Physik im Wandel meiner Zeit

Die Welt ist dem sinnenden Geiste nicht schlechthin gegeben; er muß sich ihr Bild aus unzähligen Empfindungen, Erlebnissen, Mitteilungen, Er= innerungen, Erfahrungen gestalten. Darum gibt es wohl kaum zwei denkende Menschen, deren Weltbild in allen Punkten übereinstimmt.

Die Entdeckung ganzzahliger Gesetze für die Linienspektren ist eine der Wurzeln, aus denen die Quantenmechanik erwachsen ist. Carl Runge war einer der ersten, der die Tragweite der von Balmer im Wasserstoffspektrum gefundenen Regelmäßigkeit erkannte und nach ähnlichen Serien bei anderen Elementen zu suchen begann. Der große Erfolg, der ihm dabei beschieden war, rückt ihn in die Reihe der Forscher, die die experimentellen Grundlagen der Quantentheorie geschaffen haben. Auch die neue Quantenmechanik ist ein Sproß dieser Entwicklung; ist doch eine ihrer Hauptstützen das Kombinationsprinzip der Spektrallinien. Danach scheint es gerechtfertigt, in diesem Runge=Heft einige Betrachtungen über Quantenmechanik anzustellen. Es soll keineswegs ein Bericht über den Stand der Quantenmechanik gegeben werden; ein solcher ist erst kürzlich in dieser Zeitschrift von dem Begründer der neuen Theorie veröffentlicht worden, ein Aufsatz, dessen einziger Mangel darin besteht, daß in der Aufzählung der beteiligten Forscher der Name Heisenberg nicht vorkommt. Vielmehr soll ein Versuch erläutert werden, den Sinn des neuen Formalismus zu verstehen.

Wer die Entwicklung der exakten Naturwissenschaften von außen be=trachtet, dem müssen sich zwei widersprechende Eindrücke aufdrängen: Einmal bietet das Ganze der Naturforschung ein Bild stetigen, gesunden Wachstums, deutlichen Fortschreitens und Aufbauens, sichtbar ebenso in der inneren Vertiefung, wie in der äußeren Anwendung auf die technische Beherrschung der Natur. Dann aber wieder beobachtet man in nicht zu seltener Folge das Auftreten von Erschütterungen der physikalischen Grundvorstellungen, wahre Revolutionen der Begriffswelt, durch die alle frühere Erkenntnis abgetan und eine neue Epoche der Forschung eröffnet zu werden scheint. Der schroffe Wechsel der Theorien steht in merkwürdigem Gegensatz zum kontinuierlichen Fließen und Wachsen des Bereiches der gesicherten Ergebnisse. Um ein paar Beispiele von theoretischen Umwälzungen herauszugreif en: man denke an den ältesten, ehrwürdigsten Zweig der physikalischen Forschung, die Astronomie, und an die Vorstellungen von der Sternenwelt, die wir über Jahrtausende verfolgen können. Zuerst ruht die Erde, eine flache Scheibe im Zentrum der Welt, und um sie bewegen sich die Gestirne in geordnetem Tanz. Dann kommt, etwa gleichzeitig mit der Erkenntnis von der Kugelgestalt und Größe der Erde, das Kopernikanische Weltsystem, das die Sonne in den Mittelpunkt setzt und der Erde eine dienende Rolle unter vielen andern Trabanten des Zentralgestirns anweist. Den Beginn der Neuzeit in der Naturforschung markiert Newtons Theorie der Schwerkraft, die das Planetensystem zusammenhält, und diese Lehre gilt unbestritten etwa zweihundert Jahre. In unsern Tagen aber wird sie durch Einsteins relativistische Gravitationstheorie über den Haufen geworfen, die weder vom heliozentrischen Planetensystem noch von der in die Ferne wirkenden Schwerkraft begrifflieh etwas übrig läßt.

Das mir als Nachfolger von Professor Darwin übertragene Lehramt ist mit dem Namen eines großen Gelehrten der vorigen Generation eng verknüpft, nämlich mit Peter Guthrie Tait. Sein Name war mir schon zu Anfang meiner Studienzeit in Göttingen wohl vertraut geworden, als Felix Klein dort das Haupt einer Gruppe hervorragender Mathematiker war, unter denen sich auch Hilbert und Minkowski befanden. Ich erinnere mich, daß Klein in dem ständigen Bestreben, Physik und Mathematik miteinander zu verknüpfen, keine Gelegenheit vorübergehen ließ, um uns Studenten auf die Wichtigkeit hinzuweisen, den „Treatise an Natural Philosophy“ von Thomson und Tait eifrig zu lesen, so daß diese Abhandlung eine Art heiliges Buch für uns wurde.

Der Gegenstand, den ich behandeln möchte, liegt auf der Grenze zweier Forschungsgebiete; man sollte deswegen erwarten, daß ich mit ihnen beiden vertraut wäre. Obwohl ich mich aber auf ziemlich festem Boden fühle, wenn ich über Physik spreche, so kann ich doch in keiner Weise den Anspruch erheben, ein Fachmann für das zu sein, was üblicherweise in philosophischen Büchern und Vorlesungen unter dem Titel „Metaphysik“ behandelt wird. Was ich davon weiß, sind nur mehr oder weniger deutliche Erinnerungen aus meiner Studentenzeit, aufgefrischt durch etwas sporadische Lektüre. Lange Jahre der Vernachlässigung haben aber den tiefen Eindruck nicht zerstört, den in meiner Jugend auf mich die uralten Versuche gemacht haben, die brennendsten Fragen des menschlichen Geistes zu beantworten: die Fragen nach dem letzten Sinn der Existenz, nach dem Universum in seiner Gesamtheit und der Rolle, die wir darin spielen, nach Leben und Tod, Wahrheit und Irrtum, Tugend und Laster, Gott und Ewigkeit. Aber ebenso tief wie dieser Eindruck von der Wichtigkeit der Probleme ist die Erinnerung an die Vergeblichkeit des Bemühens. Es schien keinen stetigen Fortschritt zu geben, wie wir ihn in den speziellen Wissenschaften finden. Wie so viele andere wandte ich der Philosophie den Rücken und fand Befriedigung auf einem begrenzten Felde, wo Probleme wirklich gelöst werden können. Allein, nun da ich alt werde, fühle ich wie viele andere, deren produktive Kräfte abnehmen, den Wunsch, die Ergebnisse der wissenschaftlichen For= schung, an der ich während mehrerer Jahrzehnte einen kleinen Anteil ge= habt habe, zusammenzufassen. Das führt unausweichlich zurück zu jenen ewigen Fragen, die unter dem Titel „Metaphysik“ laufen.

Ich darf mit einer persönlichen Bemerkung beginnen. Vor 51 Jahren war ich ein junger Student der Naturwissenschaften und ging in mein zweites akademisches Jahr. Damals waren Plancks Strahlungsgesetze und die Quantenhypothese schon mehr als zwei Jahre alt. Aber von diesen wichtigen Ereignissen hörten wir nichts. Wir lernten Newtons Mechanik und ihre Anwendungen und wurden behutsam in die Maxwellsche Theorie des elektromagnetischen Feldes eingeweiht.

Die folgenden Ausführungen sind eine Erwiderung auf den von Erwin Schrödinger im August und November 1952 in „The British Journal for the Philosophy of Science“ veröffentlichten Artikel „Gibt es Quantensprünge? (Teil I und II)“. Eine Diskussion über dieses Thema war für die am B. Dezember 1952 stattfindende Versammlung der Philosophy of Science Group in Aussicht genommen, und ich war aufgefordert worden, die Aussprache zu eröffnen. Ich hatte diese ehrenvolle Einladung nicht ohne Bedenken angenommen, denn ich finde es peinlich, eine Meinungsverschiedenheit in einer so fundamentalen Frage mit einem meiner besten und ältesten Freunde öffentlich auszutragen. Zur Annahme bewogen mich schließlich verschiedene Gründe: Erstens bin ich der Überzeugung, daß keine Meinungsverschiedenheit in physikalischen Dingen unsere Freundschaft erschüttern könnte. Zweitens wußte ich, daß andere gute und alte Freunde von gleichem wissenschaftlichen Range wie Schrödinger meine Ansicht teilen, z. B. Niels Bohr, Heisenberg und Pauli. Der dritte und wichtigste Grund, die Diskussion der Schrödingerschen Publikation anzunehmen, war der, daß ihr unleugbarer literarischer Wert, die Weite des historischen und philosophischen Gesichtskreises und die geistreiche Darstellung einen verwirrenden Einfluß auf diejenigen Leser ausüben könnte, die, ohne selber Physiker zu sein, sich für die allgemeinen Gedankengänge der Physik interessieren.

Die Vorstellung von der Wirklichkeit in der physikalischen Welt ist im Laufe der letzten 100 Jahre etwas problematisch geworden. Der Gegensatz zwischen der einfachen und offenkundigen Realität der zahllosen Instru= mente, Arbeitsmaschinen, Kraftmaschinen und Apparate aller Art, welche die Industrie herstellt und welche im Grunde angewandte Physik sind, und der dunklen und abstrakten Bedeutung der physikalischen Grund= begriffe, wie Kräfte und Felder, Teilchen und Quanten, ist zweifellos verwirrend. Es hat sich bereits zwischen reiner und angewandter Natur= wissenschaft und zwischen deren Vertretern eine Kluft gebildet, welche zu einer gefährlichen Entfremdung führen kann. Die Physik braucht eine zusammenfassende Philosophie, die sich in der Umgangssprache aus= drücken läßt, um diese Spaltung der „Wirklichkeit“, wie man sie sich in der Theorie und der Praxis denkt, zu überbrücken. Ich bin kein Philosoph, sondern ein theoretischer Physiker. Ich vermag keine wohlausgewogene Naturphilosophie zu bieten, welche die Ideen der verschiedenen Richtungen in angemessener Weise berücksichtigen würde; ich möchte nur einige Ge= danken darlegen, die mir bei meiner eigenen Auseinandersetzung mit diesen Problemen geholfen haben.

Die Gesetze der klassischen Mechanik und nach ihrem Vorbild die der ganzen klassischen Physik sind so beschaffen, daß, wenn die Variablen eines abgeschlossenen Systems in einem Anfangszeitpunkt gegeben sind, sie für jede andere Zeit berechnet werden können — wenigstens im Prinzip; denn die mathematische Durchführung übersteigt in den meisten Fällen mensch= liche Kräfte. Dieser deterministische Gedanke hat eine große Anziehungs= kraft auf viele Denker ausgeübt und wurde zu einem wesentlichen Teil der naturwissenschaftlichen Philosophie. Die moderne Physik aber hat den Determinismus mit andern überkommenen Lehren über Raum, Zeit und Materie unter dem Druck neuer empirischer Erkenntnisse aufgeben müssen. Die Quantenmechanik, die an die Stelle der Newtonschen Mechanik getreten ist, erlaubt nur statistische Aussagen über das Verhalten von Masse= teilchen. Die große Mehrzahl der Physiker hat sich mit dieser Sachlage abgefunden; denn sie entspricht genau der empirischen Situation in der Atom= und Kernphysik, wo die Experimente im wesentlichen auf Zählun= gen von Ereignissen beruhen. Unter den Theoretikern aber sind einige, die sich damit nicht zufrieden geben, und zwar sind es gerade einige der großen Männer, denen die Quantentheorie ihre Entstehung und Entwick= lung verdankt. Soviel ich weiß, war Planck selbst immer skeptisch gegen über der statistischen Deutung der Quantenmechanik. Von Einstein gilt das gleiche; er hat bis heute nicht aufgegeben, den Widersinn dieser Deu= tung durch raffinierte Beispiele nachzuweisen (wobei er übrigens noch mehr Anstoß nimmt an der Auflösung des Begriffs der physikalischen Realität, die mit der Aufgabe des Determinismus eng zusammenhängt). Schrödinger geht noch weiter und schlägt vor, den Begriff von Teilchen (Elektronen, Kernen, Atomen etc.) zu opfern und die Physik ganz und gar auf die Vorstellung von Wellen aufzubauen, die dann nach der Wellen= mechanik deterministischen Gesetzen gehorchen. de Broglie (und andere) gehen den umgekehrten Weg; sie verwerfen die Wellen und versuchen eine Umdeutung der Quantenmechanik, bei der im Prinzip alles determiniert ist und nur durch das Vorhandensein verborgener, nicht beobachtbarer Para= meter eine Unbestimmtheit der Vorhersagen entsteht. — Keiner von ihnen leugnet, daß die Quantenmechanik im Bereiche ihrer Zuständigkeit (d. h. abgesehen von der Theorie der Elementarteilchen) im Einklang mit der Er= fahrung ist und allen Anforderungen der Experimentatoren genügt. Die Ablehnung wird in jedem Falle damit begründet, daß die übliche Deutung der Quantenformeln unklar und philosophisch unbefriedigend ist.

Die Arbeiten, für die mir die Ehre des Nobelpreises für das Jahr 1954 zuteil geworden ist, enthalten keine Entdeckung einer neuen Naturerscheinung, sondern die Begründung einer neuen Art, über Naturerscheinungen zu denken. Diese Denkweise hat sich in der experimentellen und theoretischen Physik in solcher Weise durchgesetzt, daß es kaum möglich scheint, darüber noch etwas zu sagen, was nicht schon oft gesagt worden ist. Und doch gibt es einige besondere Gesichtspunkte, die ich bei dieser, für mich so festlichen Gelegenheit, erörtern möchte. Der erste Punkt ist dieser: Die Arbeiten der Göttinger Schule, der ich damals in den Jahren 1926 und 1927 vorstand, trugen bei zur Lösung einer intellektuellen Krise, in die unsere Wissenschaft durch Plancks Entdeckung des Wirkungsquantums im Jahre 1900 geraten war. Heute ist die Physik in einer ähnlichen Krise — ich meine hier nicht ihre Verwicklung in Politik und Wirtschaft durch die Beherrschung einer neuen furchtbaren Naturkraft, sondern ich denke an die durch die Kern= physik gestellten logisch=erkenntnistheoretischen Probleme. Vielleicht ist es gut, in solcher Zeit sich zu erinnern, was früher in ähnlicher Lage geschah, zumal dies Geschehen nicht eines gewissen dramatischen Effekts entbehrt. — Zum zweiten, wenn ich sagte, die Physiker hätten die damals von uns entwickelte Denkweise angenommen, so war ich nicht ganz korrekt: es gibt ein paar sehr bemerkenswerte Ausnahmen, und zwar gerade unter den Männern, die am meisten zum Aufbau der Quantentheorie beigetragen haben. Planck selbst gehörte zu den Skeptikern bis zu seinem Tode. Einstein, de Broglie und Schrödinger haben nicht aufgehört, das Unbefrie= digende der statistischen Interpretation der Quantenmechanik zu betonen und die Rückkehr zu den Vorstellungen der klassischen, New tonschen Physik zu fordern und Wege vorzuschlagen, wie dies ohne Widerspruch gegen die experimentellen Tatsachen gemacht werden könnte. Man kann so gewichtige Stimmen nicht ungehört lassen. Niels Bohr hat sich viel Mühe gegeben, die Einwände zu widerlegen. Auch ich habe über sie nachgedacht und glaube, einiges zur Klärung der Sachlage beitragen zu können. Es handelt sich hier um das Grenzgebiet zwischen Physik und Philosophie,und so wird mein physikalischer Vortrag zum Teil historisch, zum Teil philosophisch gefärbt sein, wofür ich Ihre Nachsicht erbitte.

Mir ist der ehrenvolle Auftrag zuteil geworden, über Physik und Relativität zu sprechen anstelle von Niels Bohr, der verhindert ist, nach Bern zu kommen. Ich weiß natürlich nicht, was Bohr sich bei der Wahl dieses Themas gedacht hat. Es ist mir nicht erinnerlich, daß wir jemals über Relativität gesprochen haben; es gab da nichts zu diskutieren, da wir in allen wesentlichen Punkten einer Meinung sind.

Der Herr Landesbischof D. Lilje hat mir die große Ehre erwiesen, mich einzuladen, zu Ihnen über das Atomzeitalter zu sprechen, seine Entwick= lung und sein Wesen. Damit ist, wie ich glaube, nicht gemeint, daß ich Ihnen einen Vortrag über die physikalischen Entdeckungen und deren tech= nische Anwendungen halten soll, sondern daß ich den Versuch machen soll, die Entwicklung und Auswirkung dieser Entdeckungen im Rahmen der menschlichen Geschichte darzustellen. Ein Naturforscher aber hat wenig Zeit für geschichtliche Studien. Andererseits habe ich in meinem Leben von über 70 Jahren einen Ausschnitt der modernen Geschichte mitgemacht und über sie nachgedacht. Auch habe ich allerlei Bücher gelesen oder wenigstens durchflogen, die mir bei diesem Unternehmen helfen können. So erinnere ich mich aus meiner Jugend an Spenglers „Untergang des Abendlandes“. Ich habe auch etwas in Arnold Toynbees Riesenwerk gestöbert und einige Punkte mit ihm selbst diskutiert, als wir einmal in Edinburgh zusammen. trafen. Ich nenne diese beiden Namen zusammen, weil sie den Standpunkt vertreten, daß es in der menschlichen Geschichte Regelmäßigkeiten, Gesetz. mäßigkeiten gibt, die man durch vergleichendes Studium verschiedener Völkergruppen und Zivilisationen herausfinden kann. Auf der andern Seite beruht das, was ich von der europäischen Geschichte weiß, im wesentlichen auf der Lektüre von H. A. L. Fishers „European History”, einem Buch von wunderbarer Knappheit und Eindringlichkeit. Fisher aber sagt in seiner Einleitung: „E i n e intellektuelle Befriedigung ist mir versagt. Männer, die klüger und gelehrter sind als ich, haben in der Geschichte ein Thema, einen Rhythmus, eine vorbestimmte Ordnung entdeckt. Diese Harmonien haben sich mir nicht enthüllt. Ich sehe nur, daß eine Bedrängnis der andern folgt, wie Welle auf Welle heranrollt; ich sehe nur einen gewaltigen Tatbestand, auf den man keine allgemeinen Schlüsse gründen kann, weil er einmalig ist. Ich finde nur eine verläßliche Regel für den Geschichtsschreiber: Daß er im Ablauf der menschlichen Geschichte das Spiel des Zufalls und des Unvorhersehbaren sehen soll. Das ist keine zynische Lehre, kein Ausdruck der Verzweiflung. Die Tatsache des Fortschritts ist klar und groß einge= schrieben auf die Seiten der Geschichte; aber Fortschritt ist kein Natur=gesetz. Der Boden, den eine Generation gewonnen hat, mag von der näch. sten verloren werden; die Gedanken der Menschen mögen sich in Bahnen bewegen, die zu Unheil und Barbarei führen.“

In den zwei Dezennien, die ich im Auslande verbracht habe, hat sich viel verändert in der Physik. Sie ist nicht mehr die stille, reine Wissenschaft von dazumal, sondern ein entscheidender Faktor in der Machtpolitik der Staaten. Ich habe den Umschwung, der durch Hahns Entdeckung der Uranspaltung ausgelöst wurde, nur als Zuschauer mitgemacht. Es scheint mir, daß diese ganz veränderte Lage den Physikern in Deutschland weniger bewußt ist als in den angelsächsischen Ländern. Dort kann keiner der Gewissensfrage ausweichen, wie weit er mitwirken will an der Entwicklung von Kräften, die den Bestand der zivilisierten Menschheit gefährden. Ich habe mich oft gefragt, wie Lord Rutherford,der eigentliche Begründer der Kernphysik, sich verhalten würde. Er war gewiß ein Patriot und hat im ersten Weltkrieg an der Verteidigung seines Landes mitgearbeitet. Aber er zog Grenzen. Als ich 1933 nach Cambridge kam, war dort auch Fritz Haber, krank und seelisch gebrochen durch die Vertreibung aus seinem Vaterlande. Ich versuchte, ihn mit Rutherford zusammenzubringen; aber dieser lehnte ab, dem Urheber der chemischen Kriegsführung die Hand zu schütteln. Wie würde er sich heute verhalten? Der Macht seiner Persönlichkeit wäre es vielleicht gelungen, die bedingungslose Auslieferung der neuen Zerstörungsmittel an die Politiker und Militärs zu verhindern. Die führenden Physiker in Amerika haben dies versucht, aber ohne Erfolg. Das Dokument, in dem sie die amerikanische Regierung vor der Anwendung der Atombombe gegen volkreiche Städte warnten und die politischen und moralischen Folgen richtig vorhersagten, ist bekannt unter dem Namen Franck-Report nach dem Vorsitzenden, meinem alten Freunde James Franck.

Die Einladung zur 50. Wiederkehr des Tages, da Einsteins erste Arbeit über das Lichtquant („Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt“) erschien, an dieser Stelle zu sprechen, war mir eine große Auszeichnung, und ich sah es als eine Ehrenpflicht an, sie anzunehmen. Denn einmal ist meine Freundschaft mit Einstein auch fast ein halbes Jahrhundert alt, und zum andern war Berlin die erste Universität, wo ich eine Professur innehatte, und der einzige Ort, wo ich einige Jahre neben Einstein wirkte und in stetem Umgang mit ihm lebte. — Aber dann kamen mir auch Bedenken. Als ich vor 1¹/2 Jahren von meinem Lehrstuhl in Edinburgh wegen Erreichung der Altersgrenze zurücktrat, habe ich beschlossen, keinen aktiven Anteil mehr an der physikalischen Wissenschaft zu nehmen (abgesehen von der Fertigstellung von zwei Büchern, die lange vorher begonnen waren und von denen eines inzwischen erschienen ist); ich habe mich an einen stillen Ort ohne Universität und ohne Bibliothek zurückgezogen und den größten Teil meiner eigenen Bücher und Zeitschriften verkauft. So fehlt mir alles literarische Handwerkszeug, um mein Gedächtnis wieder aufzufrischen. Und doch wollte ich mich dem Rufe nicht entziehen. Sind doch nur wenige theoretische Physiker noch am Leben, die das aufregende, großartige Schauspiel der Entstehung der modernen Physik von Anfang an miterlebt haben. Wenn Sie daher in Kauf nehmen wollen, daß meine Erzählung im wesentlichen auf Erinnerung beruht und vielleicht in einigen Punkten nicht ganz richtig sein mag, so will ich versuchen, die ersten Jahre dieses Jahrhunderts in der Physik und Einsteins Anteil an ihrer Entwicklung, insbesondere der Lichtquanten-Vorstellung, zu schildern.

Wir haben das Ende unserer Forschungsreise in die Tiefe der Materie erreicht.

Wenn heute jemand, der kein Physiker, Astronom oder Chemiker ist, ein Lehrbuch oder eine Abhandlung aus einem dieser Gebiete in die Hand nimmt, so ist er gewöhnlich betroffen von der Fülle mathematischer und anderer Symbole und dem Mangel an Beschreibungen von Naturvorgängen. Selbst die Apparaturen werden nur symbolisch durch Diagramme angedeutet. Soll das Naturwissenschaft sein? Wo steckt in dem Formelkram die lebendige Natur? Wie hängen die physikalischen und chemischen Symbole mit der erlebten Wirklichkeit zusammen?

„Hoffnung“ ist ein Wort, das man in der physikalischen Literatur kaum findet. Eine Abhandlung beginnt mit der Planung eines Experiments oder einer Theorie aufgrund einer Erwartung. Aber von Hoffnung ist schwerlich die Rede.

Von Einstein habe ich schon öfters erzählt. In dem vorliegenden Buche sind drei Aufsätze über Einstein enthalten, von denen einer den Titel „Erinne= rungen an Einstein“ hat. Daß ich noch einmal zu diesem Thema spreche, hat seinen Grund darin, daß ich in der Muße meines Alters die Briefe vor= genommen habe, die mir Einstein im Laufe des Lebens geschrieben hat. Es sind mehr als fünfzig, kurze und lange. Ich habe sie mir alle abgeschrieben, um ihre Erhaltung besser zu sichern. Dadurch wurde mir der Freund wieder so lebendig, daß ich ihn leibhaftig vor mir sah, seine Stimme und sein wunderbares Lachen hörte.