Texte zur Quantentheorie
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Josef Rothleitner Texte zur Quantentheorie 2005 Jahr der Physik Josef Rothleitner Institut für Theoretische Physik Universität Innsbruck A-6020 Innsbruck HOFFNUNG: Erziehung ist alles zu Hoffende, alles Tröstende ist Kunst. Erziehung ist Liebe zum Erzeugten, lieben über sich hinaus. : Friedrich Nietzsche TRAUM: Die Menschen bekommen wieder ein Gefühl für die Notwendigkeit von Ideen und haben gleichzeitig ihre Lust daran. : Jose Ortega y Gasset FAZIT: Ein toter Mann ist ein toter Mann. : H. M. Enzensberger i Vorwort Die Physiker haben das Jahr 2005 zum Jahr der Physik ausgerufen. Mit gutem Recht: 1905, vor 100 Jahren also, begann mit 2 Veröffentlichungen des jungen Albert Einstein das Zeitalter der modernen Physik. Die “spezielle Relativitätstheorie“ ist heute unbestrittene und wohlverstandene Grundlage jeder fundamentalen Theorie der Naturerscheinungen. Die einzige Ausnahme ist heute Einsteins Theorie der Gravitation, der er den unglücklichen Namen “Allgemeine Relativitätstheorie“ gab. (misnomer, V.A.Fock). Die 2. Arbeit Einsteins von 1905 enthält mit der Lichtquantenhypothese die eigentliche Geburtsstunde der Quantentheorie; diese Theorie hat das vergangene Jahrhundert geprägt. In direkter Nachfolge dieser Idee Einsteins stehen die Arbeiten von de Broglie, E. Schrödinger, W. Pauli und A.P.M. Dirac, die eine Feldtheorie der Elektromaterie schufen: Schrödingergleichung, Pauligleichung, Diracgleichung. 1925, vor 80 Jahren, begann mit einer Arbeit Heisenbergs das Zeitalter der Quantenmechanik. Der Keim zu dieser neuen Physik wurde von N. Bohr mit seinem Atommodell 1913 gelegt. M. Born zeigte, dass mit der Quantenmechanik die deterministische Naturbeschreibung ihr Ende gefunden hat: grundsätzlich unaufhebbare Unbestimmtheiten machen eine probabilistische Naturbeschreibung unumgänglich. Die Quantentheorie führte im Laufe des vergangenen Jahrhunderts zu einer Fülle von praktischen Fortschritten, die unser Leben heute prägen: Transistor, Fernsehen, PC, Mobiltelefon, Laser, CD, etc. .... Philosophisch blieb die Quantentheorie bis heute ein Rätsel, das die fähigsten Denker an den Rand der Verzweiflung trieb. Die Texte, die in diesem Heft zusammengestellt sind, können dieser schmerzenden Wunde vielleicht eine gewisse Erleichterung schaffen. Zunächst schaffen 2 philosophische Texte: nach M. Schlick bzw. K. Popper eine reinliche Verstandesgrundlage und führen aus dem Sumpf und Nebel der Folklore in lichte Gefilde. Der Text über die Unvollständigkeit der Quantentheorie ist enthalten im Briefwechsel zwischen Born und Einstein. Die Gedankentiefe Einsteins, die zunächst sogar Born, der Schöpfer der probabilistischen Interpre- ii tation der Quantenmechanik, nicht fassen konnte, scheint mir unausweichlich zur Ensemble-Interpretation zu führen; allerdings zu Ensembles, die auch in maximal präparierten Zuständen (reinen Zuständen) unaufhebbare Unbestimmtheiten enthalten. Der Text über Indeterminismus und Nichtlokalität demonstriert eindrucksvoll die Probleme, die führende Physiker auch heute noch mit der Quantentheorie haben. Der Text über die Vorstufen der Quantenmechanik enthält unter dem Titel Bohrmechanik eine neuartige Sicht auf die Bohr’schen Quantenpostulate, die deren probabilistischen Aspekt klar zum Ausdruck bringt. Der Text über die Logik der Quantenmechanik stellt meine Interpretation der Quantentheorie in der Nachfolge Einsteins als “Ensemble“Interpretation in kürzester Form dar. Der letzte Text hat die Quantentheorie des Lichtes zum Gegenstand. Er bezieht sich direkt auf Einsteins grundlegende Lichtquantenhypothese von 1905 und stellt in kürzester Form dar, wie sich daraus die Quantenfeldtheorie der Photonen entwickeln läßt. Dabei erhellt sich auch die, selbst heute noch oft unklar dargestellte, Problematik bei der Quantisierung der “Maxwell-Gleichungen“, welche auf der Besonderheit beruht, dass das Photon die Ruhmasse 0 hat. Außerdem wird darin klargestellt, wie die nichtrelativistische Quantenoptik als eine konsistente mathematische Theorie gelten kann. Innsbruck, Dezember 2004 Josef Rothleitner INHALTSVERZEICHNIS Quantentheorie und Erkenntnis der Natur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Die Propensitätsinterpretation der Wahrscheinlichkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Die Unvollständigkeit der Quantentheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Indeterminismus und Nichtlokalität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Die Vorstufen der Quantentheorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23 Die Logik der Quantenmechanik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Die Quantentheorie des Lichtes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
