QM-Darstellungen

von Udo Mutze Gründungsmitglied der PaG e.V.

Der erste Leiter des Astro-Clubs in der Palitzsch-Gesellschaft e.V., Dr. Udo Mutze, stellte bei einem Treffen unserer Astro-Freunde den Lebensweg und die Ansichten des Wissenschaftlers Max Planck vor. Hier lesen Sie eine kurze Zusammenfassung aus dem Vortrag:

Wenn man die Geschichte der wissenschaftlichen Erkenntnis vereinfacht betrachtet, findet man, dass sie sich in mehreren großen Schüben vollzogen hat. Am Anfang jedes Schubes stand meist eine bedeutsame Entdeckung, die das in Erstarrung geratene Geistesleben aufbrach und zu lebhafter Weiterentwicklung antrieb.

  1. G. Palitzsch lebte mitten in einer solchen Schubperiode, die wir heute die Aufklärung nennen. Er konnte mit einem überzeugten Glauben an die Erkennbarkeit der Welt einige Entdeckungen zu dem Mosaik der Welterkenntnis beitragen. Im Info-Heft 6(2001) ist mit Immanuel Kant eine der Geistesgrößen dieser Zeit gewürdigt worden.

Ich möchte nun eines Mannes gedenken, dessen Name ich das erste Mal hörte, als er gerade gestorben war, und ich in einem Volkshochschulkurs über Astronomie in die Wunder der Sternenwelt eingeführt wurde. Max Planck gilt als der Begründer der Quantentheorie, die zusammen mit der Relativitätstheorie von Albert Einstein (1879-1955) am Beginn des 20. Jahrhunderts einen neuen Schub in der Entwicklung der Naturwissenschaften auslöste.

Über seine Beweggründe, sich mit Naturwissenschaften zu befassen, schrieb Max Planck:
„Was mich zu meiner Wissenschaft führte und von Jugend auf für sie begeisterte, ist die durchaus nicht selbstverständliche Tatsache, dass unsere Denkgesetze übereinstimmen mit den Gesetzmäßigkeiten im Ablauf der Eindrücke, die wir von der Außenwelt empfangen, dass es also dem Menschen möglich ist, durch reines Denken Aufschlüsse über jene Gesetzmäßigkeiten zu gewinnen. Dabei ist von wesentlicher Bedeutung, dass die Außenwelt etwas von uns Unabhängiges, Absolutes darstellt, dem wir gegenüberstehen, und das Suchen nach Gesetzen, die für dieses Absolute gelten, erschien mir als die schönste wissenschaftliche Lebensaufgabe.” 1)

Er studierte in München und Berlin Mathematik und Physik. Obwohl er seine Berliner Lehrer Hermann von Helmholtz und Gustav Kirchhoff hoch verehrte, war er aber mit deren Vorlesungen nicht zufrieden. Die ersten wissenschaftlichen Untersuchungen Max Plancks befassten sich mit der Wärmelehre, insbesondere mit der Nichtumkehrbarkeit von Wärmeleitungs- und anderen Ausgleichsvorgängen in der Natur. Zur Beschreibung nutzte er den Begriff der Entropie, um damit die “Vorliebe” der Natur für einen Gleichgewichtszustand auszudrücken. Die darüber im Jahre 1879 vollendete Dissertation brachte ihm jedoch keinen Beifall bei den führenden Wissenschaftlern seiner Zeit.

“Helmholtz hat diese Schrift wohl überhaupt nicht gelesen, Kirchhoff lehnte ihren Inhalt ausdrücklich ab mit der Bemerkung, dass der Begriff der Entropie, deren Größe nur durch einen reversiblen Prozess messbar und daher auch definierbar sei, nicht auf irreversible Prozesse angewendet werden dürfe.” 2)

Auch mit weiteren zu diesem Thema veröffentlichten Arbeiten hatte Planck keinen Erfolg. Schlimmer noch, sein ihm so wichtiger Grundgedanke war kurz vorher schon von dem Amerikaner J. W. Gibbs geäußert worden, so dass der Ruhm dem bereits bekannten Theoretiker und nicht ihm zukam. “Es gehört mit zu den schmerzlichsten Erfahrungen meines wissenschaftlichen Lebens, dass es mir nur selten, ja, ich möchte sagen niemals gelungen ist, eine neue Behauptung, für deren Richtigkeit ich einen zwingenden, aber nur theoretischen Beweis erbringen konnte, zur allgemeinen Anerkennung zu bringen. … Dass meine Behauptung des grundsätzlichen Unterschieds zwischen der Wärmeleitung und dem Gewichtsherabfall schließlich sich als zutreffend erweisen würde, wusste ich ja mit vollkommener Sicherheit. Aber das Ärgerliche war, dass ich gar nicht die Genugtuung erlebte, mich durchgesetzt zu haben, sondern dass die allgemeine Anerkennung meiner Behauptung von einer ganz anderen Seite her herbeigeführt wurde, die mit den Überlegungen, durch welche ich meine Behauptung begründet hatte, in gar keinem Zusammenhang stand, nämlich von der atomistischen Theorie, wie sie durch Ludwig Boltzmann vertreten wurde.” 3)

Erst im Jahre 1889 wurde er schließlich nach dem Tod von Kirchhoff auf dessen Berliner Lehrstuhl berufen. Obwohl ihm nun mehr Beachtung zuteilwurde, musste er doch immer wieder feststellen, wie zählebig alte und überholte Theorien und Vorstellungen sind. “Eine neue wissenschaftliche Wahrheit pflegt sich nicht in der Weise durchzusetzen, dass ihre Gegner überzeugt werden und sich als belehrt erklären, sondern vielmehr dadurch, dass die Gegner allmählich aussterben und dass die heranwachsende Generation von vornherein mit der Wahrheit vertraut gemacht ist.” 4)

Ende der 90er Jahre des 19. Jh. nahm auch Planck an der aufregenden Suche nach einem Strahlungsgesetz teil. Durch Spektralmessungen von Lummer und Pringsheim war die Energieverteilung über die Wellenlängen im Lichtspektrum eines glühenden Körpers bestimmt worden. Es galt nun eine Formel zu finden, die diese Verteilung beschreibt. Als Quelle der Strahlung kamen nur die Atome selbst in Betracht. Während die “Atomisten” unter den Theoretikern (L. Boltzmann, J. Stefan, W. Wien, Lord Rayleigh) die Strahlungsenergie mit der Temperatur in Verbindung zu setzen suchten und damit nur Teilerfolge erreichten, fragte Planck, der in der Atomtheorie eigentlich ein Außenseiter war, nach der Abhängigkeit der Energie von der Entropie des Strahlers.

Und das führte zum Erfolg. Am 19. Oktober 1900 gab er in der Physikalischen Gesellschaft in Berlin sein berühmtes Strahlungsgesetz bekannt, was auch sofort durch neue genaueste Messungen bestätigt wurde. Diese Formel hatte jedoch einen kleinen Schönheitsfehler. Sie enthielt eine Konstante, mit der niemand etwas Rechtes anzufangen wusste.

Aber schon am 14. Dezember 1900, wieder in der Physikalischen Gesellschaft, konnte er eine theoretische Begründung vortragen, die der Konstanten den Rang einer universellen Naturkonstanten zuwies. Sie heißt heute das Planck´sche Wirkungsquantum und bedeutet, dass die Atome die Energie nur in bestimmten kleinen Portionen (Quanten) aufnehmen oder abgeben können. Das war die Geburtsstunde der modernen Atomphysik. Max Planck erhielt 1918 den Nobelpreis für Physik.

Sein fruchtbarer Gedanke der Energiequanten hatte eine schnelle Weiterentwicklung der Atomtheorien zur Folge, an der nun hauptsächlich Plancks Schülergeneration beteiligt war, wie zum Beispiel Niels Bohr (1885-1962), Erwin Schrödinger (1887-1961) und Werner Heisenberg (1901-1976). Aber auch Planck ließen die Konsequenzen seiner Entdeckung keine Ruhe. Wenn die neue Konstante mit der Entropie verbunden ist und diese nur die Wahrscheinlichkeit eines Zustandes beschreibt, wenn also die Natur in der Lage ist, “Sprünge” zu machen, so ist doch zu fragen, ob der Zusammenhang zwischen Ursache und Wirkung, die Kausalität, bis in die kleinsten atomaren Bereiche hinein gültig ist. Allgemein formulierte Planck den Kausalbegriff folgendermaßen: “Ein Ereignis ist dann kausal bedingt, wenn es mit Sicherheit vorausgesagt werden kann. … Das wusste schon jener Landwirt, der den Zusammenhang zwischen Kunstdünger und Bodenfruchtbarkeit den ungläubigen Bauern dadurch ad oculus demonstrierte, dass er auf seinem Kleeacker durch kräftige Düngung gewisser schmaler, zu Buchstaben geformter Streifen den folgenden Satz in deutlich lesbarer Kleeschrift zum Vorschein brachte: >>Dieser Streifen ist mit Gips gedüngt.<<“. 5)

Die Untersuchung der Kausalität veranlasste Planck, sich zunächst mit unserem Weltbild genauer auseinander zu setzen. “Der Aufbau der physikalischen Wissenschaft vollzieht sich auf der Grundlage von Messungen, und da jede Messung mit einer sinnlichen Wahrnehmung verknüpft ist, so sind alle Begriffe der Physik der Sinnenwelt entnommen. Daher bezieht sich auch jedes physikalische Gesetz im Grunde auf Ereignisse der Sinnenwelt. … Aber in der Physik, wie in jeder anderen Wissenschaft, regiert nicht allein der Verstand, sondern auch die Vernunft. Nicht alles was keinen logischen Widerspruch aufweist, ist auch vernünftig. Und die Vernunft sagt uns, dass, wenn wir einem sogenannten Gegenstand den Rücken kehren und uns von ihm entfernen, doch noch etwas von ihm da ist…” 6)

„Durch solche Erwägungen, nicht durch logische Schlussfolgerungen, werden wir genötigt, hinter der Sinnenwelt noch eine zweite, die reale Welt, anzunehmen, welche ein selbständiges vom Menschen unabhängiges Dasein führt, eine Welt, die wir allerdings niemals direkt, sondern stets nur durch das Medium der Sinnenwelt hindurch wahrnehmen können, mittels gewisser Zeichen, die sie uns übermittelt; ebenso wie wenn wir einen Gegenstand, der uns interessiert, nur durch eine Brille betrachten können, deren optische Eigenschaften uns gänzlich unbekannt sind. … Zu diesen beiden Welten, der Sinnenwelt und der realen Welt, kommt nun noch eine dritte Welt hinzu, die wohl von ihnen zu unterscheiden ist: die Welt der physikalischen Wissenschaft, oder das physikalische Weltbild. Diese Welt ist, im Gegensatz zu jeder der beiden vorigen, eine bewusste, einem bestimmten Zweck dienende Schöpfung des menschlichen Geistes und als solche wandelbar und einer gewissen Entwicklung unterworfen.” 7)

„Erstens ist festzustellen, dass es sich bei allen Wandlungen des Weltbildes, im ganzen gesehen, nicht um ein rhythmisches Hin- und Herpendeln handelt, sondern um eine in einer ganz bestimmten Richtung mehr oder weniger stetig aufwärts fortschreitende Entwicklung, die sich dadurch kennzeichnen lässt, dass der Inhalt unserer Sinnenwelt immer mehr bereichert, unsere Kenntnis immer mehr vertieft, unsere Herrschaft über sie immer mehr befestigt wird.” 8)

Die deutliche und konsequente Unterscheidung zwischen den Größen der Sinnenwelt und den gleichbenannten Größen des Weltbildes ist für die Klärung der Begriffe durchaus unerlässlich; ohne sie wird man bei der Diskussion über diese Fragen (der Kausalität, U.M.) stets aneinander vorbeireden.” 9)

Die Annahme einer strengen Kausalität in der Natur hat seit Galilei und Newton die Forscher beflügelt, die Gesetze aufzufinden, nach denen die Vorgänge in der Natur ablaufen, und zwar mit überragendem Erfolg. Aber Max Planck mahnt: “Während in der Sinnenwelt die Voraussage eines Ereignisses immer mit einer gewissen Unsicherheit behaftet ist, verlaufen im physikalischen Weltbild alle Ereignisse nach bestimmten angebbaren Gesetzen, sie sind kausal streng determiniert. … Nach solchen und anderen großen Erfolgen schien begründete Hoffnung vorhanden, dass das Weltbild der klassischen Physik seiner Aufgabe im Wesentlichen gerecht wird und dass die Unsicherheiten, die bei der Übersetzung in die Sinnenwelt und aus der Sinnenwelt übrigbleiben, bei fortschreitender Verfeinerung der Messungsmethoden immer mehr an Bedeutung verlieren würden. Diese Hoffnung ist durch das Auftreten des elementaren Wirkungsquantums mit einem Schlage, und zwar für immer, vernichtet worden.” 10)

Nun folgert Max Planck aus dieser Feststellung nicht etwa, dass das Kausalitätsprinzip ungültig sei, sondern er verlangt eine genauere Überprüfung der aus der Sinnenwelt abgeleiteten Begriffe, mit denen wir Genauigkeit beurteilen. “Die für die Quantenphysik charakteristische, von Heisenberg entdeckte und formulierte sog. Unsicherheitsrelation besagt, dass von je zwei kanonisch konjugierten Größen, wie Lage und Impuls, oder Zeit und Energie, immer nur eine Größe beliebig scharf gemessen werden kann, in der Weise, dass mit dem Grad der Messungsschärfe der einen Größe die Unschärfe der anderen Größe proportional zunimmt. Wenn also die eine Größe absolut genau bestimmt ist, so bleibt die andere Größe absolut unbestimmt.” 11)
Daraus zieht er den Schluss, dass unser Weltbild zu ungenau war. “Und da das Klassische Weltbild versagt hat, ist es durch ein anderes zu ersetzen. … Das neue Weltbild der Quantenphysik ist gerade dem Bedürfnis entsprungen, die Durchführung eines strengen Determinismus auch mit dem Wirkungsquantum zu ermöglichen.” 12)In diesem neuen Weltbild sind Partikel und Welle gleichberechtigte “Abbilder” einer atomaren Größe und es genügt eben nicht mehr, einen Zustand durch Ort und Zeit, also mit vier Koordinaten zu beschreiben, sondern es treten noch weitere Koordinaten hinzu, die nicht mehr anschaulich, sondern nur noch formal als Quantenzahlen in Erscheinung treten. Somit verlagert sich der Nachweis der Kausalität auf die Frage, wie vollkommen oder unvollkommen unser Weltbild ist. Für Max Planck ist die Kausalität “ein Wegweiser, und nach meiner Meinung der wertvollste Wegweiser, den wir besitzen, um uns in dem bunten Wirrwarr der Ereignisse zurechtzufinden und die Richtung anzuzeigen, in der die wissen-schaftliche Forschung vorangehen muss, um zu fruchtbaren Ergebnissen zu gelangen.” 13)

Die strenge Konsequenz im Denken musste Max Planck zu der Frage führen, ob auch das menschliche Leben kausal gebunden sei oder ob der Mensch völlige Willensfreiheit besitzt. “Vom Standpunkt eines idealen alles durchschauenden Geistes betrachtet ist der menschliche Wille, wie überhaupt alles körperliche und geistige Geschehen, kausal vollständig gebunden. Dagegen vom Standpunkt des eigenen Ich betrachtet ist der auf die Zukunft gerichtete eigene Wille nicht kausal gebunden, und zwar deshalb, weil das Erkennen des eigenen Willens selber den Willen immer wieder kausal beeinflusst, so dass hier von einer endgültigen Erkenntnis eines festen kausalen Zusammenhanges gar nicht die Rede sein kann. Man könnte dafür auch kurz sagen: objektiv, von außen, betrachtet ist der Wille kausal gebunden; subjektiv, von innen, betrachtet ist der Wille frei. … Wer dem nicht zustimmen will, der übersieht oder vergisst, dass das eigene Wollen dem eigenen Erkennen niemals restlos untertänig ist, sondern ihm gegenüber stets das letzte Wort behält.” 14)

Die strenge Wahrheitsliebe und wissenschaftliche Redlichkeit sind es, die uns heute noch am Wirken Max Plancks beeindrucken. Auch in der Zeit des Faschismus bekannte er sich zu den Erkenntnissen der Einstein’schen Relativitätstheorie, und der Maßstab für eine Weltan-schauung war für ihn eine reine Gesinnung und ein guter Wille. “Eine Wissenschaft, die nicht fähig oder willens ist, über das eigene Volk hinauszuwirken, verdient nicht ihren Namen.” 15)

Die Zitate sind folgenden, im Verlag J. A. Barth, Leipzig erschienenen, Schriften Max Plancks entnommen:
– Wissenschaftliche Selbstbiographie: (Zitate 1- 4: S. 7, 11, 19/20, 22) und Bild
– Das Weltbild der neuen Physik: (Zitate 6 – 8, ohne Seitenangaben)
– Der Kausalbegriff in der Physik: (Zitate 5, 9 – 13, ohne Seitenangaben)
– Die Physik im Kampf um die Weltanschauung: (Zitate 14, 15, ohne Seitenangaben)

© 2003 Dr. Udo Mutze
Dieser Artikel erschien im Informationsblatt der Palitzsch-Gesellschaft Jg. 4 (2003) Nr. 2