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WICHTIGSTEN WISSENSCHAFTLICHEN ENTDECKUNGEN
Quantenmechanik. Geschichte und Wesen der wissenschaftlichen Entdeckung
Verzeichnis / Die wichtigsten wissenschaftlichen Entdeckungen Wenn die Aufregung über die ersten Erfolge verflogen ist Bohrs Theorie, wurde allen plötzlich eine einfache Wahrheit klar: Bohrs Schema ist widersprüchlich. Vor einer solchen Tatsache konnte man sich nirgends verstecken, und das erklärt den damaligen Pessimismus Einstein, sowie Paulis Verzweiflung. Physiker sind immer wieder davon überzeugt, dass ein Elektron, wenn es sich in einem Atom bewegt, nicht den Gesetzen der Elektrodynamik gehorcht: Es fällt nicht auf den Kern und strahlt nicht einmal, wenn das Atom nicht angeregt wird. All dies war so ungewöhnlich, dass es nicht in meinen Kopf passte: Das aus der Elektrodynamik "entstandene" Elektron geriet plötzlich außer Kontrolle über seine Gesetze. Bei jedem Versuch, einen logischen Ausweg aus einem solchen Teufelskreis zu finden, sind Wissenschaftler immer zu dem Schluss gekommen: Das Bohr-Atom kann nicht existieren. Es stellte sich heraus, dass die Bewegung eines Elektrons in einem Atom einigen anderen Gesetzen gehorcht – den Gesetzen der Quantenmechanik. Quantenmechanik ist die Wissenschaft von der Bewegung von Elektronen in einem Atom. Ursprünglich hieß es so: Atommechanik. Heisenberg - der erste von denen, die das Glück hatten, diese Wissenschaft zu erschaffen. Werner Karl Heisenberg (1901–1976) wurde in Würzburg geboren. Im September 1911 wurde Werner auf ein angesehenes Gymnasium geschickt. 1920 trat Heisenberg in die Universität München ein. Nach seinem Abschluss wurde Werner zum Assistenzprofessor ernannt Max Geboren an der Universität Göttingen. Born war sich sicher, dass sich der atomare Mikrokosmos so sehr von dem in der klassischen Physik beschriebenen Makrokosmos unterscheidet, dass Wissenschaftler bei der Untersuchung der Struktur des Atoms nicht einmal daran denken sollten, die üblichen Konzepte von Bewegung und Zeit, Geschwindigkeit, Raum und einer bestimmten Position von Teilchen zu verwenden. Die Grundlage der Mikrowelt sind Quanten, deren Verständnis oder Erklärung aus den visuellen Positionen veralteter Klassiker nicht hätte erfolgen sollen. Diese radikale Philosophie fand eine herzliche Resonanz in der Seele seines neuen Assistenten. Tatsächlich ähnelte der damalige Stand der Atomphysik einer Art Hypothesenhaufen. Wenn nun jemand durch Erfahrung beweisen könnte, dass das Elektron wirklich eine Welle ist, oder besser gesagt, sowohl ein Teilchen als auch eine Welle. Aber solche Erfahrungen gab es bislang nicht. Und wenn ja, dann sei es falsch, allein von den Annahmen darüber auszugehen, was ein Elektron sei, so der pedantische Heisenberg. Ist es möglich, eine Theorie aufzustellen, in der es nur bekannte experimentelle Daten über das Atom gibt, die durch die Untersuchung des von ihm emittierten Lichts gewonnen werden? Was können Sie sicher zu dieser Leuchte sagen? Dass es diese und jene Häufigkeit und diese und jene Intensität hat, nicht mehr ... Im Juni 1925 ruhte der erkrankte Heisenberg auf der Ostseeinsel Helgoland. Es gelang ihm nicht, sich auszuruhen – dort wurde ihm plötzlich eine unerwartete Wahrheit klar: Man kann sich die Bewegung eines Elektrons in einem Atom nicht als die Bewegung einer kleinen Kugel entlang einer Flugbahn vorstellen. Das ist unmöglich, denn das Elektron ist keine Kugel, sondern etwas Komplexeres, und es ist unmöglich, die Bewegung dieses „Etwas“ so einfach zu verfolgen wie die Bewegung einer Billardkugel. L. Ponomarev schreibt in seinem Buch: „Heisenberg argumentierte: Die Gleichungen, mit denen wir die Bewegung im Atom beschreiben wollen, sollten keine anderen Größen enthalten als die experimentell messbaren. Und aus den Experimenten folgte, dass das Atom stabil ist , besteht aus Kern und Elektronen und kann Strahlen aussenden, wenn es aus dem Gleichgewicht gebracht wird. Diese Strahlen haben eine genau definierte Wellenlänge und treten laut Bohr auf, wenn ein Elektron von einer stationären Umlaufbahn auf eine andere springt. Gleichzeitig tat Bohrs Schema nichts darüber sagen, was dem Elektron im Moment eines Sprungs passiert, sozusagen „im Flug" zwischen zwei stationären Zuständen. Und alle, einschließlich Heisenberg, suchten aus Gewohnheit eine Antwort auf genau diese Frage. Aber bei einigen Punkt wurde ihm klar: das Elektron existiert nicht „zwischen“ stationären Zuständen, es hat einfach keine solche Eigenschaft! Was ist dort? Es gibt etwas, für das er noch nicht einmal den Namen kannte, aber er war überzeugt, dass es nur darauf ankommen sollte, wohin das Elektron ging und woher. Bis dahin hatten Physiker versucht, eine hypothetische Flugbahn für ein Elektron in einem Atom zu finden, die kontinuierlich von der Zeit abhängt und die durch eine Reihe von Zahlen angegeben werden kann, die die Position des Elektrons zu bestimmten Zeitpunkten markieren. Heisenberg argumentierte, dass es im Atom keine solche Flugbahn gibt und anstelle einer kontinuierlichen Kurve eine Reihe diskreter Zahlen, deren Werte von den Zahlen der Anfangs- und Endzustände des Elektrons abhängen. Er stellte sich den Zustand des Atoms wie ein endloses Schachbrett vor, auf dessen Feldern Zahlen geschrieben stehen. Die Werte dieser Zahlen hängen natürlich von der Position des Quadrats auf dem "Atombrett" ab, dh von der Zeilennummer (Anfangszustand) und Spaltennummer (Endzustand), an deren Schnittpunkt die Zahl steht . Wenn die X-Zahlen eine Art Aufzeichnung des "Atomspiels" sind, dann ist alles Notwendige über das Atom bekannt, um seine beobachtbaren Eigenschaften vorherzusagen: das Spektrum des Atoms, die Intensität seiner Spektrallinien, die Anzahl und Geschwindigkeit von Elektronen, die durch ultraviolette Strahlen aus dem Atom geschlagen wurden, und vieles mehr. Die Zahlen X können nicht als Koordinaten eines Elektrons in einem Atom bezeichnet werden. Sie ersetzen sie, oder, wie es später hieß, sie repräsentieren sie. Aber was diese Worte bedeuten – Heisenberg selbst verstand zunächst nicht. Mit Hilfe von Max Born (1882-1970) und Pascual Jordan gelang es jedoch sofort zu verstehen, dass die Zahlentabelle nicht nur eine Tabelle, sondern eine Matrix ist. „Matrizen“, bemerkt L. I. Ponomarev, „sind Mengentabellen, für die es streng definierte Additions- und Multiplikationsoperationen gibt. Insbesondere hängt das Ergebnis der Multiplikation zweier Matrizen von der Reihenfolge ab, in der sie multipliziert werden. Diese Regel mag seltsam und seltsam erscheinen.“ verdächtig, enthält aber an sich keine Willkür. Im Wesentlichen ist es diese Regel, die Matrizen von anderen Größen unterscheidet. Wir haben kein Recht, sie nach Lust und Laune zu ändern – auch die Mathematik hat ihre eigenen unerschütterlichen Gesetze. Diese Gesetze sind unabhängig von der Physik und alle anderen Wissenschaften fixieren in der Sprache der Symbole alle denkbaren logischen Zusammenhänge in der Natur, und es ist nicht im Voraus bekannt, ob alle diese Zusammenhänge in der Realität realisiert sind. Natürlich kannten Mathematiker schon lange vor Heisenberg Matrizen und wussten damit umzugehen. Es war jedoch für alle völlig überraschend, dass diese seltsamen Objekte mit ungewöhnlichen Eigenschaften etwas Realem in der Welt der atomaren Phänomene entsprechen. Das Verdienst von Heisenberg und Born liegt darin, dass sie die psychologische Barriere überwunden, eine Übereinstimmung zwischen den Eigenschaften von Matrizen und den Bewegungsmerkmalen von Elektronen in einem Atom gefunden und damit eine neue atomare Quantenmatrizenmechanik begründet haben. Atomar – weil es die Bewegung von Elektronen in einem Atom beschreibt. Quantum – denn die Hauptrolle in dieser Beschreibung spielt der Begriff des Wirkungsquantums. Matrix – denn der dafür notwendige mathematische Apparat sind Matrizen. In der neuen Mechanik entsprach jede Eigenschaft eines Elektrons – Koordinate, Impuls, Energie – den entsprechenden Matrizen. Dann wurden für sie die aus der klassischen Mechanik bekannten Bewegungsgleichungen niedergeschrieben. Heisenberg stellte noch mehr fest: Er fand heraus, dass die quantenmechanischen Koordinaten- und Impulsmatrizen keine Matrizen im Allgemeinen sind, sondern nur solche, die der Kommutierungs- (oder Permutations-)Relation gehorchen. In der neuen Mechanik spielte diese Permutationsrelation genau dieselbe Rolle wie die Bohrsche Quantisierungsbedingung in der alten Mechanik. Und so wie die Bohr-Bedingungen stationäre Bahnen aus der Menge aller möglichen aussonderten, wählt die Heisenberg-Vertauschungsrelation nur quantenmechanische aus der Menge aller Matrizen aus. Es ist kein Zufall, dass in beiden Fällen – sowohl in den Bohr-Quantisierungsbedingungen als auch in den Heisenberg-Gleichungen – das Plancksche Wirkungsquantum vorhanden sein muss. Das Plancksche Wirkungsquantum geht zwangsläufig in alle Gleichungen der Quantenmechanik ein und kann durch dieses Merkmal eindeutig von allen anderen Gleichungen unterschieden werden. Die neuen Gleichungen, die Heisenberg fand, waren weder die Gleichungen der Mechanik noch die der Elektrodynamik. Aus der Sicht dieser Gleichungen ist der Zustand eines Atoms vollständig gegeben, wenn die Koordinaten- bzw. Impulsmatrizen bekannt sind. Darüber hinaus ist die Struktur dieser Matrizen so, dass das Atom im nicht angeregten Zustand nicht strahlt. Laut Heisenberg ist Bewegung nicht die Bewegung eines Elektronenballs entlang einer beliebigen Flugbahn um den Kern. Bewegung ist eine Änderung des Zustands des Systems in der Zeit, die die Matrizen von Koordinaten und Impuls beschreibt. Neben Fragen nach der Art der Bewegung eines Elektrons in einem Atom verschwand auch die Frage nach der Stabilität des Atoms. Aus der neuen Sichtweise befindet sich das Elektron in einem nicht angeregten Atom in Ruhe und sollte daher nicht strahlen. Heisenbergs Theorie war in sich konsistent, was in Bohrs Schema so sehr fehlte. Gleichzeitig führte es zu den gleichen Ergebnissen wie die Bohrschen Quantisierungsregeln. Darüber hinaus konnte mit seiner Hilfe endlich gezeigt werden, dass Plancks Hypothese über Strahlungsquanten eine einfache und natürliche Konsequenz der neuen Mechanik ist. Es muss gesagt werden, dass die Matrixmechanik sehr günstig erschien. Heisenbergs Ideen wurden von anderen Physikern aufgegriffen und nahmen laut Bohr bald "eine Form an, die in ihrer logischen Vollständigkeit und Allgemeinheit mit der klassischen Mechanik konkurrieren konnte". Es gab jedoch einen deprimierenden Umstand in Heisenbergs Werk. Ihm sei es nicht gelungen, aus der neuen Theorie ein einfaches Wasserstoffspektrum abzuleiten. Und was war seine Überraschung, als er einige Zeit nach der Veröffentlichung seiner Arbeit schrieb: „Pauli hat mir eine Überraschung gegeben: die vollständige Quantenmechanik des Wasserstoffatoms, Theorie des Wasserstoffatoms und wie groß ist meine Überraschung, dass Sie waren in der Lage, es so schnell zu entwickeln"". Physiker begrüßten das Erscheinen von Heisenbergs Matrizenmechanik mit großer Erleichterung: „Die Heisenbergsche Mechanik hat mir Lebensfreude und Hoffnung zurückgegeben. Obwohl sie das Rätsel nicht löst, glaube ich, dass es jetzt wieder möglich ist, voranzukommen“, schrieb Pauli weiter 9. Oktober 1925. Bald rechtfertigte er seinen Glauben selbst. Durch Anwendung der neuen Mechanik auf das Wasserstoffatom erhielt er die gleichen Formeln wie Niels bohr basierend auf ihren Postulaten. Natürlich tauchten neue Schwierigkeiten auf, aber das waren Wachstumsschwierigkeiten und nicht die Hoffnungslosigkeit einer Sackgasse. Autor: Samin D. K.
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