Werner Heisenberg und die Physik unserer Zeit

321 Pages·1961·12.2 MB·German

by  F. Hund (auth.)

Wemer Heisenherg
und die Physik unserer Zeit

Wemer Heisenberg
und die Physik unserer Zeit
Beiträge von
G. BECK, L. BIERMANN, F. BLOCH, N. BOHR, F. BoPl', M. BORN, H. DOLCH,
H.-P. DÜRR, W. HÄFELE, F. HUND, P. JORDAN, O. KLEIN, H. KOPPE, A. LANDa,
G. LUDWIG, G. LÜDERS, P. MITTELSTAEDT, R. OEHME, K. SYlIIANZIK,
E. TELLER, C. F. VON WEIZSÄCKER, G. WENTZEL, K. WILDERMUTH, K. WIRTZ,
B. ZUMINO
Herausgegeben von hITZ Bopp
FRIEDR. VIEWEG & SOHN· BRAUNSCHWEIG 1961
ISBN 978-3-663-03993-8 ISBN 978-3-663-05439-9 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-05439-9
Bild Wemer Helsenberg; Ullsteln-Eschen
Alle Rechte vorbehalten
© 1961 by Frledr.Vieweg & Sohn. Braunschwelg
Softcover reprint ofthe hardeover 1st edition 1961
Vorwort
Einen bunten Strauß von Beiträgen überreichen die in diesem Band vereinten
Autoren Herrn Professor HEISENBERG, um ihm aus Anlaß seines sechzigsten Geburts
tages dafür zu danken, was sie - auf die eine oder andere Weise mit ihm verbunden -
von ihm empfangen haben, und um ihre Bewunderung auszudrücken für ein Werk,
von dem eine so nachhaltige Wirkung nicht nur auf die Physik, sondern auf das
ganze menschliche Denken ausgegangen ist.
Doch ist unser Blick nicht nur in die Vergangenheit gerichtet. Daß sich unter den
Blumen des Straußes eine befindet, die in dem Garten gewachsen ist, den HEISENBERG
gegenwärtig bestellt, zeugt von lebendiger Gegenwart und von einer Zukunft, der
wir voller Erwartung entgegensehen. Nicht nur der Dank, auch die Hoffnung vereint die
Autoren, HEISENBERG möge uns auf dem Wege in neues Land noch lange vorangehen.
Es ist unmöglich in einem solchen Bande alle diejenigen zu Worte kommen zu
lassen, die sich in dem Wunsche zu danken verbunden fühlen. Die Auswahl der
Autoren ist darum von mancherlei Zufällen abhängig. Wir hatten uns bei der Bitte
um Beiträge von dem Gedanken leiten lassen, daß jedes Gebiet, welches von HEISEN
BERGS Arbeiten seinen Ausgang genommen hat oder durch sie bereichert worden ist,
durch eine Gabe seiner Freunde, Schüler und Mitarbeiter vertreten sein sollte, so
daß man hoffen durfte, mit dem Festband ein Spektrum seines bisherigen Schaffens
gegeben zu haben. Doch hat sich dieses Ziel nicht ganz verwirklichen lassen. Es gibt
Lücken, Doppelbesetzungen und auch Arbeiten, die keine enge Berührung mit denen
HEISENBERGS haben.
Besonderen Dank schuldet der Herausgeber den Herren F. HUND, G. LÜDERS,
V. WEISSKOPF und C. F. v. WEIZSÄCKER für ihre Unterstützung bei der Planung
und bei der Auswahl der Autoren und Herrn Dipl.-Phys. W. MEYER für seine Hilfe
beim Lesen der Korrekturen.
München, im Dezember 1961
F. Bopp
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Inhaltsverzeichnis
N. BOHR, Die Entstehung der Quantenmechanik . . IX
F. HUND, Göttingen, Kopenhagen, Leipzig im Rückblick 1
W. IliFELE und K. WmTz, Zur Physik des Karlsruher Forschungsreaktors FR2 8
C. F. VON WEIZSÄCKER, Die Einheit der Physik 23
H. DOLCH, Zur Begründung der naturwissenschaftlichen Induktion 47
O. KLEIN, Einige Probleme der allgemeinen Relativitätstheorie 58
L. BIERMANN, über den Ursprung der Kosmischen Strahlung 73
P. JORDAN, Über die Darstellung der Lorentzgruppe mit Quaternionen 84
E. TELLER, Der quantenmechanische Meßprozeß und die Entropie . . 90
F. BLOCH, Zur Wirkung äußerer elektromagnetischer Felder auf kleine Systeme 93
M. BORN, Bemerkungen zur statistischen Deutung der Quantenmechanik 103
A. LANDE, Dualismus, Wissenschaft und Hypothese 119
F. Bopp, Statistische Mechanik bei Störung des Zustands eines physikalischen
Systems durch die Beobachtung . . . . . . . . . . . . . . . . .. 128
G. LUDWIG, Gelöste und ungelöste Probleme des Meßprozesses in der Quanten-
mechanik . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
H. KOPPE, Variationsmethoden in der Quantenstatistik 182
G. WENTZEL, Quasi-Particles and Transport Phenomena . 189
P. MI'l'TELSTAEDT, über die Entartung des Grundzustandes in der Theorie
der Supraleitung . . . . . . . . . . . . . 195
G. BEcK, Beugungstheorie und n-Körperproblem . 207
K. WILDERMUTH, Der Einfluß der Ununterscheidbarkeit der Nukleonen auf
die Struktur der Atomkerne . . . . . . . . . . 218
B. ZUMINO, Field Theories with aDegenerate Vacuum 234
R. OEHME, The Compound Structure of Elementary Particles 240
G. LÜDERS, Teilchen und Antiteilchen 260
K. SYMANZIK, Grundlagen und gegenwärtiger Stand der feldgleichungsfreien
Feldtheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
H.-P. DÜRR, Heisenbergs Theorie der Elementarteilchen 299
N.BOHR
Die Entstehung der Quantenmechanik
Der sechzigste Geburtstag von WERNER HEISENBERG gibt mir eine willkommene
Gelegenheit, etwas von meinen Erinnerungen aus der Zeit zu erzählen, während der
er mit uns in Kopenhagen arbeitete und die Grundlage der Quantenmechanik in
genialer Weise schuf.
Vor fast vierzig Jahren, im Frühjahr 1922, begegnete ich zum ersten Mal dem jungen
Studenten HEISENBERG. Es war in Göttingen, wo ich eingeladen war, eine Vor
lesungsreihe über den Stand der Quantentheorie des Atombaus zu halten. Trotz der
großen Fortschritte, die SOMMERFELD und seine Schule durch die meisterhafte
Beherrschung der von HAMILTON und JACOBI entwickelten Behandlung mechanischer
Systeme bei invarianten Wirkungsgrößen erreicht hatten, enthielt das Problem der
Einführung des Wirkungsquantums in eine widerspruchsfreie Verallgemeinerung der
klassischen Physik noch tiefliegende Schwierigkeiten. Die divergierenden Einstel
lungen gegenüber diesem Problem gaben zu lebhaften Diskussionen Anlaß, und ich
erinnere mich mit Freude an das Interesse, womit besonders die jüngeren Zuhörer
meine Betonung des Korrespondenzprinzips als einen Leitfaden für den weiteren
Fortschritt aufnahmen.
Bei dieser Gelegenheit wurde die Möglichkeit besprochen, daß zwei von SOMMERFELDS
jüngsten Schülern, auf die er größte Hoffnungen setzte, nach Kopenhagen kämen.
Während sich PAULI schon im selben Jahr unserer Gruppe anschloß, blieb HEISEN
BERG auf SOMMERFELDS Rat noch ein Jahr in München, um dort seine Doktorarbeit
zu vollenden. Bevor HEISENBERG im Herbst 1924 für längere Zeit nach Kopenhagen
kam, hatten wir schon im Frühjahr das Vergnügen, ihn kurz hier zu sehen. Es
wurden die Göttinger Diskussionen sowohl im Institut als auf langen Spaziergängen
fortgesetzt, wobei ich einen noch stärkeren Eindruck von HEISENBERGS seltener
Begabung gewann.
Unsere Besprechungen berührten viele Probleme der Physik und der Philosophie,
und besonderer Nachdruck wurde auf die Forderung eindeutiger Definition der in
Frage kommenden Begriffe gelegt. Die Diskussionen über atomphysikalische Pro
bleme drehten sich vor allem um die Fremdartigkeit des Wirkungsquantums für die
Begriffsbildungen, die bei der Beschreibung aller Versuchsergebnisse angewandt
wurden, und in diesem Zusammenhang sprachen wir auch darüber, daß sich hier
wie in der Relativitätstheorie mathematische Abstraktionen vielleicht nützlich
erweisen könnten. Zu jener Zeit lagen noch keine solchen Perspektiven vor, aber die
Entwicklung der physikalischen Ideen war bereits in ein neues Stadium getreten.
Ein Versuch, im Anschluß an die klassische Strahlungstheorie die individuellen
atomaren Reaktionen einzuordnen, war in Zusammenarbeit mitKRAMERs und SLATER
gemacht worden. Obwohl wir anfänglich auf Schwierigkeiten bezüglich der strengen
Erhaltung von Energie und Impuls stießen, führten diese Untersuchungen zur
weiteren Entwicklung der Vorstellung von virtuellen Oszillatoren als Bindeglied
zwischen den Atomen und den Strahlungsfeldern. Ein großer Fortschritt war die
bald nachher von KRAMERS entwickelte korrespondenzmäßige Dispersionstheorie,
x N. Bohr
die einen direkten Anschluß an die von EINSTEIN aufgestellten allgemeinen Wahr
scheinIichkeitsgesetze der spontanen und induzierten Emissions- und Absorptions
prozesse herstellte.
HEISENBERG und KRAMERS nahmen alsbald eine enge Zusammenarbeit auf, aus der
sich eine Weiterführung der Dispersionstheorie ergab. In dieser Arbeit wurden im
besonderen neuartige Reaktionen der Atome untersucht, die mit den bei den Strah
lungsfeldern hervorgerufenen Perturbationen in Zusammenhang stehen. Die Behand
lung blieb jedoch semi-empirisch in dem Sinne, daß für die Ableitung der Spektral
terme der Atome sowie ihrer Reaktionswahrscheinlichkeiten noch keine in sich
geschlossene Grundlage vorhanden war. Es bestand damals nur die vage Hoffnung,
daß sich die erwähnte Verbindung zwischen Dispersions- und Perturbationseffekten
für eine allmähliche Umgestaltung der Theorie verwerten ließe, bei welcher Schritt
für Schritt jeder unangemessene Gebrauch von klassischen Vorstellungen eliminiert
würde. Unter dem Eindruck der Schwierigkeiten, die ein solches Programm darbot,
weckte es daher bei uns allen größte Bewunderung, als der dreiundzwanzigjährige
HEISENBERG herausfand, wie das Ziel mit einem Schlag erreicht werden konnte.
Mit seiner sinnreichen Darstellung kinematischer und dynamischer Größen durch
nicht-vertauschbare Symbole wurde tatsächlich der Grundpfeiler errichtet, auf dem
die weitere Entwicklung ruhen sollte. Die formale Abrundung der neuen Quanten
mechanik wurde bald in enger Gemeinschaft mit BORN und JORDAN erreicht. In
diesem Zusammenhang möchte ich erwähnen, wie HEISENBERG nach Empfang eines
Briefes von JORDAN seinen Gemütszustand in etwa folgenden Worten beschrieb:
"Jetzt sprechen die gelehrten Göttinger Mathematiker soviel über Hermitesche
Matrizen, ich weiß ja aber nicht einmal, was eine Matrix ist." Kurz darauf lieferte
DIRAc, dem HEISENBERG bei einem Besuch in Cambridge von seinen neuen Ideen
erzählt hatte, noch ein glänzendes Beispiel dafür, wie ein junger Physiker selbständig
die für seine Arbeit geeigneten mathematischen Hilfsmittel zu schaffen vermag.
Obwohl durch den neuen Formalismus offenbar ein entscheidender Fortschritt in
der widerspruchsfreien Darstellung der Quantenprobleme erzielt war, schien es eine
Zeitlang, als ob noch nicht alle Korrespondenzforderungen erfüllt wären. So erinnere
ich mich, wie, PAULI, dessen Behandlung der Energiezustände des Wasserstoffatoms
eine der frühesten fruchtbaren Anwendungen der HEISENBERGSchen Gesichtspunkte
war, seine Unzufriedenheit mit der Situation äußerte. Er betonte, daß es ja klar
sein dürfte, daß die Position des Mondes in seiner Bahn um die Erde festgestellt
werden kann, trotzdem nach der Matrixmechanik jeder Zustand eines Zweikörper
problems mit wohldefinierter Energie nur statistische Erwartungen über die in
Betracht kommende kinematische Größe zuläßt.
Gerade in dieser Hinsicht sollte der schon 1924 von DE BROGLIE gemachte Hinweis
auf die Analogie zwischen der Bewegung materieller Teilchen und der Wellen
verbreitung von Lichtquanten neue Klarheit bringen. Auf dieser Grundlage gelang
es SCHRÖDINGER 1926 durch Aufstellung seiner berühmten Wellengleichung die
kraftvollen Mittel der Funktionentheorie mit glänzendem Erfolg auf die Behandlung
vieler Atomprobleme anzuwenden. Im Hinblick auf das Korrespondenzproblem war
es vor allem wesentlich, daß sich jede Lösung der Schrödingergleichung als Super
position von harmonischen Eigenfunktionen darstellen ließ und es dadurch möglich
wurde, im einzelnen zu verfolgen, wie Teilchenbewegungen mit der Fortpflanzung
von Wellenpaketen verglichen werden können.
Die Entstehung der Quantenmechanik XI
Im Anfang herrschte jedoch eine gewisse Unklarheit über das gegenseitige Verhältnis
der scheinbar so verschiedenen mathematischen Behandlungen der Quantenprobleme.
Als Beispiel der Diskussionen jener Zeit möchte ich anführen, wie ein vonHEISENBERG
ausgedrückter Zweifel an der Möglichkeit, den Stern-Gerlach-Effekt als Wellen
verbreitung zu erklären, von OSKAR KLEIN, der besonders mit der von HAMILTON
hervorgehobenen Analogie zwischen Mechanik und Optik vertraut und selber der
Wellengleichung auf die Spur gekommen war, durch den Hinweis auf die alte
Huygenssche Erklärung der Doppelbrechung von Kristallen beruhigt wurde.
Besonderen Anlaß zu regem Meinungsaustausch gab im Herbst 1926 SCHRÖDINGERS
Besuch in Kopenhagen. Bei dieser Gelegenheit versuchten HEISENBERG und ich
ihn zu überzeugen, daß sich seine schöne Behandlung der Dispersionsphänomene
nicht ohne ausdrückliche Berücksichtigung des individuellen Charakters der Absorp
tions- und Emissionsvorgänge in Einklang mit dem Planckschen Gesetz der Hohl
raumstrahlung bringen ließe.
Die statistische Deutung der Schrödingerschen Wellenmechanik wurde bald durch
BORNS Untersuchungen über Stoßprobleme klargelegt. Die völlige Äquivalenz der
verschiedenen Methoden wurde auch schon 1926 durch die Transformationstheorie
von DIRAC und JORDAN nachgewiesen. In diesem Zusammenhang erinnere ich mich,
wie HEISENBERG in einem Institutskolloquium darauf aufmerksam machte, daß die
Matrixmechanik nicht nur die Bestimmung des Erwartungswertes einer physika
lischen Größe, sondern auch der Erwartungswerte jeder Potenz dieser Größe zuläßt,
und wie in der nachfolgenden Diskussion DIRAC äußerte, daß ihm diese Bemerkung
den Schlüssel zu allgemeinen Transformationen in die Hand gäbe.
Im Winter 1925-26 arbeitete HEISENBERG in Göttingen, wohin auch ich einige Tage
kam. Wir sprachen besonders über die Entdeckung des Elektronenspins, dessen
dramatische Geschichte neuerdings in der Pauli-Gedenkschrift von vielen Seiten
beleuchtet wird. Für den Kreis in Kopenhagen war es eine große Freude, daß
HEISENBERG bei diesem Besuch zustimmte, die Tätigkeit als Dozent an unserem
Institut zu übernehmen, nachdem KRAMERs einen Ruf als Professor für theo
retische Physik nach Utrecht angenommen hatte. Seine Vorlesungen im folgenden
akademischen Jahr wurden nicht nur wegen ihres Inhaltes, sondern auch dank
HEISENBERGS überlegener Beherrschung der dänischen Sprache von den Studenten
hochgeschätzt.
Für die Fortsetzung HEISENBERGS grundlegender wissenschaftlicher Arbeiten war
dieses Jahr überaus fruchtbar. Eine außerordentliche Leistung war die Aufklärung
der Duplexität des Heliumspektrums, die lange als eine der größten Schwierigkeiten
der Quantentheorie des Atombaus betrachtet worden war. Durch HEISENBERGS
Behandlung des Elektronenspins in Verbindung mit den Symmetrieeigenschaften der
Wellenfunktionen erschien das Pauliprinzip in wesentlich klarerem Licht, was
unmittelbar die wichtigsten Folgen nach sich ziehen sollte. HEISENBERG selbst wurde
direkt zum Verständnis des Ferromagnetismus geführt, und bald kam die Aufklärung
von homöopolaren chemischen Bindungen durch HEITLER und LONDON sowie DENNI
SONS Lösung des alten Rätsels der spezifischen Wärme des Wasserstoffs.
Im Zusammenhang mit der raschen Entwicklung der Atomphysik in jenen Jahren
rückte die Frage der logischen Einordnung des reichen Erfahrungsmaterials mehr
und mehr in den Brennpunkt des Interesses. HEISENBERGS tiefgehende Untersuchung
dieser Probleme kam zum Ausdruck in der berühmten Abhandlung "über den