Festvortrag

von Prof. Dr. Walther Gerlach, München

anläßlich der Namensgebung der Schule im Rahmen einer Feierstunde am 22. März 1971

Wer über Max Planck reden darf, muß allein hierfür dankbar sein - erst recht in einer Schule, die seinen Namen trägt. Der Name einer Schule bedeutet mehr als eine Postanschrift; er will eine geistige Patenschaft dokumentieren.

Jede Schule ist ein Ort, an dem Vergangenheit in Zukunft übergeht. Plancks Lebenswerk wurzelt in der klassischen Physik - mit der Entdeckung des Wirkungsquantums um 1900 beginnt ihre Zukunft.

Als Pate einer Schule kann MAX PLANCK mehr sein als der Schöpfer eines neuen Begreifens der Natur, als der Begründer eines neuen Weltbildes: ein MENSCH, der am Ende von seinem Leben sagen konnte: "Es war reine Pflichterfüllung."<

I.

Lassen Sie mich mit einer speziellen Frage aus der Geschichte der Physik beginnen.

Das große Problem des 19. Jahrhunderts war das Wesen des Lichts oder der Strahlung. Bis 1800 kannte man nur die Strahlung, welche von unseren Augen wahrgenommen wird, eben das Licht; die natürlichen Lichtquellen waren Sonne und Sterne, die künstlichen alle genügend hoch erhitzten Körper. Man wußte, daß ein schmales weißes Lichtbündel, das auf ein prismatisch geformtes Glas auffällt, bei geeigneter Stellung des Prismas aus diesem zerlegt in ein divergentes Farbenband von Rot über Gelb, Grün, Blau, Violett austritt: das Spektrum. Der gefärbte Regenbogen kommt durch die Aufspaltung des Sonnenlichtes im Regentropfen zustande.

Was Licht und Farben sind, war 1800 ungeklärt.

In diesem Jahr wurde entdeckt, daß das im Prisma zerlegte Farbband nicht am roten Ende eine Grenze hat. Man hatte nämlich ein physikalisches Experiment gemacht: ein Thermometer, in die verschiedenen Farben gehalten, zeigte eine Erwärmung, also eine Umwandlung von Licht in Wärme an. Eine Erwärmung zeigte das Thermometer aber auch in einem gewissen Bereich jenseits der roten Grenze - man sagte ."Infra-Rot". Man schloß, daß es auch "dunkle", für unser Auge unsichtbare Strahlen gibt und nannte sie Wärmestrahlen. Es war die erste Entdeckung eines Vorgangs der Natur, für welchen wir kein spezifisches Sinnesorgan haben.

Seit Robert Mayers Entdeckung des Prinzips von der Erhaltung der Energie bezeichnet man die Umwandlung von Licht in Wärme als Umsetzung von Strahlungsenergie in Wärmeenergie. Aus der Temperaturerhöhung des Thermometers ergibt sich ein quantitatives Maß für die Energie der Strahlen.

Das Wort "Wärmestrahlung" spielt in Max Plancks Arbeiten die entscheidende Rolle; es bedeutet aber etwas ganz anderes als ursprünglich: nämlich jede Strahlung, welche von jedem Körper - ob fest, flüssig oder Gas - von höherer Temperatur zu einem anderen von tieferer Temperatur übergeht und eine Folge dieser Temperaturdifferenz ist. Man nennt sie deshalb auch Temperaturstrahlung, etwa zur Unterscheidung von dem "kalten Licht" der modernen Reklame- oder Röhrenlampen.

Der Beginn des letzten Jahrhunderts brachte auch die erste Physik des Lichts und der Farben. Alle bekannten Erscheinungen ließen sich phänomenologisch und mathematisch aus der Grundvorstellung ableiten:

Licht wird als Schwingungsvorgang durch den Raum übertragen; das Spektrum des weißen Lichts der Sonne ist ein kontinuierliches Frequenzband. Die Farben unterscheiden sich also ähnlich wie die musikalischen Töne durch die Frequenz der Lichtschwingungen.

Was schwingt aber, wenn sich Licht durch den Raum fortbewegt? Luftschwingungen wie der Schall können es nicht sein, denn Licht kommt durch den materiefreien Weltenraum von Sonne und Sternen zu uns. Diese Frage war falsch gestellt und wurde daher zunächst falsch beantwortet. Das wurde von einer ganz anderen Seite her klar.

1831 entdeckte Michael Faraday die elektromagnetische Induktion, das Grundprinzip aller späteren Elektrotechnik. Sie kennen alle den Transformator: elektrischer Wechselstrom wird aus einer Primärspule durch magnetische Vorgänge im Raum auf eine von ihr völlig getrennte Sekundärspule übertragen.

Die experimentelle und theoretische Analyse dieser Vorgänge führte zu dem Ergebnis: jede Änderung eines elektrischen Zustandes breitet sich in Form von miteinander gekoppelten Schwingungen von elektrischen und magnetischen Feldern durch den Raum aus - und zwar mit Lichtgeschwindigkeit.

1865 stellte Maxwell die Hypothese auf, daß auch die Lichtschwingungen solche elektromagnetischen Schwingungen im Raum sind. In die gleichen Jahre fällt die Begründung der Theorie der Wärme, der Thermodynamik und als ihre Folge die theoretische Untersuchung der eingangs genannten Temperaturstrahlung.

Gustav Kirchhoff zeigte, daß ein geschlossener, gleichmäßig erhitzter Hohlraum, gewissermaßen ein Ofen, durch ein Loch in seiner Oberfläche eine Strahlung höchst einfacher Art aussendet: ihre Gesamtenergie und die Aufteilung der Energie auf die verschiedenen Lichtfrequenzen ist völlig unabhängig von allen materiellen Eigenschaften, allein von der Temperatur bestimmt.

Da das Innere eines Hohlraums, durch ein Loch in seiner Oberfläche betrachtet, schwarz erscheint, nannte er diese Strahlung "Hohlraumstrahlung" oder "schwarze Strahlung".

1888 entdeckte Heinrich Hertz die von Maxwell vorausgesagten elektromagnetischen Schwingungen mit allen Eigenschaften der sichtbaren Lichtschwingungen: die Vollendung der elektromagnetischen Lichttheorie - nebenbei die Begründung der drahtlosen Nachrichtenübermittlung.

Es war die vollkommenste Theorie, die es je gab: Sie umfaßte die Gesamtgebiete der Elektrizität, des Magnetismus und des Lichts.

Bald darauf wurde auch das Kirchhoffsche Problem der Temperaturstrahlung gelöst: die quantitative Berechnung der Verteilung der Energie im Spektrum in Abhängigkeit von der Temperatur, aus den Grundgesetzen der Thermodynamik und Elektromagnetismus - ganz einfach gesagt: man verstand, warum ein geheizter Körper zunächst nur infrarot strahlt, oberhalb von 530 Grad Celsius anfängt, dunkelrot zu leuchten, dann hellrotes, dann gelbes und schließlich bei sehr hoher Temperatur weißes, aus allen Farben zusammengesetztes Licht aussendet - ganz unabhängig von der Art des erhitzten Körpers.

Jetzt interessierte sich der Berliner Professor für Theoretische Physik, Max Planck, für dieses Problem. Wer war er, wie kam er dazu?

II.

Max Planck entstammt einer in Schwaben beheimateten gelehrten Juristenfamilie. Als er am 23. April 1858 geboren wurde, war der Vater Professor der Rechte in Kiel; er ging bald noch München. Der Sohn machte am Max-Gymnasium mit 17 Jahren das Abitur. Seine Neigungen schwankten zwischen Musik, klassischer Philologie und Physik.

Musik stand an erster Stelle; daß er sie nicht als Lebensberuf wählte, ist wichtig für ein Verstehen seines Charakters: Hier könne man es nur bei außerordentlicher Leistung zu etwas bringen; ob man sie erreiche, stelle sich meistens zu spät heraus. So sah er davon ab; aber die Pflege der Hausmusik - er war vor allem ein ausgezeichneter Pianist - spielte stets eine große Rolle. Viele Jahre vereinigte er Kollegen und Freunde in einem A-capella-Chor, oft von ihm selbst geleitet.

Doch zurück zur Studienwahl. Sie fiel auf Physik - wiederum aus einem letzthin sein ganzes Schaffen bestimmenden Grund. Damals 1875 gab es in der Physik nichts sehr Aufregendes; man meinte gar, mit Thermodynamik und Elektromagnetismus sei sie im wesentlichen abgeschlossen. Bestimmend für Planck war ein Lehrer, der die Schüler auf die Bedeutung umfassender, für alle Naturvorgänge gültiger, aber von den speziellen Eigenschaften der an ihnen beteiligten Körper unabhängiger Naturgesetze hinwies. Dies abstrakte Denken entsprach seinem Geist und wohl auch dem in der Familie gepflegten juristischen Denken.

So studierte er zunächst in München wesentlich Mathematik, ein Jahr theoretische Physik in Berlin, da es diese in München noch nicht gab. Dort lehrte der berühmte, aber schon etwas müde gewordene Gustav Kirchhoff, dort hörte er Vorlesungen auch bei dem großen Meister Hermann Helmholtz, der an diesen aber selbst ebensowenig Freude hatte wie seine Zuhörer! Sein eigentlicher Lehrer war das gerade erschienene Buch von Emmanuel Clausius, dem Begründer der mechanischen Wärmetheorie, der Thermodynamik.

Hier fand Planck genau das, was er suchte. Die beiden sogenannten Hauptsätze, der Satz von der Erhaltung der Energie und von der Vermehrung der Entropie, waren Gesetze, die für alle Vorgänge in der Natur gelten, ganz unabhängig davon, um welche Vorgänge es sich handelt.

Aber Clausius' Formulierung des Entropie-Begriffs genügte Planck nicht. Ihre Kritik und Verbesserung ist das selbstgewählte Thema seiner Promotionsarbeit. Er war dabei ganz auf sich angewiesen; der Münchner Physiker hatte kein Interesse daran, eine "Betreuung" von Doktoranden gab es noch nicht. Was Planck damals von sich selbst verlangen mußte, verlangte er später von seinen Schülern - ich glaube, daß es nur drei Doktoranden erfüllten.

Die Dissertation fand nicht die geringste Resonanz. Kirchhoff lehnte sie als Irrweg ab, Helmholtz las sie erst gar nicht, der verehrte Clausius gab nicht einmal eine Antwort auf Briefe.

Fast zwei Jahrzehnte lang mußte Planck seine wirklich tiefere Erkenntnis begründen und wiederholen, bis sie endlich anerkannt wurde.

Es sei wohl kaum möglich - schrieb er einmal - Gelehrte von einer neuen wissenschaftlichen Wahrheit zu überzeugen; man müsse halt warten, bis sie allmählich aussterben und die nächste Generation mit der Wahrheit heranwachst.

Ein so hartes Urteil eines so klugen und so konservativen Mannes wie Planck ist wesentlich für die Beurteilung seiner Zeit. Wir werden aber auch noch erfahren, wie er selbst in diese Konfliktsituation kommen sollte!

Planck ließ sich durch alle Enttäuschungen nicht stören; ruhig, fleißig und unbeachtet ging er seinen Weg weiter, um über dem physikalischen Sinn des Entropiebegriffes zu letzter Klarheit zu kommen; daß er damit den Grundstein für seine spätere große Entdeckung legte, konnte er nicht ahnen.

1885, 27jährig, erhielt Planck - wie er selbst freimütig sagte: durch alte Beziehungen des Vaters zu Kiel - dort eine kleine Professur für theoretische Physik. Dann aber machte ihn ein Buch über den 1. Hauptsatz, das Prinzip der Erhaltung der Energie, so bekannt, daß er schon 1889 als Kirchhoffs Nachfolger auf Wunsch von Helmholtz nach Berlin berufen wurde.

Er aber arbeitete weiter an seiner niemand recht interessierenden Entropie, manche Folgerungen hatten andere gar schon vorweggenommen - man habe ihn überhaupt für ziemlich unnötig gehalten, meinte er selbst. Denn da gab es ja bald die großen Entdeckungen der Röntgenstrahlen, der Radioaktivität und des Elektrons, die Gasentladungen und das Leuchten der Gase und andere aufregende Dinge - aber auch jene genannten Untersuchungen über die Temperaturstrahlung, und in deren Theorie spielte die Entropie eine Rolle.

III.

Wenn erst Clausius und viele andere und dann nochmals Planck jahrelang darüber nachdachten, so werden Sie kaum verlangen, daß man es mit einigen Worten erklären könne; man kann es zwar in kurzen mathematischen Formeln hinschreiben - aber damit ist Ihnen nicht gedient. Ich will versuchen, Ihnen einen Anhaltspunkt zu geben.

Sie wissen: Wärme verwandelt sich in Bewegung (z. B. in der Dampfmaschine), Bewegung verwandelt sich wieder in Wärme (z. B. bei der Reibung). Die Wärmeenergie eines Körpers kann - gleichgültig, wie groß sie, ist - durch Abkühlung verkleinert, durch Erhitzung vergrößert werden. Das alles und noch mehr enthält der 1. Hauptsatz der Thermodynamik. Aber er sagt nichts aus über die Richtung eines spontanen Wärmeübergangs, der zu einem stabilen Gleichgewichtszustand der beteiligten Körper führt. Diese Wärmeleitung betrifft der 1. Hauptsatz.

Sie ist besonderer Art.

Nehmen wir einen wärmeren Körper mit mehr, einen kälteren Körper mit weniger Wärmeenergie; dann geht Wärme von dem wärmeren auf den kälteren Körper über, und zwar nur in dieser Richtung, niemals umgekehrt.

Man kann wohl Wasser aus einer wenig gefüllten Flasche in eine schon fast volle übergießen, aber niemals, auf keinerlei Weise kann Wärme aus einem Körper tieferer Temperatur in einen mit höherer Temperatur hineingebracht werden, ohne daß gleichzeitig anderweitige Veränderungen vor sich gehen - weicher Art auch immer diese Körper und wie groß ihre Temperaturunterschiede sind.

Der Übergang warm nach kalt ist ein nicht umkehrbarer, ein irreversibler Prozeß.

In der mathematischen Formulierung tritt eine Formelgröße auf, welche immer nur zunimmt; diese nannte Clausius Entropie, zu deutsch etwa Umwandlungsgröße.

Die Zunahme der Entropie legt die Richtung aller irreversiblen Naturvorgänge fest, Planck nennt sie "natürliche Prozesse".

Wenn die Entropie eines Systems ihren größten Wert erreicht hat, dann ist dieser Zustand konstant.

>Ein solcher Prozeß ist doch auch die elektromagnetische Wärmestrahlung, auch sie kann niemals von einem kälteren Körper auf einen wärmeren Körper Energie übertragen.

Sie erkennen nun, warum Planck sich auf das Problem der Wärmestrahlung konzentrieren mußte: sie ist ein nur von der Temperatur abhängiger, von allen materiellen Größen unabhängiger Prozeß, für den der übergeordnete Entropiebegriff entscheidend ist.

In 5 großen Abhandlungen 1897/99 wies er nach, daß hier alles in Ordnung ist.

IV.

Da hörte er bei dem wöchentlichen Zusammentreffen der Berliner Physiker, daß verbesserte Messungen der Wärmestrahlung - nämlich der Verteilung der Energie auf die verschiedenen Frequenzen des Spektrums bei verschiedenen Temperaturen - die theoretische Formel nicht bestätigten! Das war äußerst aufregend; schnell wurden mehrere neue Strahlungsformeln entworfen - ohne Erfolg.

Planck, mit seinen Erfahrungen aus 20jähriger Arbeit viel besser vorbereitet als sonst jemand, sah, daß nicht das Prinzip, sondern die Berechnung der Entropie geändert werden müsse; an Thermodynamik und Elektromagnetismus könne ja doch nicht gezweifelt werden!

Durch Probieren fand er eine Formel, welche die neuen Strahlungsmessungen quantitativ ergab. Diese galt es nun, physikalisch zu begründen.

Es gab damals noch eine grundsätzlich andere, von Ludwig Boltzmann stammende, von Planck sehr energisch abgelehnte Begründung der Entropie.

Sie beruhte auf einem Modell der Materie und der Wärme: Wärme ist eine ungeordnete Bewegung der Atome.

Planck, Helmholtz und andere waren entschiedene Gegner der Atomistik; und daß ein elektromagnetisches Strahlungsfeld ein Kontinuum und nichts Atomistisches ist, schien doch gar nicht bezweifelbar. Boltzmanns Überlegung kann man so fassen:

Wegen der ungeordneten Atombewegung gibt es keinen eindeutig definierten Zustand der Materie. Die Wahrscheinlichkeit eines makroskopischen Zustandes wird erhalten durch die Abzahlung aller Möglichkeiten der in ihm enthaltenen ungeordneten atomaren Zustände.

Damit gibt Boltzmann der Entropie und ihrer Zunahme eine anschauliche Deutung: ein Zustand kann von selbst nur in einen wahrscheinlicheren Zustand übergehen, "Ordnung nur in Unordnung", nie umgekehrt.

Vollkommene Unordnung entspricht dem Maximum der Entropie, dem Endzustand,

Eine solche Modellvorstellung ist Planck zuwider; aber wohl oder übel muß er auch diese Entropiedefinition in Betracht ziehen.

Was aber soll man in einem Strahlungsfeld abzahlen - was kann da den diskreten Atomen entsprechen?

Planck macht auch ein Modell: das Innere des Hohlraumstrahlers bestehe aus schwingungsfähigen Gebilden, aus "Planckschen Oszillatoren oder Resonatoren" für alle Frequenzen. Bei Boltzmann kommt es auf die Verteilung der mechanischen energie auf die Atome an, bei Planck auf die Verteilung der elektromagnetischen Schwingungsenergie auf die Resonatoren. Aber der Boltzmannsche atomistische Begriff der Wahrscheinlichkeit von Zustanden ist der elektromagnetischen Theorie fremd - sie ist eine Kontinuumstheorie. Die einzige Möglichkeit seiner Anwendung sieht Planck in der Annahme, daß die Schwingungsenergie der hypothetischen Resonatoren genau so wie eine materielle Masse nicht beliebig unterteilbar ist, sondern aus diskreten abzählbaren Teilen besteht: aus einzelnen "Energieelementen".

Diese Planckschen Energieelemente entsprechen den materiellen Boltzmannschen Atomen.

Für die Bestimmung der Größe des Energieelementes eines jeden Resonators kam einzig und allein dessen Schwingungsfrequenz in Betracht. Geben wir dem Energieelement den Buchstaben e, der Frequenz den Buchstaben n, so schreibt Planck:

e ist proportional n

oder

e ist gleich h x n

Die Größe h, die Proportionalitätskonstante, ist für alle Resonatoren dieselbe, sie ist eine universelle Größe, eine Naturkonstante: die Plancksche Konstante. Sie wird international mit dem von Planck bei seinen Rechnungen gewählten Buchstaben h bezeichnet. Das hat einen bestimmten Grund.

Die von Planck benutzte Boltzmannsche Vorstellung wurde als h-Theorem bezeichnet. Planck mußte das von ihm früher so scharf bekämpfte Boltzmannsche Prinzip annehmen; nun sah er seine Bedeutung und drückte das in der Wohl des Buchstabens h aus.

Vorerst war mit der fremdartigen Annahme der Energieelemente und ihrer genialen zwingenden Durchführung nur die quantitative Übereinstimmung der neuen Theorie mit allen Messungen der Temperaturstrahlung erreicht. - Ich sage "nur": aber es schien doch mehr zu sein; denn wie mehrfach wegen der Wichtigkeit betont, ist die Temperatur- oder Wärmestrahlung ein elementares, von allen materiellen Gegebenheiten unabhängiges Naturphänomen.

Meine Damen und Herren, wenn auch viele von Ihnen mit Sicherheit nicht allem folgen konnten, so trösten Sie sich! In Wirklichkeit ist die Sache noch viel komplizierter und in Einzelheiten nur mathematisch darstellbar.

Aber da jene Plancksche Arbeit vom Dezember 1900 zu einer Neuorientierung des gesamten physikalischen Denkens führte, wollte ich Ihnen doch wenigstens die Begriffe etwas nahebringen, von welchen Sie so oft hören und lesen.

Ich wollte aber auch zeigen, daß das atomistische Energieelement des Resonators nicht so eine vom blauen Himmel gekommene Idee, sondern ein von Planck erkannter physikalischer und mathematischer Zwang, eben der einzige Weg war, um die Ergebnisse der Messung darzustellen.

Dieses erkannt und die Notwendigkeit bis zum letzten durchdacht zu haben, ist das unvergängliche Verdienst von Max Planck.

V.

Plancks Strahlungsformel wurde sofort als geniale Lösung des Problems der Wärmestrahlung anerkannt.

Aber um eine tiefere Bedeutung etwa der Planckschen Konstanten kümmerte sich eigentlich niemand; sie war wohl zu fremdartig, und Planck selbst nannte seine Theorie einen Akt der Verzweiflung.

Sein 1906 erschienenes Lehrbuch "Vorlesungen über die Theorie der Wärmestrahlung" ist in seiner Konzeption völlig klassische Kontinuumsphysik. An einer Stelle weist er darauf hin, daß die Konstante h vielleicht eine noch nicht erkannte universelle Rolle in der Strahlung spiele und nennt sie aus formalen Gründen "Wirkungselernent" oder "elementares Wirkungsquantum"; aber von Strahlungs- oder Lichtquanten, gar von einem neuen Prinzip der Physik, von Quantentheorie, ist noch gar keine Rede.

Gerade damals beginnt der Umschwung. Der junge Albert Einstein hatte bemerkt, daß Untersuchungen über die Abtrennung von Elektronen aus Materie durch Licht - d. h, die Umwandlung von Strahlungsenergie in Bewegungsenergie von Elektronen - bei klassischer Auffassung dem Gesetz der Erhaltung der Energie widersprachen.

Er sieht eine Möglichkeit zur Beseitigung dieser Schwierigkeit in Plancks Strahlungstheorie.

Einstein dachte grundsätzlich atomistisch:. die genannte energetische Wirkung eines "Lichtstrahls" kann verstanden werden, wenn man diesen als bestehend aus Planckschen Energieelementen, aus atomistischen Lichtquanten oder Photonen auffaßt, gerade der Größe h x n. Nach Darlegung mancher Vorteile einer solchen Betrachtung schließt Einstein:

"Die vorstehenden Überlegungen scheinen mir zu zeigen, daß Herr Planck in seiner Strahlungstheorie ein neues hypothetisches Element - die Lichtquantenhypothese - in die Physik eingeführt hat."

Kurz darauf zeigte Einstein, daß man mit der Einführung von Plancks Wirkungsquantum ein großes Rätsel der damaligen Physik in einem ganz anderen Bereich lösen kann, dem der Wärme.

Plancks Aufteilung der Strahlungsschwingungsenergie auf die Planckschen Resonatoren muß auch bei der Aufteilung der Wärmeenergie auf die inneren mechanischen Schwingungen der Atome durchgeführt werden. Das atomistische Energiequant beginnt zum Prinzip zu werden.

An dieser Einführung des Wirkungsquantums in die Physik der Materie hat sich Planck mit wesentlichen Beitragen beteiligt, aber die extreme Einsteinsche Lichtquantenvorstellung war ihm im Grunde seines Herzens zuwider!

Einstein lasse ja mit den Photonen die längst begrabenen Newtonschen Lichtteilchen wieder aufleben. Die zu den stolzesten Erfolgen der Physik überhaupt gehörende elektromagnetische Schwingungstheorie des Lichtes könne doch wegen einzelner, noch anfechtbarer Betrachtungen nicht aufgegeben werden - "Nein, dazu bedarf es doch schwereren Geschützes" schrieb Planck noch 1912 und warnte: "Mit der Einführung des Wirkungsquantums ist so konservativ als nur möglich zu verfahren." Für Planck war Einsteins Lichtquantenvorstellung kurzweg eine Jugendsünde des Schöpfers der Relativitätstheorie. Dieser aber galt vom ersten Tag an sein besonderes Interesse, wieder einer Theorie, die unabhängig von allen materiellen Eigenschaften nur übergeordnete Fragen erfaßt.

Und es ist wenig bekannt, daß Planck nicht nur als erster die Bedeutung dieser neuen Grundlegung der Physik erkannte, sondern ganz wesentliche Beitrage zu ihrer ersten Fundierung lieferte.

VI.

Im Juli 1913 kam jenes schwerere Geschütz in Bohrs erster Atomtheorie. Die nach der klassischen Physik unverstehbare Stabilität der - wie man schon aus Experimenten wußte - aus einem Massenkern und Elektronen zusammengesetzten Atome kann man verstehen "durch Einführung einer der klassischen Physik fremden Größe, des Planckschen Wirkungsqantums".

Plancks Wirkungsquantum wurde der Schlüssel zum Innern der Atome und zu der restlosen Klärung einer anderen, seit gerade 100 Jahren unverstehbaren Strahlung: der - im Gegensatz zur Temperaturstrahlung - für die verschiedenen freien Atome spezifischen diskreten Spektrallinien.

Damals sagte mein Lehrer Paschen in Tübingen zu mir: "Hierin liegt die Physik der nächsten 30 Jahre." Er hatte recht, nur die 30 Jahre waren zu kurz gedacht!

Die Quantentheorie wurde das zentrale Problem der gesamten Physik und der theoretischen Chemie und bald auch für technische Entwicklungen: Leuchtröhren, Halbleiter und Transistoren, und in nächster Zukunft die Supraleitung für die Elektrotechnik, beruhen auf Quantenvorgängen - ganz zu schweigen von der erst jetzt verstehbaren und systematisch entwickelbaren Strahlenmedizin.

VII.

Warum hat man so spat etwas von den Energiequanten gemerkt? Aus dem gleichen Grund, der erst so spät die Realität der alten Atomvorstellung beweisen ließ.

Auch in der kleinsten wägbaren Menge sind außerordentlich viel Atome vorhanden, und die Masse eines Atoms ist außerordentlich klein - anschaulich: 1 Karat Diamant enthält 10 Milliarden Billionen Atome.

Auch die kleinste Masse erscheint uns als Kontinuum. Erst als man Anfang dieses Jahrhunderts lernte, mit kleinen Mengen von Atomen zu experimentieren - wie, das kann ich jetzt unmöglich auch noch erzahlen - erkannte man die atomare Diskontinuität der Materie.

Auch das Plancksche elementare Wirkungsquantum, die Größe h, ist außerordentlich klein; aber die Schwingungsfrequenzen des sichtbaren Lichtes, die Größe n, sind so groß, daß das Produkt h x n, Plancks Energieelement, Einsteins Lichtquant, ein ganz beträchtliches Energiequantum darstellt.

Planck fand es, weil er in seinem Suchen nach letzten Prinzipien auf ein nur von ihm abhängendes makroskopisches Phänomen, die Wärmestrahlung, gestoßen war.

Einstein fand es wieder, weil das durch ein Photon von einem Atom abgelöste Elektron eine Geschwindigkeit von einigen 100 km/sec erhalt. Hierzu noch eine Bemerkung.

Die Röntgenstrahlen haben eine noch rund 10000 mal größere Frequenz, ihre Strahlungsquanten sind also noch 10000 mal größer als die "sichtbaren" Photonen.

Nun versteht man, daß die Physik der Röntgenstrahlen sich erst mit der Quantentheorie entwickeln konnte; in der Tat hat sie die extremsten Bestätigungen der Quantentheorie erbracht.

VIII.

Was ist nun Licht, was sind Energiequanten?

Besteht ein Lichtstrahl - so wie ein Luft- oder Wasserstrahl aus fliegenden Atomen - aus mit Lichtgeschwindigkeit fliegenden "Lichtteilchen"? Daß sich Strahlung irgendeiner Frequenz - ob Radio-, Licht- oder Röntgenstrahlung - von einer Strahlungsquelle im Raum als elektromagnetische Schwingung ausbreitet - daran ist gar nicht zu rütteln, das ist meßbar.

Ebenso sicher ist das andere: bei irgendeiner Wirkung der Strahlung auf Materie - ob Elektronenauflösung, Photographie, Sehvorgang im Auge, Röntgenverbrennung oder was sonst - ist nichts von einer Schwingung zu merken, und auch nicht bei ihrer Entstehung. Beide sind durch Plancks Wirkungsquantum geregelt.

Etwas was der schwingenden Saite entspricht, welche eine materielle SchalIschwingung aussendet, oder dem Ohr, dessen Trommelfell durch die Schwingungen erregt wird, gibt es im Bereich der elektromagnetischen Strahlung oder im Bereich der Atome mit Sicherheit nicht.

Unsere Frage "Was ist Licht?" ist also eindeutig nicht beantwortbar. Je nachdem, ob seine Entstehung und Wirkung oder seine Ausbreitung betrachtet wird, manifestiert sich Licht als ein atomistisches Energiequant - man sagt als "Teilchen":- oder als eine kontinuierliche elektromagnetische Schwingung - man sagt als "Welle".

Teilchen und Welle sind die beiden Aspekte dessen, was wir Licht nennen, miteinander verbunden durch Plancks Wirkungsquantum.

Daß dieser Dualismus ein allgemeines Prinzip der Welt ist, wurde in den zwanziger Jahren entdeckt.

Auch ein Atom, der klassische Begriff eines materiellen Teilchens, verhält sich bei seinem Flug durch den Raum wie eine Welle: die experimentell nachgewiesene "Materiewelle", mit der Teilchenmasse verbunden durch Plancks Wirkungsquantum.

Eine Welle aber ist ein kontinuierlicher, räumlich und zeitlich determinierter Vorgang.

Ein Teilchen - ob Atom- oder Lichtquant - unterliegt den Gesetzen der Wahrscheinlichkeit; und Sie entsinnen sich, daß die Übertragung von Boltzmanns atomarer Wahrscheinlichkeit auf die Strahlung zum Planckschen Strahlungsgesetz und zu dem Wirkungsquantum führte.

Dieser Dualismus der Natur, die Komplementarität zweier sich noch menschlichem Gefühl und noch den Prinzipien der klassischen Physik widersprechender Anschauungen ist in unserer Natur vereinigt:

Das Zusammenspiel zweier Ideologien hält die Natur in Ordnung. Planck ist auch der Begründer eines neuen Weltbildes.

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