antwort möglich wird, selbst wenn keine Daten zu diesem Zweck verfügbar sind.

In dem klassischen Beispiel einer Fermi-Frage will jemand wissen, wie viele Klavierstimmer es in Chicago gibt – vielleicht um zu entscheiden, ob dies ein lohnenswerter Beruf sein könnte.

Fermi löste die Frage so: Also, in Chicago gibt es drei Millionen Einwohner, von denen je zwei in einem Haushalt leben. Jeder 20. Haushalt verfügt über ein Klavier, das regelmäßig gestimmt wird, und zwar zweimal im Jahr. Wenn es zwei Stunden dauert, um ein Klavier zu stimmen (An- und Abreise eingeschlossen), wenn ein Klavierstimmer acht Stunden am Tag, fünf Tage in der Woche und 40 Wochen pro Jahr arbeitet, dann (murmel, murmel, murmel, rechne, rechne, rechne) müsste es 100 Klavierstimmer in Chicago geben, wenn alle zu tun haben und keinen Leerlauf beklagen. Jetzt kann man nachsehen, wie viele es tatsächlich gibt, um anschließend zu wissen, ob es sich lohnt, den Beruf zu ergreifen.

Andere Fermi-Fragen lauten: Wie viele Gummibärchen passen in einen Bus? Wie viele Gebäude gibt es in den USA? Wie viele Schneeﬂocken braucht es für einen Schneemann? Wie viele Bäume wachsen in Europa? Und es lohnt sich, ein einfaches Schema – wie oben vorgeführt – mit simplen Annahmen als Antwort zu durchdenken.

Die berühmteste Fermi-Frage ist inzwischen als Fermi-Paradoxon bekannt geworden. Sie hat mit der Wahrscheinlichkeit zu tun, dass es außerirdisches (intelligentes) Leben gibt, ein Thema, über das viele Physiker um 1950 stritten. Fermis Frage lautete schlicht: Wenn es diese intelligenten Zivilisationen außerhalb der Erde gibt, wo sind sie? Warum sind sie immer noch nicht hier? Als Paradoxon formuliert: Der Glaube, es gebe viele außerirdische Zivilisationen, steht im Widerspruch zu unseren Beobachtungen und Annahmen. Die Frage, was man macht, wenn es Außerirdische tatsächlich gibt und sie bei uns auftauchen, stammt nicht von Fermi. Sie hätte ihn auch kaum interessiert.

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Paul A. M. Dirac (1902–1984)

Das Verlangen nach mathematischer Schönheit

Paul Dirac muss eine schreckliche Kindheit gehabt haben, und dafür verantwortlich gemacht werden muss sein Vater Charles, der aus der Schweiz stammte und im britischen Bristol, Diracs Geburtsort, Französisch unterrichtete. Charles Dirac tyrannisierte seine Frau Florence, die Tochter eines Seemanns, und hatte die Angewohnheit, die Familie bei den Mahlzeiten zu trennen. Paul musste mit seinem Vater zusammen speisen, und durfte am Tisch nur dessen Muttersprache Französisch verwenden, was ihm arge Probleme bereitete. Jeder Fehler wurde gnadenlos mit den üblichen Peinigungen, die autoritäre Väter für Kinder bereithalten, bestraft. So braucht es niemanden zu wundern, dass Paul heftige Magenschmerzen bekam. Da sein Vater ihm aber nach einem unkorrekten Wort nicht erlaubte aufzustehen, musste er sich häuﬁg am Tisch erbrechen und in diesem erbärmlichen Zustand sitzen bleiben.

Die entwürdigende Prozedur dauerte jahrelang und wurde später auch seinem älteren Bruder Felix zuteil, der mit 25 Jahren Selbstmord beging. Paul dagegen zog sich in seine Innenwelt zurück und wurde schweigsam. Nicht nur zu Hause. Er hat auch später mit den Kollegen seiner Zunft kaum gesprochen und das, was er sagte, lange bedacht, bevor er es nach einigem Zögern äußerte. Seinem Vater hat er nur einen einzigen Satz zugedacht: »Ich schulde ihm absolut nichts«, und den hat er scharf und laut und deutlich gesprochen.

Eine neue Sprache

Wenn es eben hieß, dass Paul Dirac Schwierigkeiten mit Sprachen hatte, dann ist damit vielleicht das Französische, aber auf keinen Fall die der Mathematik gemeint. Im Gegenteil. Einer seiner großen Beiträge zur Physik besteht darin, für die beiden Formen der neuen Quantenphysik, die in der Mitte der 1920er-Jahre entwickelt worden waren – die Matrizenmechanik von Werner Heisenberg und die Wellenmechanik von Erwin Schrödinger – eine eigenständige abstrakte Sprache gefunden zu haben, die es mit ihren Symbolen erlaubt, beide Theorien zusammen auszudrücken. Man spricht dabei von Diracs Transformationstheorie, weil sie sich in der Lage zeigt, die eine Version in die andere umzuwandeln und dabei elegant ihre Gleichwertigkeit (Äquivalenz) vorzuführen.

Dass Dirac einmal ein begnadeter Theoretiker der Physik werden sollte, war nicht absehbar, als er 1921 mit seinen Studien in seiner Heimatstadt begann. Denn er schrieb sich zunächst für das Fach Elektrotechnik ein, etwas, worauf er sein Leben lang hingewiesen hat. Er denke wie ein Ingenieur, hat er ab und zu verlauten lassen. Diesen Satz kann man auch so deuten, dass er die mathematische Sprache als geeignetes Handwerkszeug der physikalischen Wissenschaft zur Verfügung stellen und geschmeidig einsetzen wollte.

Nach zwei Jahren Beschäftigung mit der Elektrotechnik wechselte Dirac an die Universität von Cambridge, wo er sich der Mathematik zuwandte, die er dann – erneut zwei Jahre später – benötigte, um die damals neue Sprache der Physik zu erlernen. Diese wurde in der Drei-Männer-Arbeit vorgestellt, welche von Heisenberg, Born und Jordan aus Göttingen präsentiert worden war. Dirac schrieb 1925 seine Doktorarbeit zu der gerade entstehenden Mechanik der Quantensprünge, und er bemerkte, dass es von nun an sorgfältig zwischen zwei Dingen zu unterscheiden galt, nämlich zwischen Zahlen und Zuständen. Atome oder Moleküle beﬁnden sich in Zuständen, die man mit komplexen Funktionen darstellen muss, aber im Experiment ermittelt man Zahlen (Messergebnisse), die auf die Zustände hinweisen bzw. sich aus den Funktionen berechnen lassen müssen. Dirac ahnte bzw. erkannte, wie man die Funktionen koppeln musste, um aus ihnen Zahlen zu gewinnen. Um seine Idee zu Papier zu bringen, fand er einen höchst eleganten Weg. Er nutzte das englische Wort für Klammer bracket und zerlegte es in die beiden Bestandteile bra und ket. Dabei unterschied er zwischen der »Bra-Form« und der »Ket-Form« eines Zustandes und zeigte, dass das Produkt aus beiden – die komplette Klammer – gerade und verlässlich die Messergebnisse hervorbrachte, die man dann mit der Theorie vergleichen konnte.

Es ist schwierig, jemandem die Schönheit eines Gedichtes zu erläutern, wenn ihm die darin benutze Sprache unbekannt ist. Es ist ebenso schwierig, jemandem, der farbenblind ist, die Schönheit einer Farbkomposition zu erklären. Es bleibt uns daher an dieser Stelle nur der Hinweis, dass alle Studenten der Physik, die mathematisch parlieren können und sich auf Diracs Grammatik und seine Symbole einlassen, begeistert sind und sich nicht scheuen, dies mit ästhetischen Kriterien auszudrücken. Diracs Theorie der Quantensprünge ist tatsächlich elegant, schön, formvollendet und was immer einem noch an Lobesworten einfällt. Sie kam vielen wie eine Marmorstatue vor, die, perfekt gearbeitet, plötzlich im Raum stand, und ihr Schöpfer hat daraus ein Credo gemacht: Die Schönheit einer physikalischen Theorie interessierte Dirac bald mehr als ihre Übereinstimmung mit den experimentellen Daten aus Messungen. Diese Art von Richtigkeit schien ihm kein überzeugendes Kriterium für die Qualität einer Theorie zu sein. Da vertraute er mehr ihrem ästhetischen Reiz. Dirac vertrat diese Ansicht in aller Schärfe und in aller Öffentlichkeit, als er 1956 eingeladen war, im Rahmen einer von dem großen russischen Physiker Lew Landau organisierten Reihe Vorträge in Moskau zu halten. Es gehörte zu den Ritualen dieser Veranstaltung, dass der Ehrengast sein Denken in einem Satz ausdrücken und an die Tafel schreiben sollte. Dirac zögerte keine Sekunde und schrieb in großen Buchstaben: PHYSICAL LAWS SHOULD HAVE MATHEMATICAL BEAUTY. Physikalische Gesetze sollten mathematische Schönheit zeigen.

Dirac hielt übrigens vereinzelt Kontakt zu russischen Wissenschaftlern und versuchte, ihnen in den damals schwierigen politischen Zeiten Unterstützung zu bieten. Leider vergeblich. Dies aber hinderte die Russen selbst nicht daran, mit ihm Schabernack zu treiben – etwas, das Dirac gefallen hat. So hat man eines Tages in seinem Hotelzimmer in Moskau die Rolle Toilettenpapier durch die Seiten einer Biograﬁ e Stalins ersetzt.

Der Atheist

Dirac glaubte zwar an Schönheit, aber nicht an irgendeine Art von Gott. Wir wissen dies leider nicht von ihm selbst, aber aus der Autobiograﬁe von Werner Heisenberg, in der unter anderem Gespräche geschildert werden, die sich auf der Solvay-Konferenz des Jahres 1927 an die Diskussionen zur Physik anschlossen. Sie kreisten auch um das Verhältnis von Wissenschaft und Religion, wobei Albert Einstein sein »Gott-würfelt-nicht« zu verteidigen hatte, und Max Planck die Ansicht äußerte, dass der Unterschied zwischen einem religiösen und einem wissenschaftlichen Menschen darin bestehe, dass der eine von Anfang an bei Gott ist, während der andere am Ende zu Gott ﬁ ndet.

Der damals 25-jährige Dirac hatte für solch ein Denken keinerlei Verständnis: »Ich weiß nicht«, so begann sein Beitrag, mit dem er in die Diskussion eingriff, »warum wir hier über Religion reden. Wann man ehrlich ist – und das muss man als Naturwissenschaftler doch vor allem sein –, muss man zugeben, dass in der Religion lauter falsche Behauptungen ausgesprochen werden, für die es in der Wirklichkeit keinerlei Rechtfertigung gibt. Schon der Begriff ›Gott‹ ist doch ein Produkt der menschlichen Fantasie. Man kann verstehen, dass primitive Völker, die der Übermacht der Naturkräfte mehr ausgesetzt waren als wir jetzt, aus Angst diese Kräfte personiﬁziert haben und so auf den Begriff der Gottheit gekommen sind. Aber in unserer Welt, in der wir die Naturzusammenhänge durchschauen, haben wir solche Vorstellungen doch nicht mehr nötig.« Dirac zeigte im weiteren Verlauf des Gesprächs Sympathie für die Idee von Karl Marx, dass Religion Opium für das Volk sei, »um es in glückliche Wunschträume zu wiegen und damit über die Ungerechtigkeit zu trösten, die ihm widerfährt«. Und so wollte er von religiösen Mythen nichts hören: »Es ist doch reiner Zufall, dass ich hier in Europa und nicht in Asien geboren bin, und davon kann doch nicht abhängen, was wahr ist, also auch nicht, was ich glauben soll. Ich kann doch nur glauben, was wahr ist. Wie ich handeln soll, kann ich rein mit der Vernunft aus der Situation erschließen, dass ich in einer Gemeinschaft mit anderen zusammenlebe, denen ich grundsätzlich die gleichen Rechte zu leben zubilligen muss, wie ich sie beanspruche. Ich muss mich also um einen fairen Ausgleich der Interessen bemühen, mehr aber wird nicht nötig sein; und all das Reden über Gottes Wille, über Sünde und Buße, über eine jenseitige Welt, an der wir unser Handeln orientieren müssen, dient doch nur zur Verschleierung der rauen und nüchternen Wirklichkeit.« Dirac fügte abschließend noch hinzu, dass ihm das »Reden von einem großen Zusammenhang« zuwider sei. Für ihn ist es »im Leben wie in unserer Wissenschaft: Wir werden vor Schwierigkeiten gestellt, und wir müssen versuchen, sie zu lösen. Und wir können immer nur eine Schwierigkeit, nie mehrere auf einmal lösen; von Zusammenhang zu reden ist also nachträglicher gedanklicher Überbau.«

Es ist kaum anzunehmen, dass Dirac so viel an einem Stück gesagt hat, und wir nehmen an, dass Heisenberg hier auf ein paar Seiten zusammengefasst hat, was er mit Dirac in vielen Gesprächen erörtert hat – die beiden haben 1929 gemeinsam eine Weltreise unternommen. Aber wir können sicher sein, dass Heisenberg fair wiedergibt, was Dirac meint, und dem sonstigen Schweiger wird auch gefallen haben, wie Wolfgang Pauli abschließend seine Ansichten kommentierte: »Unser Freund Dirac hat eine Religion; und der Leitsatz dieser Religion lautet: ›Es gibt keinen Gott, und Dirac ist sein Prophet‹.«

Eine Gegenwelt

Wenn Dirac auch nichts von einer göttliche Gegenwelt im Himmel hielt, so musste bzw. durfte er bald erleben, wie die Mathematik ihm die Existenz einer anderen Gegenwelt zeigte: Sie lag unten in einer Tiefe, die sich im Experiment überraschend als real erwies, ohne dass damit etwas von dem sie umgebenden Geheimnis verloren ging. Es geht – wie immer bei Dirac – dabei weniger um das Philosophische und mehr um das konkret Physikalische.

1928 versuchte er mit seiner mathematischen Sprache, die Ergebnisse der Quantenphysik und der Relativitätstheorie zusammenzufassen und gemeinsam auszudrücken, was bis dahin noch nicht gelungen war. Er näherte sich dem Problem wie ein Künstler, der verschiedene Elemente zu kombinieren versucht. In der Welt Diracs bedeutete das, dass er mit den Gleichungen Einsteins und denen der Quanten spielte, bis eine Struktur sichtbar wurde, die ihm geﬁ el, also mathematische Schönheit zeigte. Wir nennen sie heute Dirac-Gleichung.

Diracs Gleichung von 1928 stellt das dar, was er selbst bescheiden die »relativistische Theorie des Elektrons« nennt und womit eine Quantentheorie gemeint ist, bei der das genannte Elementarteilchen hohe Geschwindigkeiten und entsprechende Energien annehmen kann. Wie immer, wenn es auf diese Weise relativistisch wird, taucht in der mathematischen Darstellung ein Quadrat auf. Das war zunächst nichts Ungewöhnliches und schon aus der klassischen Theorie Einsteins bekannt. Doch unter Beachtung der Quantensprünge bekam es nun eine neue und dramatische Bedeutung. Bekanntlich kann es, wenn ein Quadrat in einer Gleichung auftaucht, zwei Lösungen geben – neben der positiven eine negative, denn minus mal minus ist wieder plus. Die negativen und positiven Zahlen stellen dabei Energien dar, die Elektronen annehmen können. Im Rahmen des klassischen Denkens ignoriert man jedoch die Zustände mit negativer Energie einfach, weil es keinen Weg zu ihnen gibt. Genau das gilt mit den Quantensprüngen nicht mehr. Im Gefüge der Quantenwelt kann ein Elektron springen – zum Beispiel von Plus nach Minus –, und Dirac entschloss sich, die Lösungen seiner Gleichung mit negativer Energie als physikalisch real anzunehmen. Er sprach zuerst nur von einem Antielektron, schlug dann die umfassende Existenz von Antimaterie vor und hatte damit eine fantastische Gegenwelt entdeckt, deren experimenteller Nachweis nicht lange auf sich warten ließ. Bald ging die Rede von einer Dirac’schen Unterwelt oder von einem Dirac-See um, der im Normalfall unbemerkt bleibt, weil alle Zustände in ihm besetzt sind. Wird aber durch eine hohe Energie, wie sie etwa in Gammastrahlen präsent ist, ein Loch in den Dirac-See geschlagen, lässt sich dieses erkennen, und zwar im einfachsten Fall als Antiteilchen zum Elektron, das den Namen »Positron« erhalten hat.

Mit anderen Worten, Dirac hat mit spielerischen Mitteln entdeckt, dass es Antimaterie gibt, und er hat dazu eine theoretische Sprache geliefert, die das Hervorholen und Zurückbringen von Teilchen aus der Unterwelt ganz selbstverständlich beschreiben konnte. Mit Diracs Gleichung – und dank seiner Schreibweise – verstehen wir das Elektron besser. Dirac sagt darin zum Beispiel die Existenz der vierten Quantenzahl (die Existenz des Spins) voraus, die man vorher erraten musste. Und außerdem wissen wir jetzt, dass es das Nichts nicht so gibt, wie man denkt. Denn das, was die Physiker Vakuum nennen und in dem kein Teilchen zu ﬁnden ist, besteht tatsächlich aus einem randvollen Dirac-See mit Zuständen aus negativer Energie, die sämtlich besetzt sind und darauf warten, erlöst oder erhöht zu werden.

Ein seltsamer Mann

Dirac wusste wie kein zweiter, dass seine Theorie der Elektronen und Positronen erst der Anfang einer Physik sein konnte, die noch mehr Verständnis für das Quantenhafte der Natur zeigte, als es seiner Generation möglich war. Diese Physik der Zukunft sollte noch entwickelt werden, und zwar vor allem von Richard Feynman, den wir noch vorstellen werden.

Es gäbe für Physiker noch viel über weitere Einfälle Diracs zu schreiben, denn mit der Dirac-Gleichung sind wir erst im Jahre 1928 angekommen, und unser Held hat bis 1984 gelebt. Zuletzt verweilte er in Florida, wohin er nach seiner Emeritierung 1969 gelangt war, nachdem er viele Jahrzehnte den berühmtesten Lehrstuhl in Cambridge innehatte. 1933 erhielt Dirac den Nobelpreis für Physik, und damit nennen wir nur eine von vielen Ehrungen, die ihm zuteil wurden. 1937 heiratete er, und zwar die Schwester der Physikers Eugene Wigner, der aus Ungarn stammte und ebenso wie Dirac ein begnadeter Mathematiker war. Mit seiner Frau Margit, die ihm zwei Kinder schenkte, führte Dirac äußerlich insgesamt ein bescheidenes und ruhiges Leben. Wer ihn aber kannte, wusste, dass er »der seltsamste Mensch« war, »the strangest man«, wie Niels Bohr ihn einmal genannt hat. Es gibt einige Anekdoten, die es erlauben, etwas von seinem unheimlichen Charme zu erfassen.

Als ein Kollege ihn während einer wissenschaftlichen Tagung einmal ansprechen wollte und dachte, mit der Aussage »Es ist aber kalt in diesem Zimmer« den Anfang für ein Gespräch gemacht zu haben, schaute ihn Dirac lange nachdenklich an, um dann zu fragen, »Wie kalt?«.

Ein anderes Beispiel: Als ein Vortragender sich einmal mit den Vorzeichen verhaspelte und sich mit dem Hinweis entschuldigen wollte, »Hier steht ein Minuszeichen, wo es ein Pluszeichen sein sollte: Da habe ich wohl einen Fehler bei den Vorzeichen gemacht«, antwortete der zuhörende Dirac: »Oder eine ungerade Anzahl von Fehlern.«

Und während der 1929 gemeinsam mit Heisenberg unternommenen Weltreise, auf der die beiden Shooting Stars der Physik die neue Quantenmechanik erklärten, ging Heisenberg gerne abends zum Tanzen. Dirac fragte, warum er dies mache. Heisenberg antwortete, dass es doch schön sei, mit hübschen Mädchen zu tanzen. Der große Schweiger der Physik dachte mehrere Minuten lang nach, um dann zu fragen: »Aber woher weißt du vorher, dass die Mädchen hübsch sind?«

Dirac hat es nicht ganz bis zur Goldenen Hochzeit geschafft. Er starb im 47sten Jahr seiner Ehe, und wir möchten mit einer letzten Anekdote aus dem langen Leben mit seiner Frau erzählen, die übrigens auf den späten Umzug nach Florida gedrängt hat, um endlich etwas Abwechslung in ihr Leben zu bringen. Als seine Frau schlecht gelaunt war, fragte sie Dirac: »Was würdest du eigentlich sagen, wenn ich dir einfach davonliefe?« Ihr Gatte schaute auf, dachte nach, ließ sich wie immer Zeit und antworte schließlich: »Auf Wiedersehen, mein Schatz.«

7

George Gamow (1904–1968)

Ein Spaßvogel in schwierigen Zeiten

Gamow hieß ursprünglich Georgi mit Vornamen. Er stammte aus Odessa am Schwarzen Meer und interessierte sich zuerst für Paläontologie. In diesem Studienfach lernte er – in seinen eigenen Worten –, »wie man eine Katze von einem Dinosaurier durch einen Blick auf die kleinen Zehen unterscheidet«. Doch das hat Gamow nicht weiter gereizt, und so studierte er in Leningrad, dem heutigen St. Petersburg, die Physik des Himmels bei dem Kosmologen Alexander Friedmann. Dieser konnte damals erste Lösungen zu Albert Einsteins Gleichungen für das Weltall bieten und etwas über die Entwicklung des Kosmos sagen. Aber nach dem plötzlichen und unerwarteten Tod des Professors 1925 orientierte sich der junge Gamow erneut um, indem er seine Aufmerksamkeit jetzt von dem ganz Großen ab- und den ganz kleinen Atomen zuwandte. Tatkräftig trug er zu den Erkenntnissen der sich stürmisch entwickelnden Quantenmechanik bei – und zwar so erfolgreich, dass er neben dem unvermeidlichen Einstein der zweite Wissenschaftler wird, dem wir nicht nur auf der kosmischen Hintertreppe begegnen,^[3] sondern auch auf den hier begangenen Stufen antreffen, die uns zu den Quantensprüngen führen.

1928 bekam Gamow die Gelegenheit, seine inzwischen sozialistisch gewordene Heimat zu verlassen und ins Ausland zu reisen. So war es ihm möglich, in Göttingen und Kopenhagen mit den wilden Quantenphysikern um Max Born und Niels Bohr zusammenzuarbeiten. Nachdem er den dort praktizierten Stil des freien Diskutierens, das sachdienliche Zulassen vernünftiger Verrücktheiten erlebt sowie andere Annehmlichkeiten des Lebens erfahren hatte, beschlich ihn das Gefühl, nicht mehr Bürger der UdSSR bleiben zu können. Trotz zunehmenden Drucks durch die sowjetische Geheimpolizei wollte Gamow stattdessen im Westen leben. Er kehrte zunächst zwar noch einmal – der Liebe wegen – in seine Heimat zurück, aber nur, um dann mit seiner Frau anschließend einige Fluchtversuche zu unternehmen. Sie probierten, mit einem Kajak erst über das Schwarze Meer in die Türkei zu kommen und im zweiten Anlauf über die Barentssee nach Norwegen überzusetzen. In beiden Fällen aber scheiterten sie am stürmischen Wetter. Als Gamow 1934 die überraschende Erlaubnis zu einem weiteren Besuch im westlichen Europa erhielt, nahm er diese unverhoffte Chance natürlich wahr. Zusammen mit seiner Frau setzte er sich in Brüssel von der sowjetischen Delegation ab und ﬂoh in die USA, wo er über Washington und New York den Weg nach Denver fand. Dort trat er an der Universität von Colorado eine Stelle als Professor für Physik an. Sie sollte die letzte Station seiner turbulenten Lebensreise sein. Gamow und seine Frau kehrten im Übrigen nie mehr in ihre russische Heimat zurück, die ihn in Abwesenheit zum Tode verurteilt hatte.

Schabernack und mehr

Gamow muss trotz oder wegen seiner Herkunft ein fröhlicher und witziger Mensch gewesen sein, der dauernd zu einem Schabernack aufgelegt war. Er steckte Hemden in ﬂ üssigen Stickstoff, zerteilte ein gefrorenes Tuch und benutze die Bruchstücke als Postkarten. Berühmt ist seine Ableitung, dass Gott seine Zelte 9,5 Lichtjahre von der Erde entfernt aufgeschlagen habe, was sich daraus ergebe, dass zwar 1904 in allen Kirchen Russlands für die Vernichtung Japans gebetet worden sei, dass es aber 19 Jahre – bis 1923 – gedauert habe, bis es dort zu einem schweren Erdbeben gekommen ist. In der wissenschaftlichen Welt ebenfalls bestens bekannt ist seine Bitte an den berühmten Physiker Hans Bethe (1906–2005). Der sollte bei einer Arbeit, die Gamow mit seinem Schüler Ralph Alpher (1921–2007) publizieren wollte, als dritter Autor agieren, und zwar aus einem einzigen Grund: In der Geschichte der Wissenschaft würde es so eine Arbeit geben, deren Autoren – Alpher, Bethe und Gamow – zusammen wie die Anfangsbuchstaben des griechischen Alphabets klingen, nach denen Ernst Rutherford die Alpha-, Beta- und Gammastrahlen der Physik benannt hat, mit deren Entdeckung und Untersuchung die Atomphysik erst in Schwung gekommen ist. Die Arbeit ist tatsächlich 1948 erschienen und verspricht im Titel, den »Ursprung der chemischen Elemente« zu klären, wobei die Autoren nicht ein Geschehen auf der Erde im Sinn hatten, sondern das Auftauchen von Wasserstoff, Sauerstoff und anderen Elementen im frühen Universum meinten. Die Quantensprünge erlaubten einen streng wissenschaftlichen Zugang zu dieser uralten Frage, und Alpher und Gamow, die beiden Hauptautoren, machten sich mit den Methoden der neuen Physik daran, ein Universum zu modellieren, in dem es noch keine Elemente gab, wie wir sie heute kennen, sondern in denen diese Basisbausteine erst entstehen mussten. Dies geschah mithilfe von Strahlungen und anderen Energieformen, die vorausgesetzt wurden und sich mit der Mathematik der Quanten erfassen und verteilen ließen. Doch bevor wir darauf eingehen und erläutern, wie dabei dank der Quanten sogar die Idee eines Urknalls kalkulierbar und hoffähig wurde, muss noch mehr über die Persönlichkeit und allgemeine wissenschaftliche Qualität von Gamow gesagt werden. Das soll anhand von drei Stichpunkten passieren: Tunneleffekt, genetischer Code und Mr. Tompkins, wobei wir den erstgenannten Tunneleffekt aus dramaturgischen Gründen zuletzt betrachten wollen. Denn er stellt Gamows frühen (1928) und zugleich grandiosen Beitrag zum Verständnis der atomaren Wirklichkeit mit ihren Quantensprüngen dar, der allerdings im Verlauf des Zweiten Weltkriegs etwas von seiner Unschuld einbüßte, da er das mysteriöse Geschehen, das zur Freisetzung der Kernenergie führt, verständlich machen konnte.

Tatsächlich verließen viele Wissenschaftler die Physik, als nach 1945 explodierende Atombomben mit Rauchpilzen sichtbar wurden. Sie taten diesen Schritt unter anderem, um sich einer ganz neuen Wissenschaft, der Molekularbiologie, zuzuwenden, die damals ihre ersten sensationellen Erfolge feiern konnte. Ausgelöst wurde die Physikerwanderung durch das bis heute aufgelegte und berühmte Buch Was ist Leben? von Erwin Schrödinger, in dem der berühmte Nobellaureat 1945 vorschlug, die Gene als eine Art Code-Script zu sehen, in dem Informationen stecken und vermittelt werden. Aufgrund dieses Hinweises ﬁ ngen viele Forscher an, sich Gedanken über die Frage zu machen, wie ein genetischer Code aussehen und funktionieren könne, um das Leben mit seiner Biochemie hervorzubringen.

Dass es einen solchen Code geben müsse, wussten die Wissenschaftler spätestens seit 1953, als entdeckt wurde, dass sowohl die Erbsubstanz (die Gene) als auch ihre Produkte (die Proteine) chemisch gleichartig gebaut sind, nämlich als Ketten von allerdings unterschiedlichen Bausteinen. Der Code würde die Reihenfolge der Glieder einer Kette in die der anderen übertragen, und Gamow war der Erste, der sich ernsthaft überlegte, wie dies im Detail aussehen bzw. mit Molekülen bewerkstelligt werden könnte.

Ihn lockte dabei nicht zuletzt die Tatsache, dass die Natur bei den benutzten Bausteinen sparsam umgegangen war und ihr zum Beispiel 20 Moleküle (Aminosäuren) reichten, um alle Proteine herzustellen, mit denen Zellen ihre chemischen Reaktionen ablaufen lassen konnten. Gamow gründete einen Klub mit 20 Mitgliedern, zu dem auch der legendäre Physiker Richard Feynman gehörte. Jedem Mitglied des sogenannten RNA-Tie-Clubs^[4] wurde einer der Bausteine zugewiesen, aus denen Zellen die lebenswichtigen Proteine bauten. Diese Moleküle wurden (und werden) im Fachjargon mit drei Buchstaben abgekürzt, und Gamow konnte der Versuchung nicht widerstehen, sich selbst das Kürzel Ala zu geben, das zwar ofﬁ ziell auf die Aminosäure Alanin hinweist, das man aber auch so aussprechen kann, als sei mehr damit gemeint, für Menschen einer bestimmten Glaubensrichtung sogar sehr viel mehr.

Nach dem Zweiten Weltkrieg entwickelte Gamow eine Neigung, populäre Bücher zu schreiben, mit denen er auch einiges Geld verdiente. Er erfand zu diesem Zweck eine Figur namens Mr. Tompkins, die er durch wunderliche Welten reisen lässt. Diese Welten werden durch moderne physikalische Theorien bestimmt und mit dem gesunden Menschenverstand kommt man dort nicht sehr weit. In Anlehnung an die berühmte Alice im Wunderland stellte Gamow 1946 als erstes Buch die Abenteuer von Mr. Tompkins in Wonderland vor, und einige der Bände werden bis heute aufgelegt wie auch sein allgemeinverständliches und nach wie vor lesenswertes Buch mit dem hübschen Titel Eins, zwei, drei … Unendlichkeit, das auf Deutsch zum ersten Mal 1958 erschienen ist.

Der Tunneleffekt

Gamow hat kurz vor seinem Lebensende auch The Story of Quantum Theory, die Geschichte der Quantentheorie, in Buchlänge aufgeschrieben, und er hat sich dabei an bedeutenden Personen orientiert, wie wir es hier auch tun. Die Helden heißen Planck, Bohr, Pauli, de Broglie, Heisenberg, Dirac und Fermi, wobei es nur allzu bedauerlich ist, dass er seinen eigenen Beitrag zur Wissenschaftsgeschichte nicht einmal im Hintergrund anspricht.

Gemeint ist die Erklärung für die zunächst vielfach verwirrende Beobachtung, dass beim radioaktiven Zerfall Teilchen aus dem Atomkern herausgeschleudert werden. Verwunderlich ist dieser Tatbestand deshalb, weil – nach allem, was die Physiker sagen konnten – die Energien der austretenden Teilchen nicht ausreichten, um die Barriere zu überwinden, die von der Natur um den Kern herum errichtet worden war, mit dem Ziel, das dort versammelte Ensemble von Elementarteilchen an seinem Platz zu halten. Bei dem sogenannten Betazerfall spaltet sich zum Beispiel ein Neutron in ein Proton und ein Elektron auf, das dann den Atomkern nachweislich verlässt, was aber nach klassischem Verständnis gar nicht sein darf. Jedenfalls nicht in der traditionellen Form des wissenschaftlichen Denkens, in dem der gesunde Menschenverstand das Sagen hat. Mit dieser Beschränkung bricht aber die Physik der Quantensprünge. In ihr kann auch sein, was nicht sein darf, und Gamow wollte wissen, wie das passieren kann.

Die Physiker sprechen bei der (experimentell nachweisbaren) Fähigkeit atomarer Objekte, Hindernisse auch dann zu überwinden, wenn ihre Energie dazu nicht ausreicht, von einem Tunneleffekt. Es gibt einen Film von 1959 – Ein Mann geht durch die Wand mit Heinz Rühmann als Hauptdarsteller –, in dem der Tunneleffekt in unsere alltägliche Welt getragen wird. Es gelingt dem Helden nämlich, Wände zu durchschreiten, um auf die gleiche Weise von innen nach außen (oder in ein anderes Zimmer) zu gelangen, wie es atomare Teilchen schaffen, die Gefangenschaft im Kern innen mit dem Aufenthalt in der freien Welt außen zu tauschen.

Der Tunneleffekt musste Gamow sympathisch sein, und 1928 konnte er zeigen, dass die atomare Flucht durch eine Anwendung der neuen Mechanik verstanden werden konnte, wobei sich die von Schrödinger entwickelte Wellenmechanik als entscheidende Hilfe erwies. Zwar hatte Schrödinger selbst noch gemeint, beispielsweise Elektronen als konkrete Wellen betrachten zu können. Aber Gamows Bemühen machte bald klar, dass das, was Schrödingers Gleichung erfasste, als eine komplexe Wahrscheinlichkeit für ein Teilchen verstanden werden musste, sich an einem bestimmten Ort aufzuhalten. Und die Lösung von Schrödingers Gleichung billigte den Elektronen eine zwar kleine, aber eben real existierende und nicht verschwindende Wahrscheinlichkeit zu, den Wall zu überwinden, mit dem die Natur ihre Kerne umgibt. Kurz, die Objekte aus der atomaren Sphäre mogeln sich mehr oder weniger unterhalb der Energiebarriere durch. Seitdem kennt man den Tunneleffekt, der zum Beispiel in der Kosmologie längst unentbehrlich geworden ist, um die Energiequelle der Sonne zu verstehen. Zwar hatten Physiker längst erkannt, dass dort Energie in Form von Wärme entsteht, wenn Wasserstoffe zu Helium verschmelzen. Aber sie wussten zunächst nicht, wie diese Fusion zustande kommen sollte, wenn Atomkerne von hohen Barrieren umgeben waren. Die Antwort lieferte der Tunneleffekt, und so konnte Gamow mit seiner Theorie nicht nur Ruhm ernten, sondern in das kosmologische Geschäft zurückkehren, das er in den frühen Jahren seines Studiums betreten hatte.

Ylem

Der Tunneleffekt macht insgesamt viele Beobachtungen verständlich, die von der Spaltung von Urankernen bis zur Entwicklung von modernen Mikroskopen reichen. Als Beispiel soll hier das in den 1980er-Jahren mit dem Nobelpreis gewürdigte Rastertunnelmikroskop genannt werden, das wir Gerd Binnung und Heinrich Roher verdanken und bei dem eine Oberﬂäche mit einer Spitze abgetastet wird, ohne dass sie berührt wird.

Gamow selbst bekam mit dem zwar erklärten, aber geheimnisvoll bleibenden Tunneln plötzlich die Chance, sich sinnvoll Gedanken über der Anfang der Welt zu machen. In den 1920er-Jahren war ja nicht nur die Quantentheorie aufgekommen, sondern auch die Expansion des Kosmos erkannt worden. Diese musste von einem Anfangspunkt oder Urzustand des Kosmos ausgehen, der heute als Urknall bezeichnet wird. Gamow versuchte, daraus eine physikalisch nachprüfbare Frage zu formulieren, und zwar so: Wenn die Konzeption eines singulären Moments – eines Urknalls – als Weltentstehung in der Fachwelt akzeptiert werden wollte, dann musste sie zum Beispiel erklären, woher die Elemente kamen und warum manche sehr viel häuﬁ ger auftraten als andere.

Gamow nahm sich konkret vor, die Frage anzugehen, wie Atomkerne entstehen, was technisch unter den Begriff »Nukleosynthese« gefasst wurde. Messungen hatten gezeigt, dass der simple Wasserstoff (H), bei dem ein Proton von einem Elektron umsponnen wird, das mit Abstand häuﬁgste Element des Universums ist. Auf 10 000 Wasserstoffe kamen rund 10 000 Heliumatome, sechs Sauerstoffatome und ein Kohlenstoffatom, während der gesamte Rest noch seltener als die zuletzt genannte Sorte ist. Konnte die Hypothese einer punktförmigen Urexplosion in einem ersten Schritt erklären, warum und woraus in den ersten Momenten der Welt vor allem Wasserstoff entstanden ist? Und konnte sie in einem zweiten Schritt die ungleiche Verteilung der schwereren Elemente erfassen?

Gamow spekulierte, aber er blieb diszipliniert und orientierte seine wilden Ideen an konkreten Zahlen. So konnte man damals genau sagen, wie viel Helium die Sonne enthielt, und zudem angeben, wie viel Helium sie pro Sekunde dank der Kernfusion und des dazugehörigen Tunnels anfertigte. Aus beiden Zahlen ließ sich leicht berechnen, dass die Sonne rund 30 Milliarden Jahre gebraucht hatte, um ihren heutigen Zustand zu erreichen – was aber Unsinn sein musste, da die Welt insgesamt jünger war. Also, so überlegte Gamow, muss Helium schon im Urknall selbst entstanden sein. Aber wie?

Die Überlegungen kamen nicht so recht voran, bis Gamow merkte, dass er in den 1940er-Jahren fast der Einzige war, der sich damit herumschlagen durfte. Alle anderen Physiker, die etwa von Kernphysik verstanden, waren im Rahmen des legendären Manhattan-Projektes mit der Entwicklung von Atomwaffen beschäftigt. Davon jedoch war Gamow als gebürtiger Russe ausgeschlossen. So forschte er alleine weiter. Nach und nach ließen seine theoretischen Bemühungen erkennen, dass das Universums anfänglich keinerlei Atome enthielt, sondern eine Art heiße Suppe aus Neutronen, Protonen und Elektronen gewesen sein muss. Als Gamow nach einem Namen für diesen Urzustand suchte, stieß er in einem Lexikon auf den alten mittelenglischen Ausdruck ylem, der dort deﬁniert war als »Urstoff, aus dem die Elemente gebildet wurden«. Genau diesen Urstoff versuchte Gamow zu erkunden, aber die Physik erwies sich als sperrig. Es ging schließlich um unvorstellbare Dichten von Materie mit gigantisch hohen Temperaturen, und außerdem wusste niemand so recht, wie man in dieses Chaos die Dimension der Zeit einführen sollte, die man doch messen können muss, was wiederum die Existenz von Atomen (und deren periodischem Verhalten) voraussetzt.

In der erwähnten Alpher-Bethe-Gamow-Arbeit von 1948 meinte Gamow der Lösung näher gekommen zu sein, was ihn, den ewigen Witzbold, veranlasste, eine eigene Schöpfungsgeschichte zu entwerfen. Diese ließ er mit dem Satz beginnen: »Am Anfang schuf Gott Strahlung und Ylem, und Ylem war ohne Form noch Zahl, und die Nukleonen rasten wie verrückt über die Tiefe hinweg.« Dem selbstbewussten Auftakt folgte eine eher ernüchternde Abhandlung. Denn tatsächlich konnten die Autoren nur ein wenig mit der Ursuppe spielen, ohne in der Lage zu sein, Kritikern Rede und Antwort zu stehen. Sie sahen sich dem Vorwurf ausgesetzt, ein Flickwerk der Art geliefert zu haben, wie wir es bei Ptolemäus ﬁnden, der eine falsche Grundannahme (die Erde beﬁndet sich im Zentrum des Universums) durch unsinnige Rechnungen, sogenannte Epizyklen, aufgewertet hat. Als dann Anfang der 1950er-Jahre Messungen auch noch zu zeigen schienen, dass ein Urknalluniversum jünger sein musste als die Sterne, die es hervorgebracht hatte, warf Gamow den Bettel hin und kümmerte sich – siehe oben – fortan um die Gene und ihren Code. Die Kosmologen selbst wandten sich rasch von Denkmustern dieser Art ab, und niemand in ihren Reihen beachtete einen Vorschlag, den Gamow mit seinem Kollegen Alpher und dem Kosmologen Robert Herman (1914–1997) in den 1940er-Jahren als letzten Versuch unterbreitet hatte, um sein Konzept eines Urknalls zu testen. Das Trio hatte seinen theoretischen Modellen entnommen, dass das ursprünglich extrem heiße Ylem, für das Physiker heute den besser deﬁ nierten Ausdruck Plasma verwenden, den Kosmos mit einer Strahlung angefüllt haben muss, die bis heute noch nicht ganz abgeklungen sein könnte und sich irgendwo noch im Hintergrund beﬁnden müsste. Das damals gültige Bild vom Kosmos änderte sich schlagartig, als diese Strahlung tatsächlich 1964 gefunden wurde. Fortan durfte man an einen Urknall als Anfang der Welt glauben, und wir tun es immer noch. Dabei sollten wir wissen, was die Wissenschaft genau meint, wenn sie das Wort »Urknall« benutzt. Doch das geht nur, wenn man zur Kenntnis nimmt, dass sich die physikalische Wirklichkeit grundlegend ändert, wenn wir uns demselben rechnerisch nähern. Welche Physik im Urknall gilt, können wir nicht wissen, weil sowohl die Relativitätstheorie von Einstein als auch die Quantenphysik eine Rolle spielen, und deren Kombination – etwa als Quantengravitation – entzieht sich der Wissenschaft bislang. Die Wissenschaft nennt diesen völlig unerforschten (und derzeit unerforschlichen) Abschnitt der kosmischen Entstehung die »Weiße Epoche«. Mit diesem Begriff lässt sich ausdrücken, was das Bild von Gamows Urknall besagt: »Urknall« heißt nicht, dass die Welt in einem Punkt begonnen hat, sondern nur, dass der Kosmos aus der Weißen Epoche mit einer Bewegung herausgekommen ist, die den Eindruck erweckt, als hätte dieser kurz zuvor – sehr kurz zuvor – in einem Punkt sein Leben begonnen. Mit anderen Worten, das Fragen geht weiter.

8

Lew D. Landau (1908–1968)

Streben nach Einfachheit und Ordnung

Das Ende von Lew D. Landau, den seine Freunde und Verehrer gerne »Dau« nannten, muss schrecklich gewesen sein. Er machte sich am 7. Januar 1962 auf dem Weg von Moskau nach Dubna, das von der sowjetischen Führung als Stadt der Wissenschaft erkoren worden war und in der nicht zuletzt Kernforschung betrieben werden sollte. Landau wollte die 120 Kilometer mit dem Auto zurücklegen, das von einem Studenten gesteuert wurde, aber die beiden sind nicht weit gekommen und auf eisglatter Straße mit einem Lastwagen zusammengestoßen. Während der Student starb, lag der berühmteste Physiker seines Landes im Koma, weil die Parteispitze unter Führung von Nikita Chruschtschow den Befehl ausgegeben hatte, Landau mit allen Mitteln am Leben zu halten. »Dau darf nicht sterben«, riefen sich die vielen Ärzte, Schwestern, Schüler und Kollegen zu, die sein Krankenlager versorgten und wahrscheinlich zu einem Gott im Himmel gebetet hätten, wenn dies in der UdSSR nicht verpönt gewesen wäre. Und tatsächlich – nach drei Monaten kam Landau wieder zu Bewusstsein, aber er war nicht mehr der Mensch, den man vorher gekannt hatte. Die Fähigkeiten, die ihn berühmt gemacht hatten – seine unvorstellbar rasche Auffassungsgabe, die er mit einem universellen Interesse und der souveränen Gabe koppelte, selbst schwierigsten Themen einfache und bedenkenswerte Gesichtspunkte abzugewinnen –, zeigten sich nicht einmal mehr im Ansatz. Dafür peinigten ihn Schmerzen, die ihn bis zu seinem (zweiten) Tod im Jahre 1968 nicht mehr verlassen sollten. Es müssen mühe- und qualvolle sechs Jahre gewesen sein, die Landau tapfer ertragen hat.

Frühe Stationen im Lebensweg

Lew Landau wurde in Baku geboren, der heutigen Hauptstadt Aserbaidschans, in dem damals ein Zentrum der sowjetischen Erdölindustrie zu ﬁnden war. Landaus Vater arbeitete dort als Ingenieur, und seine Mutter verfasste als Ärztin wissenschaftliche Arbeiten auf dem Gebiet der Physiologie. Der junge Lew Dawidowitsch ließ früh Züge eines mathematisch talentierten Wunderkinds erkennen, sodass er das Gymnasium mit 13 Jahren abschließen konnte. Das allerdings war in der weitverbreiteten jüdischen Familie Landau nicht ganz so ungewöhnlich, wie es klingt. Ihr entstammen nämlich zahlreiche berühmte Rabbiner und Gelehrte, unter anderem der deutsche Mathematiker Edmund Landau.

Lew schreibt sich 1922 an der Universität von Baku ein, wechselt aber bereits zwei Jahre später – er ist jetzt immerhin 16 Jahre alt – an die physikalische Abteilung der Universität in Leningrad, wo er mit der theoretischen Physik in Berührung kommt, die ihn sofort in den Bann schlägt. Landau zeigt sich unmittelbar von der »unglaublichen Schönheit der Allgemeinen Relativitätstheorie« beeindruckt, und wird sein Leben lang die Ansicht äußern, dass solch ein Entzücken als Merkmal eines jeden Physikers zu gelten habe. Bald tauchen die Arbeiten von Werner Heisenberg und Erwin Schrödinger in Leningrad auf, die ihn geradezu in Ekstase versetzen. Die Theorie der Quantensprünge bringt ihm nicht nur den äußersten Genuss wissenschaftlicher Schönheit, sondern gibt ihm auch ein Empﬁ nden für die Kraft, die dem menschlichen Geist innewohnt und die ihn – und uns – befähigt, selbst die Dinge zu verstehen, die man sich nicht mehr auf schlichte Weise veranschaulichen kann. Zu ihnen zählt Landau das Prinzip der Unbestimmtheit ebenso wie die Krümmung der vierdimensionalen Raumzeit, mit deren Hilfe Einstein den Kosmos deutet.

1927 schließt Landau seine Studien ab und wird Mitarbeiter – »Aspirant« im Jargon der Sowjetbürokratie – am Physikalisch-Technischen Institut der Universität Leningrad. Aus dieser Zeit stammen seine ersten Publikationen: über das Licht, das Moleküle, die aus zwei Atomen bestehen, aussenden können, und über die Dämpfung, die Energie erfahren kann, wenn sie sich in Medien ausbreitet. In diesen Texten stellt Landau zusammen mit seinen Einsichten zugleich ein neues Werkzeug vor, mit dem theoretische Physiker fortan rechnen können. Es ist in der Fachwelt als Dichtematrix bekannt und handelt von der Wahrscheinlichkeit, mit der der Quantenzustand eines Systems durch sogenannte reine Zustände erfasst werden kann. Für Letztere lassen sich die ziemlich einfachen Gleichungen aufstellen, die wir den Pionieren der neuen Physik verdanken.

Im Ausland

Biograﬁsche Berichte stellen Landau als einen zwar hochtalentierten Wissenschaftler vor, sie weisen aber auch auf seine fast krankhafte Schüchternheit im Umgang mit anderen Menschen hin. So braucht er einige Jahre und viel Selbstdisziplin, um zu der lebensfrohen Person zu werden, als die er international galt.

1929 wendet sich das sowjetische Volkskommissariat für Volksbildung an Landau und erlaubt ihm, sich im Ausland umzusehen. In den nächsten Jahren lebt und arbeitet er in England, der Schweiz und Dänemark, wobei der Aufenthalt im Kopenhagener Institut von Niels Bohr den stärksten Eindruck hinterlässt. Dort waren junge Physiker aus so vielen Ländern vertreten, dass sich die Regel etablierte, öffentliche Auftritte nur in einer anderen als der Muttersprache absolvieren zu dürfen. Hier in dem freien Wechselspiel des Denkens und Argumentierens lebt Landau auf, und zwar so mächtig, dass er sich anschließend als Bohrs Schüler betrachtet und sein Leben lang so bezeichnet. Landau kehrt in den frühen 1930er-Jahren noch zweimal nach Kopenhagen zurück, um unter anderem über Fragen der Messbarkeit von physikalischen Größen im Rahmen der erweiterten neuen Theorie – einer relativistischen Quantentheorie – nachzudenken.

Vielseitigkeit

Was Landau an den großen Stars der Physik wie etwa Heisenberg beeindruckt, ist neben ihrem Scharfsinn bei der Lösung einzelner Probleme auch der Umfang des Interesses, mit dem sie ihre Wissenschaft erfassen. Er wird es ihnen in den kommenden Jahren nachtun und sich zu einem der vielseitigsten Forscher entwickeln, die seine Disziplin kennt. Zu der Vielfalt seiner Themen gehören der Magnetismus, die Eigenschaften von Metallen bei tiefen Temperaturen, die elektronischen Merkmale von Supraleitern, die Theorien von Phasenübergängen (wie sie etwa von ﬂüssig zu gasförmig oder von ﬂüssig zu fest stattﬁnden, wenn Wasser verdampft oder gefriert) und viele weitere Phänomene. Unter Supraleitung verstehen die Physiker das Verschwinden des elektrischen Widerstands, wie er beispielsweise in Metallen beobachtet werden kann, wenn diese Festkörper auf sehr tiefe Temperaturen abgekühlt werden. Dabei meint »tief«, dass man sich bis auf ein paar Grad auf den absoluten Nullpunkt zubewegt, der bei runden minus 273 Grad Celsius liegt.

1937 hatten russische Physiker unter der Leitung von Pjotr Kapitza ein weiteres merkwürdiges Phänomen entdeckt, das bei solch tiefen Temperaturen auftritt. Sie hatten Helium, das unter normalen Umständen als Gas vorliegt, so weit abgekühlt, dass es ﬂüssig wurde. Unterhalb einer bestimmten – der sogenannten kritischen – Temperatur geschah nun etwas Besonderes. Das ﬂüssige Helium ﬁ ng an, die Wände des Gefäßes hochzukriechen, in denen es eingeschlossen war. Es drang darüber hinaus in engste Öffnungen (Kapillare) ein und schien ohne jede Reibung zu strömen. Bald wurde klar, dass das ﬂüssige Helium einen Zustand angenommen hatte, in dem jede innere Reibung verschwunden war und sich die dazugehörigen Atome (Teilchen) unbeeinﬂusst bewegten. Man sprach von der Eigenschaft der Supraﬂuidität, nannte das tiefgekühlte Helium eine Supraﬂüssigkeit und fragte nach einer entsprechenden Erklärung durch die Physik.

Landau wagte sich an das merkwürdige Phänomen, für dessen Entdeckung Kapitza 1978 den Nobelpreis für Physik erhalten sollte. Die Supraﬂ uidität erschien als etwas völlig Ungewohntes und galt allein deshalb als höchst komplex, weil es bei ihr ja nicht um Eigenschaften einzelner Heliumatome, sondern um deren Strömungen im Verbund ging. Nun gehörte es immer schon zu den schwierigen Themen der Physik, Flüssigkeiten im Rahmen der klassischen Theorien zu behandeln. Es erforderte daher ziemlichen Mut von Landau, überhaupt den Versuch zu unternehmen, der dabei entstandenen, anspruchsvollen Wissenschaft namens »Hydrodynamik« eine Quantenform an die Seite zu stellen. Aber den ehrgeizigen Aspiranten reizte die Aufgabe, kollektive Phänomene zu erklären, denn sie machen das eigentliche Wirken der Natur aus, auf dessen Verstehen es Landau letzen Endes ankam. Er war sich darüber im Klaren, dass er statistisch argumentieren musste. Um damit so einfach wie möglich zu beginnen, entwarf er ein Modell des supraﬂuiden Heliums, das aus zwei Komponenten zusammengesetzt war, welche mit einer bestimmten, von der Temperatur abhängenden Wahrscheinlichkeit auftraten. Eine der beiden ﬂüssigen Formen agierte normal (sie hatte normale Fließeigenschaften), und die andere zeigte sich supraﬂuide (die dazugehörige Quantenmechanik und die mathematisch Behandlung der beiden Flüssigkeitsanteile als »Quasiteilchen« bzw. als »elementare Anregungen« übergehen wir an dieser Stelle).

Was Landau besonders an dem supraﬂ uiden Zustand von Helium lockte, war die Beobachtung, dass diese merkwürdige Flüssigkeit besser als jede andere Form der Materie Wärme leiten konnte. Man kann dies im Laboratorium sofort erkennen, weil das Helium in dem Moment, in dem es supraﬂuide wird, eine vollkommen glatte und ruhige Oberﬂäche aufweist. Die Hitze, die etwa in kochendem Wasser in Form von Blasen aufsteigt, weil es ihr sonst zu langsam geht, und wilde Bewegungen verursacht, entweicht im supraﬂuiden Helium allein von dessen Oberﬂ äche, weil sie sich nahezu sofort dorthin begeben kann. Wie Landau erkannte, wurde die Bewegung des supraﬂ uiden Anteils des Heliums nicht durch irgendeinen Transport von Wärme begleitet. Das legte den Gedanken nahe, dass die normale Komponente die Wärme selbst sein konnte, die sich dabei von der Masse, welche die Flüssigkeit ausmachte, abgesondert hatte. Diese Vorstellung weicht natürlich radikal von den traditionellen Ideen ab, die Physiker zum Verständnis von Wärme entwickelt haben und in der sie diese Erscheinung durch die Bewegung von Molekülen deuten (und zwar sowohl qualitativ als auch quantitativ mit größtem Erfolg).

Wenn solche Sätze von einer Person gelesen werden, die Quantenphysik vom Hörensagen kennt, wird sie sich wundern und an die Klage der frühen Quantentheoretiker erinnert: »Ist es auch Wahnsinn, so hat es doch Methode.« Tatsächlich kann einen der Umgang mit den Quantensprüngen und ihren Folgen an den Rand des Wahnsinns treiben, aber wir können uns trotzdem nicht aussuchen, wie es in der Natur zugeht. Landau hatte jedenfalls als Forscher immer wieder Vergnügen, das Quantenhafte ihres Wesens auszukosten, und er konnte sogar ein erstes umfassendes Verständnis des Atomkerns vorlegen, indem er ihn – erneut mit rafﬁnierten Methoden der statistischen Physik – als einen Tropfen beschrieb, der natürlich nicht aus einem klassischen Saft bestehen konnte, sondern vielmehr als »Quantenﬂ üssigkeit« existieren musste.

Landaus tiefes Interesse an Quantenﬂ üssigkeiten wie dem supraﬂuiden Helium hängt übrigens mit seinem dringenden Wunsch zusammen, im sinnlich zugänglichen Bereich des alltäglichen Makrokosmos ein Phänomen zu ﬁnden, das nur durch die Existenz von Quanten erklärt werden kann. Er träumte davon, die Quanten für Laien so erfahrbar und erlebbar zu machen, wie sie es für die Fachleute sind bzw. im Laufe ihrer Arbeit werden. Vielleicht sollte man all die vielen Didaktiker, die sich um einen besseren Physikunterricht bemühen, vor folgende »Landau-Heraus-forderung« stellen: Durch welche Erscheinung zeigt uns die sinnlich zugängliche Welt unmittelbar, dass sie eine Quantennatur hat und dementsprechend Sprünge ausführen muss, um so zu sein, wie sie sich zeigt?

Der Lehrer

Landau war aber nicht nur ein vielseitiger Forscher, sondern auch ein überragender Lehrer. Schon früh hat er sich zum Thema Pädagogik Gedanken gemacht. 1932 war er nach Charkow gegangen, um hier in der Ukraine eine Bildungseinrichtung zu leiten, die aus dem Leningrader Institut, an dem er seine erste Aspirantur bekommen hatte, hervorgegangen war. 1935 wurde der inzwischen immerhin 27-jährige Landau zum Professor für Allgemeine Physik in Charkow, und in dieser Position entwarf er als Lehrer das Konzept eines »theoretischen Minimums«, mit der er die Grundkenntnisse meinte, die jemand in der theoretischen Physik haben muss, um wissenschaftlich erfolgreich arbeiten und forschen zu können.

Er selbst bemühte sich in seinen Vorlesungen um die Vermittlung solch eines Minimums, und er ließ es sich nicht nehmen, persönlich in den Prüfungen herauszuﬁ nden, ob das erhoffte Grundwissen bei den Studenten angekommen war oder nicht. Dabei muss er nicht gerade milde mit den Studenten umgegangen sein, was sie veranlasste, an der Tür zu seinem Büro ein Schild mit dem Hinweis »Vorsicht – bissig« anzubringen.

Im Frühling 1937 wurde Landau nach Moskau geholt. Hier blieb er für den Rest seines Lebens und leitete bis zu seinem Unfall die Theoretische Abteilung des Instituts für Physikalische Probleme, wie es nun einmal in origineller amtlicher Weise heißt. Wissenschaftlich arbeitete er weiter an seiner Beschreibung von Quantenﬂ üssigkeiten, und in pädagogischer Hinsicht verbesserte er ständig seine Vorlesungen. Im Laufe der Jahrzehnte konnten sie dank der Mitarbeit von Jewgeni M. Lifschitz zu einem maßgeblichen und international anerkannten Lehrbuch für Theoretische Physik ausgearbeitet werden, das insgesamt zehn Bände umfasst. Wer Schönheit und Eleganz in der Lehre sucht, wird hier fündig. Das beginnt mit dem ersten Band, der schlicht Mechanik heißt und in seinem zweiten Kapitel über Erhaltungssätze informiert. Auf knappstem Raum führen Landau und Lifschitz vor, wie die Erhaltungssätze der Physik aus elementaren Eigenschaften von Raum und Zeit folgen. Weil die Zeit homogen ist – das Ergebnis eines physikalischen Experiments hängt nicht von der Uhrzeit ab –, stellt die Energie eine Größe dar, für die es einen Erhaltungssatz geben muss. Und weil der Raum ebenfalls homogen anzunehmen ist – die Gesetze der Physik ändern sich nicht, wenn jemand sie weiter links oder rechts prüft –, gilt auch ein Erhaltungssatz für den Impuls. Es ist ein ästhetisches Prinzip, das Landau hier vorführt, da die Homogenität von Raum und Zeit als Symmetrie der entsprechenden Gleichungen dargestellt werden kann. Dann folgt laut Landau aus einer (mathematischen) Symmetrie eine physikalische Konstanz, und solche Einsichten kann und muss man genießen.

Leben und Sterben in Moskau

Landau hat mit dem Verfassen ungewöhnlicher Bücher zur Physik begonnen, sobald er nach Moskau gekommen war, also 1937. Er entwarf damals einen Kurs obshche ﬁ ziki – eine Allgemeine Physik, welche den Leser mit dem physikalischen Denken und den wichtigsten Gesetzen, die ihm zu verdanken sind, vertraut machen sollte. Wer darin liest, wird immer wieder erstaunt sein, auf welchen Wegen man von Landau hinter die Phänomene geführt wird, um sie von da aus besser durchschauen zu können.

Wir wissen inzwischen – etwa durch das Buch Terror und Traum des Historikers Karl Schlögel –, dass das genannte Jahr für Moskau ein markantes Todesdatum darstellt. Stalin wütete und verwüstete von dort aus ein ganzes Land. »Mit dem Jahre 1937 endeten jäh Menschenleben. Es sandte seine Schockwellen durch das ganze Land und war noch weit über die Grenzen hinaus spürbar. Innerhalb eines Jahres wurden an die zwei Millionen Menschen verhaftet, an die 700 000 ermordet, fast 1,3 Millionen in Lager und Arbeitskolonien verschickt«, wie Schlögel feststellen muss.

Wir kennen bis heute kaum den rationalen Kern dieser grausamen Ereignisse, und wir wissen auch nicht, wie weit Landau von ihnen wusste oder was er von ihnen spürte. Wir wissen aber, dass er an die Ideale der Revolution von 1917 glaubte und 1938 ein Flugblatt verfasste, das zum Sturz von Stalin aufrief – mit der Folge, inhaftiert und unsanft behandelt (geschlagen) zu werden. Nur weil der berühmte Physiker Pjotr Kapitza sich persönlich für ihn einsetzte und den politischen Führern erklärte, dass nur Landau in der Lage sei, die moderne Physik zu verstehen, zu lehren und zu fördern, überlebte dieser die Martern, die ihm das sogenannte Volkskommissariat für Innere Angelegenheiten zufügte.

Möglicherweise hat ihn seine Begeisterung für die Physik der Quantenﬂüssigkeiten über die stalinistischen Jahre getragen und geistig gerettet. Es ist zumindest bemerkenswert, dass Landau sie ausgerechnet in den Jahren des Terrors durch die elegante und originelle Einsicht bereichern konnte, dass nicht nur eine Symmetrie die Physik beeinﬂ usst, sondern auch ihre Brechung. Während eine Symmetrie – wie erwähnt – für die Erhaltung einer Größe sorgt, bringt ihre Aufhebung eine Veränderung – etwa ein neues Muster – und somit eine physikalische Wirkung mit sich, die auf diese Weise erklärt werden kann. Als Beispiel für eine Symmetriebrechung kann man sich einen Festkörper vorstellen, in dem zunächst alle Elektronen durcheinanderschwirren und damit eine homogene Verteilung zeigen, bis sie durch ein Absenken der Temperatur in ihrer Aktivität so eingeschränkt werden, dass sie eine Bewegungsrichtung vorziehen. Als Ergebnis entsteht eine messbare Magnetisierung und der Festkörper agiert als sogenannter Ferromagnet.

Das Konzept der Symmetriebrechung wirkt bis in das 21. Jahrhundert hinein. Es liegt längst der modernen Physik von Elementarteilchen zugrunde, und seine Anwendung ist gerade in jüngster Zeit mit Nobelpreisen ausgezeichnet worden. Landau selbst hat ebenfalls den begehrten Preis der Schwedischen Akademie bekommen, und zwar für seine »bahnbrechenden Theorien der kondensierten Materie, insbesondere des ﬂüssigen Heliums«, wie es die Begründung ausdrückt. Allerdings: Die Einladung nach Stockholm kam ausgerechnet 1962, also in dem Jahr, in dem er einen Lastwagen gerammt hatte und mit dem Tode rang. Man musste ihn viermal wiederbeleben, bevor er aus dem Koma erwachte. Sein Leben war für einige Jahre gerettet, aber nach Schweden konnte er nicht mehr reisen. Der Preis kam dafür zu ihm nach Moskau. Das hat ihm immerhin noch ein Lächeln abringen können.

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