Die allgemeinen Prinzipien der Wellenmechanik: Neu herausgegeben und mit historischen Anmerkungen versehen von Norbert Straumann

249 Pages·1990·11.731 MB·German

by  Wolfgang Pauli, Professor Dr. Norbert Straumann (auth.)

Wolfgang Pauli
Die allgemeinen Prinzipien
derVVellenrnechanik
Neu herausgegeben und mit
historischen Anmerkungen versehen
von Norbert Straumann
Springer-Verlag Berlin Heidelberg NewY ork
London Paris Tokyo Hong Kong Barcelona 1990
Professor Dr. N. STRAUMANN
Institut fur Theoretische Physik
Universitat Zurich
SchOnberggasse 9
CH-8001 Zurich
ISBN -13: 978-3-540-51949-2
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Pauli, Wolfgang: Die allgemeinen Prinzipien der Wellenmechanik / W. Pauli. Neu hrsg. u. mit
histor. Anm. verso von N. Straumann. - Berlin; Heidelberg; New York; London; Paris;
Tokyo; Hong Kong: Springer, 1990
ISBN-13:978-3-540-51949-2 e-ISBN-13:978-3-642-62187-9
DOl: 10.1007/978-3-642-62187-9
NE: Straumann, Norbert [Hrsg.]
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Vorwort des Herausgebers
Mit seinem beriihmten Enzyklopadieartikel tiber Relativitatstheorie hat
PAULI bereits als 19jahriger seine einmaligen Fahigkeiten flir tibersichtliche,
systematische Darstellungen unter Beweis gestellt. Auch sein Handbuch
artikel "Die allgemeinen Prinzipien der Wellenmechanik" tibertraf flir Jahr
zehnte alle anderen Darstellungen an Tiefe und Griindlichkeit. Nach wie vor
nimmt dieser Dbersichtsartikel unter den vielen Btichern tiber den gleichen
Gegenstand eine Sonderstellung ein. Dieser Klassiker eines groBen Meisters
der theoretischen Physik muB jedem Studierenden, der sich ernsthaft mit den
Grundlagen der Quantentheorie auseinandersetzen will, warmstens empfohlen
werden.
PAULIS "Neues Testament" erschien erstmals im Jahre 1933 in der 2. Auf
lage des Handbuchs der Physik von GEIGER und SCHEEL. Zu diesem Zeitpunkt
waren die physikalischen und mathematischen Grundlagen der nichtrelativi
stischen Quantenmechanik weitgehend geklart. In Teil A des Handbucharti
kels gibt PAULI eine konzentrierte Darstellung dieser Theorie, welche - wie
nur wenige wissenschaftliche Texte - die Zeiten tiberdauert hat. Historisch
interessierte Leser finden hier auch alle wichtigen Hinweise auf die Original
arbeiten der Griinderjahre.
In Teil B behandelt PAULI die damals bekannten Bruchstticke einer rela
tivistischen Quantentheorie, namlich die relativistische Theorie des Einkorper
problems und die DIRAcsche Strahlungstheorie. Hier zeigt sich ganz besonders
PAULIS Kritikfahigkeit und sein tiefer physikalischer Blick. Es ist ein gltick
licher Umstand, daB diese Abschnitte noch kurz vor der Entdeckung des Posi
trons geschrieben wurden, sonst ware uns PAULIS Kritik der relativistischen
Einteilchentheorie und der DIRACSCHEN Lochertheorie nicht so deutlich erhal
ten geblieben. Schon zum Zeitpunkt des Erscheinens des Handbuchartikels
hatte er z. B. die folgende bemerkenswerte Passage abandern mtissen:
"Neuerdings versuchte DIRAC deshalb den bereits von OPPENHEIMER diskutierten
Ausweg, die Locher mit Antielektronen, Teilchen der Ladung +e und der Elektro
nenmasse, zu identifizieren. Ebenso miil3te es dann neben den Protonen noch
Antiprotonen geben. Das tatsachliche Fehlen solcher Teilchen wird dann auf einen
speziellen Anfangszustand zuriickgefiihrt, bei dem eben nur die eine Teilchensorte
vorhanden ist. Dies erscheint schon deshalb unbefriedigend, weil die Naturgesetze
in dieser Theorie in bezug auf Elektronen und Antielektronen exakt symmetrisch
sind. Sodann miil3ten jedoch (urn die Erhaltungssatze von Energie und Impuls zu
befriedigen, mindestens zwei) y-Strahl-Photonen sich von selbst in ein Elektron
und ein Antielektron umsetzen konnen. Wir glauben also nicht, dal3 dieser Ausweg
ernstlich in Betracht gezogen werden kann."
In der zweiten Ausgabe von 1958 wurden die letzten 30 Seiten weggelassen,
da inzwischen die Quantenelektrodynamik sehr viel weiter entwickelt worden
v
Vorwort des Herausgebers
war. Diese und andere weggelassene Teile sind aber historisch auBerordentlich
aufschluBreich und wurden deshalb in der vorliegenden Ausgabe als Anhange
wieder aufgenommen.
In dieser sind ferner vom Herausgeber in einer Reihe von Anmerkungen
kurze Erl1i.uterungen, Erganzungen und Hinweise auf spatere Entwicklungen
hinzugefugt worden Der Band wird durch ein Kurzportrait von WOLFGANG
PAULI eroffnet, welches ich vor aHem fur die jungere Generation geschrieben
habe, die PAULI nicht mehr personlich erlebt hat Bei dessen Abfassung waren
Hinweise und kritische Bemerkungen ehemaliger Mitarbeiter und Freunde
von PAULI sehr wertvoH Fur Unterstutzung und Kritik danke ich vor aHem
MARKUS FIERZ, RES J OST, VALENTIN TELEGDI und VIKTOR WEISSKOPF
Dem Springer-Verlag, ganz besonders Herrn BEIGLBOCK, danke ich fUr
die erfreuliche Zusammenarbeit, welche diese fur Studenten erschwingliche
Neuerscheinung von PAULIS Meisterwerk ermoglicht hat.
Zurich, im Oktober 1989 Norbert Straumann
VI
Inhaltsverzeichnis
WOLFGANG PAULI: Ein Kurzportrait. Von N. STRAUMANN . . . . . .. 1
Die allgemeinen Prinzipien der Wellenmechanik. Von WOLFGANG PAVLI,
Nachdruck aus Handbuch der Physik, Band V, 1 "Prinzipien
der Quantentheorie I" (Hrsg. S. FLii"GGE) Springer-Verlag 1958 . 25
A. Unrelativistische Theorie . . . . . . . 25
B. Relativistische Einkorperproblem. . . . 161
a) DIRACS Wellengleichung des Elektrons 161
b) Naherungen und Grenzen der DIRAcschen Theorie 184
Anhange. Ausztige aus W. PAULIS "Die allgemeinen Prinzipien
der Wellenmechanik", Handbuch der Physik, Band XXIV, 1,
(Hrsg. H. GEIGER und K. SCHEEL)". Auflage, Springer-Verlag, 1933 . 193
Anhang I. Prinzipielles tiber den gegenwartigen Stand
der relativist is chen Quantenmechanik 193
Anhang II. Erganzungen zu Ziff. 24 195
Anhang III. Quantenelektrodynamik 199
Anmerkungen und Erganzungen des Herausgebers 230
Literaturerganzungen . 236
Errata . . . . 238
Sachverzeichnis 239
VII
WOLFGANG PAULI: Ein Kurzportrait.
Von
N. STRAUMANN, Zurich.
Einleitung
AnHiBlich der Trauerfeier fUr WOLFGANG PAULI am 20. Dezember 1958
im Fraumunster zu Zurich driickte VICTOR F. WEISSKOPF mit den folgenden
Worten aus, was PAULI fur die Physiker der ganzen Welt bedeutet hatl :
"PAULI hatte eine spezielle Art Wissenschaft zu treiben. Er hat einen eigenen
Stil des Denkens und des Forschens geschaffen, der uns alle in der Physik
der ganzen Welt tief beeinfluBt und geleitet hat. Dieser Stil betonte das
Wesentliche und das Symmetrische der Naturgesetze, gefaBt in mathemati
sche Formeln, ohne viele Worte und Gerede. Seine Art, sein Denken und sein
Wesen schwebte jedem von uns vor als etwas Ideales, Klares und Reines.
Wie oft fragen wir uns, wenn wir unsere Arbeit betrachten 'Was wiirde
PAULI dazu sagen?' Wie oft denken wir 'Das wiirde PAULI nicht akzeptieren'."
PAULI wurde oft, z. B. von NIELS BOHR, "das lebende Gewissen der theoreti
schen Physik" genannt.2 Seine Ausstrahlung auf die Physiker seiner Zeit hat
PAUL EHRENFEST anHiBlich der Verleihung der Lorentzmedaille an PAULI
im Jahre 1931 so zusammengefaBt3:
"Aber vielleicht noch von viel groBerem Gewicht als seine Publikationen
sind die unzahligen, unverfolgbaren Beitrage, die er zur Entwicklung der
neueren Physik durch miindliche Diskussionen oder Briefe geliefert hat. Die
enorme Scharfe seiner Kritik, seine auBerordentliche Klarheit und vor allem
die riicksichtslose Ehrlichkeit, mit der er stets den Nachdruck auf die unge
losten Schwierigkeiten legt, bewirkt, daB es als unschatzbare Triebkraft
innerhalb der neueren theoretischen Forschung gelten muB."
1 W. PAULI, Aufsiitze und Vortriige uber Physik und Erkenntnistheorie. Vieweg,
Braunschweig 1961. Die Trauerrede von WEISSKOPF eroffnet diesen Band. Eine
Neuauflage mit einleitenden Bemerkungen von K. v. MEYENN erschien als Band 15
der Facetten der Physik, hrsg. von R. U. SEXL, unterdem Titel Physik und Erkennt
nistheorie. Vieweg, Braunschweig 1984.
2 Siehe das Vorwort von R. KRONIG und V. F. WEISSKOPF in: Collected Scien
tific Papers by Wolfgang Pauli. Herausgegeben von R. KRONIG und V. F. WEISS
KOPF. 2 Bande. Wiley, New York 1964.
3 P. EHRENFEST. Ansprache zur Verleihung der Lorentzmedaille an Professor
WOLFGANG PAULI am 31. Oktober 1931. Vers!. Akad. Amsterdam 40, 121-126
(1931).
1
Wolfgang Pauli: Ein Kurzportrait
Einen lebendigen Eindruck von PAULIS EinfluB auf die Physiker seiner Zeit
und seine unerhOrt kritische Fahigkeit gibt det nie abreiBende Briefstrom4,
bei dessen Lektiire man immer wieder den Atem anhalt. PAULIS Kritik war
gesucht, gefiirchtet und oft beiBend, wie die folgende etwas erschreckende
Kostprobe aus einem Brief an EINSTEIN ausdemJahre 1929 zeigt, der gleich
zeitig auch den stattgefundenen Generationswechsel iiberdeutlich macht6:
nEs bleibt den [Kritik ubenden PhysikernJ nur ubrig, Ihnen dazu zu gratu
lieren (oder solI ich lieber sagen: zu kondolieren?), daB Sie zu den reinen
Mathematikern ubergegangen sind. Ich bin auch nicht so naiv als daB ich
glauben wurde, Sie wurden auf Grund irgend einer Kritik durch Andere
Ihre Meinung andern. Aber ich wurde jede Wette mit Ihnen eingehen, daB
Sie spatestens nach einem ]ahr den ganzen Fernparallelismus aufgegeben
haben werden, so wie Sie fruher die Affintheorie aufgegeben haben. Und ich
will Sie nicht durch Fortsetzung dieses Briefes noch weiter zum Widerspruch
reizen, um das Herannahen dieses naturlichen Endes der Fernparallelismus
theorie nicht zu verzogern."
April 1929, Fahre von Warnemunde: PAULI und EHRENFEST auf dem Wege nach
Kopenhagen. Aufnahme: SAM GOUDSMIT, aus: Sources in the History of Mathe
matics and Physical Sciences, Vol. 2
4 WOLFGANG PAULI. Wissenschaftlicher Briefwechsel mit Bohr, Einstein, Heisen··
berg u. a.B and I: 1919-1929. Herausgegeben vonA. HERMANN, K. V. MEYENN und
V. F. WEISSKOPF. Springer, New,York/Heidelberg/Berlin 1979. - Band II: 1930
bis 1939. Herausgegeben von K. v. MEYENN, unterMitwirkung von A. HERMANN
und V. F. WElSSKOPF. Springer, Berlin/Heidelberg/New York/Tokyo 1985. (Band
III: 1940-1949 und Band IV: 1950-1958 in Vorbereitung.)
5 PAULI an EINSTEIN, Brief [239J vom 19. Dezember 1929, in Ref. [4J, Band I,
S.526.
2
Werdegang
Werdegang
PAULI wurde im selben J ahr geboren in dem PLANCK das Wirkungsquantum
als groOte Neuheit seit NEWTON in die Physik einfiihrle. Seinen Werdegang
hat er - vermutlich im Herbst 1927, als er fiir die Ziircher Professur vorge
schlagen wurde - mit bescheidener Zuriickhaltung so beschrieben6:
"Ich bin am 25. April 1900 in Wien als Sohn des Universitatsprofessors und
Arztes Dr. WOLFGANG PAULI geboren. Nachdem ich dort 1918 das humanisti
sche Gymnasium absolviert hatte, studierte ich 6 Semester an der Universi
tat Mlinchen. Hier war mein Lehrer in theoretischer Physik Professor A.
SOMMERFELD, und die Anregungen, die ich von ihm und seinem Schiilerkreis
(dem auch mein jetziger Chef, Professor W. LENZ, angehorte) empfing,
waren flir meine wissenschaftliche Ausbildung entscheidend. Zunachst war
ich mit Fragen der Relativitatstheorie beschaftigt, woriiber ich einige klei
nere Noten publizierte, vor allem aber im Auftrage SOMMERFELDS einen zu
sammenfassenden Artikel flir die mathematische Encyklopadie verfaBte.
Bald wandte ich mich aber Fragen der Quanten- und Atomphysik zu, wel
ches Gebiet bis heute mein Arbeitsfeld geblieben ist. Es entstanden damals
zwei Arbeiten, die speziell sich mit Fragen des Atommagnetismus beschaf
tigen. 1m Juni 1921 promovierte ich in Mlinchen mit einer Dissertation, die
ein spezielles Molekiilmodell zum Gegenstand hatte, das beim heutigen
Stand der Physik allerdings als liberholt gelten muB.
1m darauffolgenden Wintersemester 1921/22 war ich Assistent bei Pro
fessor BORN in Gottingen. Es entstand damals eine gemeinsame Arbeit von
Professor BORN und mir, deren Ziel es war, die Methoden der astronomischen
Storungsrechnung flir die Atomphysik in systematischer Weise nutzbar zu
machen. N achdem ich im Sommersemester 1922 Assistent bei Professor LENZ
in Hamburg gewesen war, ging ich flir ein J ahr zu Professor NIELS BOHR nach
Kopenhagen. Hier hatte ich Gelegenheit, die besonderen wissenschaftlichen
Methoden dieses berlihmten Forschers kennenzulernen und ihm zu meiner
Freude auch personlich naher treten zu konnen. Meine Arbeiten aus dieser
Zeit in Kopenhagen betrafen hauptsachlich die Folgerungen, die man aus
dem sogenannten anomalen ZEEMAN-Effekt (Einwirkung von Magnetfeldern
auf Spektrallinien) flir den Atombau ziehen kann.
1m Herbst 1923 kehrte ich wieder nach Hamburg zuriick, wo ich bis
heute tatig bin und eine Assistentenstelle bei Professor W. LENZ innehabe.
Anfang 1924 habilitierte ich mich hier mit einer Arbeit, die eine Verallgemei
nerung der von EINSTEIN in die Quantentheorie der Strahlung eingeflihrten
statistischen Gesetze enthielt. Ende des J ahres 1924 verfaBte ich eine Arbeit,
die unter anderem einen allgemeinen, den Atombau betreffenden Satz ent
hielt, der sich als flir die Entwirrung komplizierter Spektren sehr frucht
bar erwiesen hat und seither in der Literatur vielfach zitiert wird. Diese
Arbeit ging in der Richtung weiter, die ich in Kopenhagen zu verfolgen
begonnen hatte; sie brachte auch den hollandischen Physikern GOUDSMIT
und UHLENBECK verschiedene Anregungen, die durch ihre theoretische Ent
deckung der magnetischen Eigenschaften der freien Elektronen diesen Pro
blemkreis zu einem vorlaufigen AbschluB brachten.
Nachdem ich flir das im Verlag Springer erschienene 'Handbuch der
Physik' einen zusammenfassenden Bericht fiber die Methoden der alteren
Quantentheorie verfaBt hatte, verfolgte ich in neuen Arbeiten seit Ende
1925 die neuere, von HEISENBERG und DE BROGLIE begriindete und spater von
e Enthalten in Ref. [2], Band I, S. V-VI.
3
Wolfgang Pauli: Ein Kurzportrait
SCHRODINGER wesentlich weitergefiihrte wellenmechanische Fassung der
Quantentheorie. Auch zur Zeit bin ich mit Problemen auf diesem Gebiet
beschiiftigt.
1m Juni 1926 erhielt ich eine Berufung an das Extraordinariat fiir theo
retische Physik an der Leipziger Universitiit. Da mir bei dieser Gelegenheit
in Hamburg der Professortitel verliehen wurde und ich einen besonderen
Lehrauftrag erhielt, konnte ich diese Berufung ablehnen."
Sehr wichtig flir PAULlS Entwicklung war zweifeHos der EinfluB von ERNST
MACH, der mit PAULlS Vaterbefreundet war undTaufpate des Sohnes WOLF
GANG wurde. Der folgende BrieF an einen nicht bekannten Empfanger aus dem
Jahre 1953 spricht flir sich seIber:
" ... Unter meinen Biichern befindet sich ein etwas verstaubtes Etui, in
diesem ist ein Silberbecher im Jugendstil und in diesem wiederum ist eine
Karte ... Dieser Becher nun ist ein Taufbecher, und auf der Karte steht in
altmodisch verschnorkelten Buchstaben:
Dr. E. MACH, Professor an der Universitiit Wien.
Es kam so, daB mein Vater sehr mit seiner Familie befreundet war, damals
geistig ganz unter seinem EinfluB stand und er (MACH) sich freundlicher
weise bereit erkliirt hatte, die Rolle des Taufpaten bei mir zu iibernehmen ...
Er war wohl eine stiirkere Personlichkeit als der katholische Geistliche, und
das Resultat scheint zu sein, daB ich auf diese Weise antimetaphysisch statt
katholisch getauft bin. Jedenfalls bleibt die Karte im Becher und trotz
meiner groBeren geistigen Wandlungen in spiiterer Zeit bleibt sie doch eine
Etikette, die ich seIber trage, niimlich: von antimetaphysischer Herkunft.
In der Tat betrachtete MACH die Metaphysik, etwas vereinfachend, als die
Ursache alles Bosen auf Erden - also psychologisch gesprochen: als den
Teufel schlechtweg -, und jener Becher mit der Karte darin bleibt ein Sym
bol flir die aqua permanens, we1che die bosen metaphysischen Geister ver
scheucht ... ".
Es war wohl naheliegend, daB PAULl nach dem Abitur noch im Jahre 1918
nach Munchen zog, wo SOMMERFELD "eine Pflanzstatte der theoretischen
Physik" geschaffen hatte und die besten Talente anzog. SOMMERFELD ist vor
aHem als begnadeter Lehrer in die Geschichte der Physik eingegangen. Seine
auch heute noch sehr lesenswerten Lehrbucher geben uns eine Ahnung von
der Begeisterung, mit der er seine Vorlesungen hielt und mit welchem Enthusias
mus er die jugendlichen Horer mitriB. Zu den MaBstaben seines Unterrichtes
sagte er einmal8: "Was wir betonen mussen, ist die ideale Seite der mathema
tischen und naturwissenschaftlichen Studien, ihre Schonheit und innere
7 WOLFGANG PAULI, Das Gewissen der Physik. Hrsg.: Ch. P. ENZ, K. v. MEYENN,
Vieweg, Braunschweig 1988. Der Brief von PAULI ist in der Einleitung von Ch.
ENZ abgedruckt. Dieser Band enthiilt neben personlichen Erinnerungen und Anek
doten eine Auswahl von PAULIS ,wichtigsten Arbeiten. In wertvollen Anhiingen
findet man eine Zeittafel, ein Verzeichnis der Schriften von WOLFGANG PAULI sowie
der bestehenden Sekundiirliteratur.
8 A. SOMMERFELD: Fiihrende Geister der naturwissenschaftlichen Forschung.
Vortrag auf dem bayrischen Philologentag in Regensburg. Auszugsweise abge
druckt in den Miinchener Neuesten Nachrichten. September 1926.
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