Geschichte der Quantenphysik
Hier finden Sie eine kurze Zusammenfassung der Geschichte der Quantenphysik sowie einen Überblick über wichtige historische Personen, die im Bereich der Quantenphysik an der LMU tätig waren.
Hier finden Sie eine kurze Zusammenfassung der Geschichte der Quantenphysik sowie einen Überblick über wichtige historische Personen, die im Bereich der Quantenphysik an der LMU tätig waren.
In den 1870er Jahren waren viele Physiker der Meinung, dass beinahe alles in der Physik bereits erforscht und fast alle Fragen beantwortet wären. In wenigen Jahren, so die weit verbreitete Meinung, würden Physiker sich nur noch damit beschäftigen, physikalische Konstanten genauer zu vermessen und ihnen eine weitere Nachkommastelle anzufügen. Eine der wenigen noch offenen Fragen war dabei das Problem der Schwarzkörperstrahlung. Dabei suchte man nach einer Formel, die den Zusammenhang zwischen der Temperatur eines strahlenden Körpers (wie z.B. einer heißen Herdplatte) und dem von ihm abgestrahlten Spektrum genau beschreibt. Max Planck löste dieses Problem 1900 mit seinem Strahlungsgesetz. Dort tauchten erstmals sogenannte Quanten auf. Das heißt, Energie kann nicht in jeder beliebigen Menge, sondern nur in bestimmten Energiepaketen abgegeben werden. Wenige Jahre später verwendete Einstein ebendiese Idee der Energiequanten, um den Photoelektrischen Effekt zu erklären, wofür er 1921 den Nobelpreis in Physik erhielt.
1911 führte Ernest Rutherford seinen Streuversuch durch und entdeckte dabei, dass Atome aus einem positiv geladenen Kern bestehen, der von Elektronen umkreist wird. Das stellte die Physiker vor ein neues Problem, da erst einmal niemand erklären konnte, weshalb Atome stabil sind und die negativ geladenen Elektronen nicht einfach in den positiv geladenen Kern hineinstürzen. Zwei Jahre später veröffentlichte Niels Bohr sein Atommodell, in dem er diese Frage beantwortete. Seinem Modell zufolge kann der Bahndrehimpuls der Elektronen nicht jeden beliebigen, sondern nur bestimmte Werte annehmen. Die Elektronen bewegen sich also auf festgelegten Bahnen um den Atomkern. Mit diesem Modell konnte Bohr außerdem einige Spektrallinien sowohl von Wasserstoff als auch von einfach positiv geladenem Helium erklären. Niels Bohr erhielt 1922 den Nobelpreis für Physik. Das Bohr‘sche Atommodell wurde 1916 von Sommerfeld zum Bohr-Sommerfeldschen Atommodell erweitert. Mit Einführung der Feinstrukturkonstante gelang es Sommerfeld hierbei nun auch die Feinstruktur des Wasserstoffspektrums zu erklären. Was allerdings immer noch niemand erklären konnte, war warum sich die Elektronen im Atomkern nur auf bestimmten Bahnen bewegen und nicht jede beliebige Energie annehmen können. Auf diese Frage bot der französische Physiker Louis de Broglie einige Jahre später in seiner Doktorarbeit 1924 eine Antwort. Er beschrieb Elektronen und andere Teilchen als stehende Wellen, die nur mit bestimmten Frequenzen auftreten können und präsentierte eine Formel um die Wellenlänge der Teilchen zu berechnen. Damit wendete er den Welle-Teilchen-Dualismus, der bis dahin nur für Photonen bekannt war auch auf klassische Teilchen an. Nachdem der Wellencharakter von Elektronen 1927 und 1928 durch zwei unabhängige Experimente nachgewiesen worden waren, erhielt Louis de Broglie 1929 den Nobelpreis in Physik.
Basierend auf einer Theorie von Werner Heisenberg entwickelten er, Max Born und Pascual Jordan 1925 eine allgemeine Formulierung der Quantenmechanik mit Matrizen, einem mathematischen Konzept, das bis dahin kaum ein Physiker und nur wenige Mathematiker kannten. Paul Dirac lieferte im selben Jahr ebenfalls ausgehend von Heisenbergs Theorie eine ähnliche Formulierung mit Operatoren. Erwin Schrödinger, der wie viele andere Physiker die Matrizen und Operatoren als kompliziert und sperrig empfand, entwickelte eine Wellengleichung zu den von de Brogli postulierten Materiewellen. Mit dieser Gleichung konnte er die Energiezustände eines Atoms ebenso gut beschreiben wie es mit Matrizen und Operatoren möglich war. Einige Monate später entdeckte er, dass seine Formulierung in der die Elektronen als Wellen beschrieben wurden und Heisenbergs Theorie in der von Teilchen ausgegangen wird, mathematisch gleichwertig sind. Für die Begründung und Weiterentwicklung der Quantenmechanik erhielten Werner Heisenberg 1932 und Erwin Schrödinger und Paul Dirac 1933 den Nobelpreis für Physik. Im Dezember 1925 formulierte Wolfgang Pauli das nach ihm benannte Ausschließungsprinzip und führte eine weitere Quantenzahl ein, um die Hyperfeinstruktur der Absorptionslinien in Atomspektren zu erklären. Diese Quantenzahl, die nur die Werte 1 und -1 annehmen kann wurde als Spin der Elektronen in der Atomhülle gedeutet. Für seine Arbeit erhielt er 1945 den Nobelpreis für Physik. Im Jahr darauf interpretierte Max Born die von Schrödinger formulierten Wellenfunktionen um. Er deutet sie als Aufenthaltswahrscheinlichkeiten der Teilchen und nicht als Massen- oder Ladungsverteilung. Dafür erhielt er 1954 den Nobelpreis für Physik. Zusammen mit der 1927 von Heisenberg entwickelten Unschärferelation und Bohrs Komplementaritätsprinzip bildete diese Wahrscheinlichkeitsinterpretation die Grundlage der „Kopenhagener Deutung“ der Quantenmechanik.
Max Planck wurde am 23. April 1858 in Kiel geboren. Als er neun Jahre alt war, zog die Familie nach München, wo der Vater den Lehrstuhl für Zivilprozessrecht an der Ludwig-Maximilians-Universität übernahm. Nach dem Abitur überlegte Max Planck ein Physikstudium zu beginnen, wovon ihm der Physik Professor Philipp von Jolly aber dringend abriet. Er erklärte, dass in der Physik schon fast alles erforscht sei und es nur noch ein paar kleine Lücken zu schließen gelte. Mit dieser Meinung war er damals nicht allein und viele Physiker waren zuversichtlich, dass es in Zukunft hauptsächlich darum gehen würde, Naturkonstanten genauer zu vermessen und einige weitere Nachkommastellen zu bestimmen. Im Herbst 1874 begann Max Planck trotz dieser Warnung Physik und Mathematik an der Ludwig-Maximilians-Universität in München zu studieren. Nach drei Jahren zog er nach Berlin, wo er sein Studium im Alter von 20 Jahren beendete. Er promovierte 1879 und reichte ein Jahr später seine Habilitationsschrift ein. Anschließend war er einige Jahre als Privatdozent an der LMU München und als außerordentlicher Professor für theoretische Physik an der Christian-Albrecht-Universität in Kiel tätig.
1889 wurde er an die Friedrich-Wilhelms-Universität in Berlin berufen, wo er sich ab 1894 dem Problem der Schwarzkörperstrahlung widmete. Bei diesem Problem, das 1859 von Gustav Kirchhoff formuliert worden war, wurde nach einer Formel gesucht, die den Zusammenhang zwischen der Temperatur und dem abgestrahlten Spektrum eines strahlenden Körpers genau beschreibt. Bekannt waren bis dahin nur das Rayleigh-Jeans Gesetz, das aber nur bei kleinen Frequenzen mit den Messungen übereinstimmt und das Wien‘sche Strahlungsgesetz, das den Bereich der hohen Frequenzen beschreibt. 1900 veröffentlichte Max Planck sein Strahlungsgesetz, das den gesamten Spektralbereich korrekt beschreibt, allerdings nur unter der Annahme, dass die Energie nur in bestimmten Mengen (Quanten) vorkommt. In der Formel wird diese Quantisierung durch die Konstante h sichtbar, die Planck in einem „Akt der Verzweiflung“ einführte. Er selbst hielt die Quanten für „…eine rein formale Annahme, ich dachte mir eigentlich nicht viel dabei…“ und versuchte jahrelang vergeblich, die Quanten wieder loszuwerden. Trotz seiner eigenen Skepsis begründete Planck mit seiner Quantenhypothese die moderne Physik und der 14.12.1900 an dem er in einem Kolloquium der Deutschen Physikalischen Gesellschaft seine Erkenntnis präsentierte gilt als die Geburtsstunde der Quantentheorie. Im Jahr 1918 erhielt er für seine Quantentheorie den Nobelpreis für Physik.
Arnold Sommerfeld wurde am 05.12.1868 als Sohn eines praktischen Arztes in Königsberg geboren. Nach dem Abitur begann er 1886 Mathematik in Königsberg zu studieren, an einer der ersten Hochschulen mit theoretischer Physik als eigenständigem Fach. 1891 promovierte er dort zu einem Thema aus dem Bereich der mathematischen Physik. Nach seinem Militärdienst ging er 1893 als Assistent an die Universität Göttingen, wo er nach Verfassen seiner Habilitationsschrift Privatdozent für Mathematik wurde. Nachdem er einige Jahre an der Bergakademie Clausthal und der RWTH Aachen unterrichtet hatte, wurde er 1906 schließlich Professor für theoretische Physik an der Ludwig-Maximilians-Universität München, wo er ein bedeutendes Zentrum für theoretische Physik schuf. Viele spätere Nobelpreisträger zählten zu seinen Schülern. Darunter unter anderem Werner Heisenberg und Wolfgang Pauli.
1916 erweiterte Arnold Sommerfeld das von Niels Bohr erstellte Atommodell zum Bohr-Sommerfeldschen Atommodell. Durch Einführung der Feinstrukturkonstante konnte er mit diesem Modell nun auch die Feinstrukturaufspaltung in den Spektrallinien des Wasserstoffatoms erklären. 1935 trat Sommerfeld in den Ruhestand und wünschte sich Werner Heisenberg als Nachfolger für seinen Lehrstuhl. Doch die Vertreter der „Deutschen Physik“ waren dagegen. Sie bezeichneten die theoretische Physik mit Einsteins Relativitätstheorie und der Quantenphysik als „undeutsch“ und setzten Wilhelm Müller, den laut Sommerfeld schlechtesten Kandidaten überhaupt, durch. Arnold Sommerfeld starb 1951. Er wurde insgesamt 84 mal für den Nobelpreis in Physik vorgeschlagen, erhielt ihn aber nie. Er starb 1951 bei einem Verkehrsunfall. Sein Grab befindet sich auf dem Nordfriedhof in München
Wolfgang Pauli kam am 25. April 1900 zur Welt, im selben Jahr, in dem Max Planck eine Formel zur Beschreibung der quantisierten Schwarzkörperstrahlung fand. Pauli wurde die Physik in die Wiege gelegt, denn sein Taufpate war Ernst Mach, der bekannte Physiker und Philosoph. Pauli war hochbegabt, aber kein disziplinierter Schüler. Während ihm langweiliger Unterrichtsstunden las er unter der Bank Einsteins Relativitätstheorie. Kurz nach seinem Abitur ging Pauli nach München, um bei Arnold Sommerfeld zu studieren. Letztere erkannte rasch die außergewöhnliche Begabung von Pauli und betraute ihn mit der Aufgabe, ein Kapitel über die Relativitätstheorie für die Enzyklopädie der mathematischen Wissenschaft zu verfassen. Als er sechs Monate später das Kapitel vorlegte, war Einstein hingerissen und konnte nicht glauben, dass der Verfasser erst einundzwanzig Jahre alt war. Für Jahrzehnte blieb das Kapitel das Standardwerk zur Relativitätstheorie in der Physik. Es war Sommerfeld, der Wolfgang Pauli für seine Doktorarbeit die Aufgabe stellte, die Regel des Bohr-Sommerfeld-Atommodells auf ein ionisiertes Wasserstoffmolekül anzuwenden. Pauli lieferte eine theoretische akribische Analyse, die jedoch die Messergebnissen aus dem Labor nicht beschrieb. Dadurch zeigte er die Grenzen der Bohr-Sommerfeld-Theorie auf.
Nach seiner Promotion ging er nach Göttingen, um Assistent von Max Born zu werden und anschließend nach Hamburg. 1922 traf er in Göttingen Niels Bohr und auch seinen Studienfreund Werner Heisenberg. Bohr lud Pauli nach Kopenhagen ein, wo er sich erneut mit dem Bohr-Sommerfeld Modell beschäftigte, diesmal aber, um den Zeeman-Effekt zu erklären. Dieser entsteht, wenn ein Atom einem Magnetfeld ausgesetzt wird und sich die Spektrallinien dadurch aufspalten. Sommerfeld beschrieb dieses Phänomen damals mit Hilfe dreier “Quantenzahlen” (Hauptquantenzahl N, Nebenquantenzahl L des Drehimpulses und magnetischen Quantenzahl M). Doch die Linien vervielfältigten sich noch weiter. Wieder zeichnete sich eine Grenze des Bohr-Sommerfeld-Modells ab. Das Problem ließ Pauli nicht los, seine Zeit in Kopenhagen lief ab und er wurde verzweifelter. Zurück in Hamburg, schickte ihm Sommerfeld im Herbst 1924 einen Hinweis aus der Arbeit von Edmund Stoner, wonach sich die Elektronen in großen Atomen anders anordnen als Bohr beschrieben hatte. Die Erklärung für die zusätzliche Aufspaltung der Spektrallinien fand Pauli endlich in einer vierten Quantenzahl, die nur zwei Werte annehmen kann, 0 oder 1. Dadurch verdoppelte sich die Anzahl der Zustände, in denen ein Elektron in einem Atom sein kann, was exakt zu den beobachteten Spaltung der Spektrallinien passte. Das “Pauli-Prinzip”, das besagt, dass zwei Elektronen in einem Atom nicht in allen vier Quantenzahlen übereinstimmen können, wurde als Teil der Quantentheorie formuliert. Dafür erhielt Pauli 1945 den Nobelpreis. 1928 wechselte er an die ETH in Zürich, wo er Professor wurde. Er starb 1958 an Bauchspeicheldrüsenkrebs.
Werner Heisenberg wurde am 5. Dezember 1901 in Würzburg geboren. 1910 zog die Familie nach München, wo der Vater auf den Lehrstuhl für Byzantinistik berufen worden war. Nach dem Abitur überlegte Heisenberg Mathematik zu studieren und sprach deshalb mit dem Münchner Mathematikprofessor Ferdinand von Lindemann. Als er auf dessen Frage hin erzählte, zuletzt ein Buch über die Relativitätstheorie gelesen zu haben, beendete von Lindemann das Gespräch allerdings mit den Worten: „Dann sind Sie für die Mathematik sowieso schon verdorben.“ Daraufhin begann Heisenberg 1920 unter Arnold Sommerfeld an der Ludwig-Maximilians-Universität theoretische Physik zu studieren. Während seines Studiums beschäftigte er sich besonders mit der Atomtheorie und analysierte den anomalen Zeeman-Effekt von Spektrallinien. 1923 reichte er seine Doktorarbeit über Stabilität und Turbulenz von Flüssigkeitsströmen ein. Obwohl der theoretische Teil seiner mündlichen Doktorprüfung sehr gut lief, war Wilhelm Wien über Heisenbergs Kenntnisse in der Experimentalphysik sehr unzufrieden und wollte ihn durch die Prüfung fallen lassen. Werner Heisenberg erhielt seinen Doktortitel dann doch, allerdings nur mit der zweitschlechtesten von vier möglichen Noten.
Im selben Jahr ging Heisenberg als Assistent von Max Born nach Göttingen, wo er sich im Juli 1924 habilitierte und ab da als Privatdozent tätig war. Im Mai 1925 beschäftigte er sich mit der Bewegung von Elektronen in Atomen. Nachdem er feststellte, dass er hier mit den Formeln der klassischen Mechanik nicht weiterkam, begann er nach neuen Rechenregeln zu suchen und schuf so die Grundlage der Quantenmechanik. Zusammen mit Max Born und Pascual Jordan entwickelte er diese Idee zu einer allgemeinen Formulierung der Quantenmechanik weiter. 1926 nahm Werner Heisenberg eine Assistentenstelle bei Niels Bohr an dessen Institut in Kopenhagen an, wo er 1927 die nach ihm benannte Unschärferelation formulierte. Zusammen mit Niels Bohr verfasste er kurz darauf eine Arbeit, die als „Kopenhagener Deutung“ der Quantenphysik bekannt wurde. Im Alter von 25 Jahren wurde Werner Heisenberg im Oktober 1927 als Professor an die Universität Leipzig berufen, die er zu einem führenden Zentrum für theoretische Physik machte. 1933 erhielt er für seine Arbeit zur Quantenmechanik und ihre Anwendungen den Nobelpreis für Physik für das Jahr 1932. Als Arnold Sommerfeld 1935 in den Ruhestand trat, wünschte er sich Werner Heisenberg als seinen Nachfolger, der auch gerne zugesagt hätte. Vertreter der „deutschen Physik“ setzten sich aber gegen Heisenberg und seine „undeutsche“ theoretische Physik ein. Heisenberg blieb also in Leipzig.
Während des zweiten Weltkriegs wurde Heisenberg in das Heereswaffenamt nach Berlin einberufen, wo er am deutschen Uranprojekt beteiligt war. Nach Ende des Krieges widmete Heisenberg sich der Erneuerung der Forschung in Deutschland. Er wurde Direktor des Max-Planck-Instituts für Physik in Göttingen und später in München. Außerdem war er Präsident des Deutschen Forschungsrates und als Regierungsberater für Wissenschaftspolitik tätig. Als einer der „Göttinger Achtzehn“ setzte er sich zudem erfolgreich gegen die Aufrüstung der Armee mit Atomwaffen ein. Der Europäische Rat für Kernforschung, der 1952 gegründet wurde, wählte Heisenberg zum Vorsitzenden. Hier war er an der Planung des europäischen Forschungszentrums CERN in Genf beteiligt. Werner Heisenberg starb im Alter von 74 Jahren am 1. Februar 1976 in München. Sein Grab liegt auf dem Münchner Waldfriedhof.
© Deutsches Museum
Walther Gerlach wurde am 1. August 1889 in Biebrich (heute Wiesbaden-Biebrich) geboren. Nach dem Abitur begann er 1908 Philosophie und Mathematik an der Eberhard Karls Universität Tübingen zu studieren. Im Jahr darauf wechselte er von Philosophie zu Physik. 1912 promovierte er unter dem Physiker Friedrich Paschen zur Messung der Stefan-Boltzmann-Konstante und habilitierte sich 1916. 1920 ging Walther Gerlach als außerordentlicher Professor an die Universität Frankfurt am Main. Gründend auf einer Idee von Otto Stern hin, entwickelten Gerlach und Stern 1921 gemeinsam ein Experiment, um die Richtungsquantelung von Atomen zu bestätigen. Diese war erstmals 1913 von Niels Bohr und in detaillierterer Form von Arnold Sommerfeld und Peter Debye 1916 vorhergesagt worden. Den als Stern-Gerlach-Experiment bekannten Versuch, führte Walther Gerlach 1922 erfolgreich durch und lieferte damit den Nachweis für die Richtigkeit der Annahme der Richtungsquantelung. Walther Gerlach informierte Otto Stern in einem Telegramm mit den Worten: „Bohr hatte doch recht“ über das Ergebnis. Die vollständige Interpretation des Versuchs erfolgte allerdings erst, nachdem 1925 der Begriff des Elektronenspins eingeführt worden war. 1923 gelang es Walther Gerlach zusammen mit Alice Golsen erstmals den Strahlungsdruck zu messen.
Nach einigen Jahren als Professor für Experimentalphysik in Tübingen, wurde Walther Gerlach 1929 auf Betreiben Arnold Sommerfelds hin auf den Lehrstuhl für Experimentalphysik an der Ludwig-Maximilians-Universität München berufen. Seine Vorlesungen zur Experimentalphysik mit Demonstrationsexperimenten, die er hier hielt, erlangten bald große Bekanntheit. Während des Wintersemesters 1933/34 wurde er wegen seiner Proteste gegen die Aktivitäten der nationalsozialistischen Studentenschaft vorübergehend mit einem Vorlesungs- und Prüfungsverbot belegt. Ab 1943 war Walther Gerlach am deutschen Uranprojekt beteiligt. Nach Ende des zweiten Weltkriegs kehrte Gerlach nach München zurück und war von 1948 bis 1951 Rektor der LMU. Er wirkte als Mitglied und Vorstand verschiedener Gesellschaften aktiv am Wiederaufbau der Naturwissenschaften in Deutschland mit. Außerdem gehörte er zu einer Gruppe deutsche Atomforscher, die als „Göttinger Achtzehn“ bekannt wurden und sich erfolgreich gegen die Ausrüstung der Armee mit Atomwaffen einsetzten. Walther Gerlach wurde 30 mal für den Nobelpreis für Physik nominiert, erhielt ihn aber nie. Er starb am 10. August 1979 in München und wurde dort auf dem Waldfriedhof beigesetzt.
Gertrude Scharff wurde am 14. Juli 1911 in Mannheim geboren. Bereits während der Schulzeit entwickelte sie ein Interesse für Physik und begann nach dem Schulabschluss 1930 ein Physikstudium an der Ludwig-Maximilians-Universität München. 1935 schrieb sie dort ihre Doktorarbeit unter Walther Gerlach, wofür sie die Folgen von mechanischer Belastung für die Magnetisierung von Materialien untersuchte. Kurz darauf musste sie als Jüdin aus Deutschland fliehen. Nach einigen Jahren in England heiratete sie 1939 den Kernphysiker Maurice Goldhaber, den sie bereits während ihres Studiums kennengelernt hatte und zog mit ihm in die USA.
Gertrude Scharff-Goldhaber untersuchte den Wirkungsquerschnitt von Proton-Neutron Reaktionen und beschäftigte sich mit Gammastrahlung, die von Atomkernen absorbiert und emittiert wird. 1942 konnte sie als erste nachweisen, dass bei der Spaltung von Uran neben Energie auch Neutronen frei werden und somit eine Kettenreaktion von Spaltungen möglich ist. Ihre Arbeit wurde während des Krieges geheim gehalten und erst 1946 veröffentlicht. Durch Anwendung des Paulischen Ausschlussprinzips konnte sie 1948 zusammen mit ihrem Mann nachweisen, dass Betastrahlen tatsächlich das gleiche sind wie Elektronen. Bis dahin war man unsicher gewesen, ob Betastrahlung sich in irgendeiner Eigenschaft von Elektronen unterscheidet oder nicht. Sie untersuchte außerdem die Eigenschaften von Atomkernen und trug dazu bei, deren Aufbau besser zu verstehen. Neben ihren wissenschaftlichen Erfolgen half sie, verschiedene Bildungsinitiativen zu entwickeln und setzte sich für die Anerkennung und Gleichberechtigung von Frauen in der Wissenschaft ein. Sie starb am 2. Februar 1998.