Quantenmechanik dank Pollenallergie

Physiker und Nobelpreisträger Werner Heisenberg (1901-1976) (Foto: gemeinfrei)
Physiker und Nobelpreisträger Werner Heisenberg (1901-1976) (Foto: gemeinfrei)

Wer feiern will, muss nicht auf Zahlen wie 100 oder 50 warten. Die 90 tut es auch. Also zurück zu 1925. Was für ein Jahr! Werner Heisenberg gelang einer der bedeutendsten Forschungserfolge des 20. Jahrhunderts, der große wirtschaftliche Konsequenzen nach sich zog. Stichwort Atomphysik. Wer sich danach in der Öffentlichkeit umhört, wird allerdings kaum Antworten bekommen. Schade, eigentlich.

Im Frühjahr 1925 arbeitete der 24-jährige Werner Heisenberg als wissenschaftlicher Assistent an der Universität Göttingen, als der Pollenflug ihm zusetzte. Sein Gesicht zeigte sich von dem ausgelösten Heufieber derart angeschwollen, dass sein Chef, der berühmte Mathematiker und Physiker Max Born, ihn von seinen Dienstpflichten befreite und nach Helgoland schickte. Hier verbrachte der junge Heisenberg die nächsten Wochen, in denen er – in seinen eigenen Worten – den West-östlichen Divan von Goethe auswendig lernte und die Quantenmechanik begründete. Und mit ebenjener Quantenmechanik ließen sich endlich die Atome verstehen, um die sich alle großen Physiker der Zeit – von Max Planck über Albert Einstein bis Niels Bohr – seit Jahrzehnten vergeblich bemüht hatten.

Auf der Reise mit Kolumbus

In seiner Autobiographie "Der Teil und das Ganze" schildert Heisenberg, was in einer langen Nacht auf Helgoland passierte, als er den Weg zu den Atomen fand. Wie Kolumbus auf dem Weg nach Amerika, so hätte er sich gefühlt. Und dessen Erfolg war nur möglich, so Heisenberg, weil Kolumbus selbst dann nicht kehrtmachte, als die Vorräte zuneige gingen und auch für die Heimfahrt nicht mehr reichten. Auch Heisenberg, der sich innerlich auf den Weg nach Amerika machte, wo eine ganz neue Physik auf ihn und die Menschheit wartete, gab alle Gedanken an eine Rückkehr in die klassische Physik auf. Zum Beispiel erwartete er nicht mehr, dass Atome ein Aussehen haben. Die Bahn, die ein Elektron in einem Atom durchläuft, gab es nur in den Köpfen der Physiker. Sie war ihre Erfindung. An dieser Konstruktion konnte nur der etwas ändern, der sich eine neue Form ausdachte.

Wie ging das: In der anvisierten Theorie der Atome benutzte Heisenberg nur Größen, die sich in Messungen ermitteln ließen. Auf alles andere verzichtete er. Bis auf eine Ausnahme, nämlich den Satz von der Erhaltung der Energie, Der besagt, dass die Energie an sich während physikalischer Prozesse weder verbraucht noch erzeugt wird. Sie bleibt stets gleich, auch wenn sie in andere Formen umgewandelt wird, etwa Bewegung in Wärme. Einige Atomphysiker meldeten Zweifel am Energieerhaltungssatz an, Heisenberg hielt daran fest.

Ohne Freiheit ins Atom

Als Heisenberg sich unter diesen Vorgaben von seinen Gedanken zu später Stunde treiben ließ, fühlte er, dass ihm "keine Freiheit" mehr blieb, wie er wörtlich in seiner Autobiografie schrieb. Genau in diesem Augenblick erkannte er, welche Struktur die Atome beschreiben könnte. Es war eine merkwürdige Welt, die sich ihm auftat, sie lag außerhalb der Realität, die Menschen im Alltag erfahren. Mithilfe der neuen Theorie konnte er nun die physikalischen Eigenschaften von Atomen berechnen, aber dies war nur mit imaginären Zahlen möglich, und die könnte kein Messgerät der Erde erzeugen. Atome werden von Größen erfasst, die es in der Realität nicht gibt. Wer anfängt, über die Quantenmechanik nachzudenken, die Heisenberg damals in Umrissen erblickte und die heute zu den Grundkursen des Physikstudiums gehört, kommt aus dem philosophischen Wundern nicht heraus.

Zum ersten Mal verstanden Wissenschaftler nun das Verhalten von Elektronen in Metallen. Etwa die merkwürdige Leitfähigkeit von Halbleitern wie Silizium. Mit diesem Wissen gelang es Wissenschaftlern, den Transistor zu ersinnen. Das Bauelement wird heute milliardenfach pro Tag hergestellt und steckt in Produkten, die einen zweistelligen Prozentsatz der Weltwirtschaft ausmachen. Eisenbahn und Glühbirne konnte man erfinden, ohne die dazugehörigen physikalischen Grundgesetze zu kennen. Den Transistor gibt es nur, weil es die Quantenmechanik gibt. Und die gibt es nur, weil Heisenberg seinen Heuschnupfen auf Helgoland auskurieren durfte.

Wo die Kreativität beginnt

Heisenberg näherte sich der Lösung, weil ihm kein Ausweg im Denken blieb. Wenn dieser Punkt erreicht ist, dann wird Neues entdeckt und kann Kreativität beginnen. Heisenberg hat ihn gefunden und von ihm aus das Wunder der Atomtheorie erklärt, das auch 90 Jahre nach diesen Ereignissen noch viel Anlass zum Staunen bietet. Das innere Amerika steht allen offen. Man muss nur den Mut haben, dorthin aufzubrechen und nicht an Vorräte denken.

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