Zum 150. Geburtstag von Max Planck

Auf der Suche nach dem Absoluten in der Physik

Von Knut Urban
23.04.2008
, 06:00
Begründer der Quantenphysik: Max Karl Ernst Ludwig Planck
Er unternahm den ersten Schritt hin zur modernen Physik: Max Planck, der heute vor 150 Jahren geboren wurde. Der Vater der Quantenphysik spürte den Geheimnissen der Naturgesetze nach - und veränderte dabei das Weltbild radikal.
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Das Protokollbuch der Sitzungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft vermerkt für den 14. Dezember 1900 einen Beitrag von Max Planck mit dem Titel „Zur Theorie des Gesetzes der Energieverteilung im Normalspektrum“. Darin lieferte Planck eine Begründung für eine Strahlungsformel, die er auf der Grundlage neuer Messergebnisse entwickelt hatte, welche die spektrale Verteilung der von einem glühenden Körper ausgehenden Strahlung betrafen. In seiner „glücklich erratenen Interpolationsformel“ hatte er „diskrete Energieelemente“ der Größe E = h·v eingeführt, wobei v die Frequenz der Strahlung und h das später nach Planck benannte Wirkungsquantum ist. Die Energieelemente, für Planck zunächst nur ein formales Hilfsmittel, gelten als erste Manifestation der Diskontinuität der Natur in der theoretischen Physik und bildeten den Ausgangspunkt der Quantenphysik, die in den folgenden Jahrzehnten entwickelt wurde.

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Zur Zeit seiner Arbeiten über die Wärmestrahlung stand Planck, der auf den Tag genau vor 150 Jahren geboren wurde, am Anfang seines fünften Lebensjahrzehnts. Er hatte bereits eine ansehnliche akademische Karriere hinter sich: Physikstudium in München und Berlin, Promotion mit 21 Jahren, schon ein Jahr später Habilitation, außerordentlicher Professor in Kiel und Berlin, dort 1892 Ernennung zum Ordinarius für theoretische Physik und Aufnahme in die Preußische Akademie der Wissenschaften.

„Die schönste wissenschaftliche Lebensaufgabe“

Nicht anders, als es auch heute noch bei jungen Menschen der Fall ist, steht bei Planck am Anfang die Suche nach der Lebensaufgabe: „Das Suchen nach den Gesetzen, die für dieses Absolute gelten, erschien mir als die schönste wissenschaftliche Lebensaufgabe ... So kam es, dass ich als erstes Gesetz, welches unabhängig vom Menschen eine absolute Geltung besitzt, das Prinzip der Erhaltung der Energie wie eine Heilsbotschaft in mich aufnahm“, sagt er später. Plancks Suche nach dem Absoluten hat etwas Religiöses an sich, das man auch bei anderen großen Physikern findet.

Das Prinzip von der Erhaltung der Energie, das Planck als Heilsbotschaft ansah, wird auch als Erster Hauptsatz der Thermodynamik bezeichnet. Diese Wissenschaft von der Energie, ihren Erscheinungsformen und Umwandlungen war für die im 19. Jahrhundert einsetzende Industrialisierung von beträchtlicher Bedeutung. Zur Zeit der Geburt Plancks war die Tatsache, dass Energie weder erzeugt noch vernichtet, sondern nur in andere Energieformen umgewandelt werden kann, bereits seit rund zehn Jahren als fundamental anerkannt. Die Energie ist eine Konstante des Universums und mit dessen Entstehung in die Welt gekommen.

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Das Verständnis eines Naturgesetzes

Von noch weit größerer Bedeutung für Plancks wissenschaftliche Entwicklung erwiesen sich jedoch der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik und das damit verbundene Prinzip der Entropie, das Rudolph Clausius als ein Maß für die Zunahme an Unordnung definiert hatte. Danach laufen in einem abgeschlossenen System die Prozesse stets so ab, dass die Entropie zunimmt, bis im Gleichgewichtszustand ein maximaler Wert erreicht ist. Im Falle des Mischens von zwei Gasen erkennt man unmittelbar, was für alle nicht umkehrbaren Prozesse grundlegend ist, nämlich dass die Entropie zunimmt. Sauerstoff und Kohlendioxid beispielsweise lassen sich ohne weiteres mischen, wie das in unserer Atmosphäre der Fall ist, aber dass sie sich später spontan wieder trennen würden, wird nicht beobachtet.

Planck war von Clausius' Schriften so fasziniert, dass er sich der Thermodynamik verschrieb. Dabei stand das tiefere Verständnis des Zweiten Hauptsatzes im Mittelpunkt seines Interesses. In seiner Dissertation, 1879, definiert er ihn als ein universell gültiges Naturgesetz und verbindet damit die stringente Forderung: Hat sich der Gleichgewichtszustand einmal eingestellt, dann sind, solange die Bedingungen unverändert bleiben, auch keine noch so kleinen Abweichungen davon zugelassen. Das Gleichgewicht ist „absolut stabil“. Das damit zum Ausdruck gebrachte Verständnis eines Naturgesetzes entsprang Plancks Vorstellungen vom „Absoluten“, die sich damit allerdings als weit weniger „unabhängig vom Menschen“ erwiesen, als es seinem Credo entsprach.

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Planck lehnte die Atomvorstellung ab

Jeder weiß heute, dass die Materie aus Atomen besteht. Als Planck seine wissenschaftliche Karriere begann, war dies aber noch bei weitem nicht klar. Er selbst lehnte die Atomvorstellung ab, insbesondere weil er sie nicht mit dem Zweiten Hauptsatz für vereinbar hielt. Dadurch stellte sich Planck in Opposition zu Ludwig Boltzmann, der 1877, zwei Jahre vor Plancks Dissertation, eine auf der Atomvorstellung beruhende statistische Erklärung des Zweiten Hauptsatzes gegeben hatte. Boltzmann führte die Entropie eines idealen Gases auf die Zahl der Möglichkeiten zurück, mit der sich ein bestimmter Zustand durch die unterschiedliche Anordnung und Verteilung der Bewegungsenergie der Moleküle verwirklichen lässt, die über Zusammenstöße miteinander wechselwirken.

Die Einstellung des Gleichgewichtszustandes ist damit nichts anderes als ein Übergang von einem weniger wahrscheinlichen in den wahrscheinlichsten Zustand. Aufgrund der ständigen Bewegung gibt es zwar zeitlich fluktuierende Abweichungen davon, aber im Mittel und wenn man die große Zahl der Moleküle berücksichtigt, ist der Gleichgewichtszustand damit recht genau definiert. Für Planck und sein Postulat eines „absolut stabilen“ Gleichgewichts war das jedoch nicht genau genug.

Eindrucksvolle Züge der wissenschaftlichen Biographie

Es gehört zu den eindrucksvollen Zügen der wissenschaftlichen Biographie Plancks, dass er sich bei seiner Arbeit am Strahlungsgesetz am Ende gezwungen sah, Boltzmanns statistische Deutung der Entropie und damit auch die Atomvorstellung zu akzeptieren und zu übernehmen. Plancks Interesse an den Strahlungsspektren glühender Körper wurde durch Messungen an der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt (PTR) geweckt. Dort gelang es Otto Lummer und seinen Mitarbeitern 1895, den von Gustav Kirchhoff bereits vierzig Jahre zuvor beschriebenen idealen Strahler zu verwirklichen. Dieser bestand aus einem Hohlraum, dessen Wände auf eine hohe Temperatur geheizt wurden. Durch ein kleines Loch konnte man die ausgesandte Strahlung beobachten. Damit ließ sich die spektrale Intensitätsverteilung in Abhängigkeit von der Temperatur mit einer nie zuvor gekannten Genauigkeit messen. Die Messungen sollten primär der technischen Metrologie und Standardisierung dienen, sie hatten aber gleichzeitig das Ziel, das bis dahin weitgehend unverstandene Phänomen der Lichtemission zu studieren.

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Was Planck in besonderem Maße faszinierte, war die von Kirchhoff abgeleitete Eigenschaft der Intensitätsverteilung des idealen Strahlers, des sogenannten Normalspektrums: Sie hängt allein von der Temperatur und der Wellenlänge ab. Diese Universalität kam Plancks Vorstellungen vom Absoluten entgegen, und er verband damit die Hoffnung, dass ein Verständnis der Wärmestrahlung zu grundsätzlich neuen Einsichten führen würde. Plancks Ableitung seiner Strahlungsformel beruht auf einem Modell, dessen wichtigstes Element eine Verteilung von Oszillatoren über den Strahlungshohlraum ist. Planck stellte sich schwingende elektrische Dipole vor, wie sie Heinrich Hertz erst kurz zuvor beschrieben hatte. Diese sollten aus dem Strahlungsfeld Energie aufnehmen, die sie über völlig ungeordnete und unkorrelierte Abstrahlung in alle Richtungen wieder abgeben.

Der erste Schritt zur modernen Wissenschaft

Um den Gleichgewichtszustand berechnen zu können, bedurfte es eines Ausdrucks für die Entropie der Oszillatoren. Da alle Anläufe, diesen Ausdruck auf klassische Weise abzuleiten, zum falschen Ergebnis führten, übernahm Planck versuchsweise Boltzmanns statistische Entropievorstellung. Aber auch diese führte erst dann zum richtigen Ergebnis, als Planck annahm, dass sich die Energie der Oszillatoren aus einer bestimmten Anzahl endlicher gleicher Teile, den Energieelementen, zusammensetzte, welche sich aus dem Produkt der Frequenz der Strahlung und der Naturkonstanten h berechneten.

Arnold Sommerfeld und nach ihm viele andere haben den 14. Dezember 1900 als den „Geburtstag der Quantenphysik“ bezeichnet. Diese Würdigung eines einzigen Tages aus einer zeitlich ausgedehnten wissenschaftlichen Entwicklung entbehrt nicht eines gewissen dramatischen Reizes. Die moderne Wissenschaftsgeschichte zeichnet jedoch ein wesentlich differenzierteres Bild. Armin Hermann charakterisiert dieses so: „Ohne sich zunächst über die Tragweite seines neuen Ansatzes klar zu sein, vollzog er den ersten Schritt weg von der alten, klassischen Physik des neunzehnten Jahrhunderts und hin zur modernen Wissenschaft.“ Tatsächlich hat Planck in seinen Arbeiten, die ihn zum Strahlungsgesetz führten, keinerlei Hinweise darauf gegeben, welche physikalische Bedeutung seinen Energieelementen und der neuen Konstanten h zukommen sollte, und der Wissenschaftshistoriker Layton Gearhart kommt 2002 zu dem Schluss, dass Planck die diskreten Energieelemente als eine rein formale Annahme eingeführt hat, um als Resultat seine Gleichung zu erhalten.

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Was spätere Generationen einen „Durchbruch“ nennen

Auf alle Fälle besteht heute Einigkeit darüber, dass Plancks Vorgehensweise nichts mit einer „Quantisierung“ gemein hat, so wie wir dies heute verstehen würden. In den Naturwissenschaften hält man sich gewöhnlich an die Resultate und kümmert sich wenig darum, was einer bei deren Erarbeitung gedacht hat. Ist es deshalb müßig, sich über Plancks Motive bei der Ableitung seines Strahlungsgesetzes Gedanken zu machen? Wohl kaum. Der Weg, welcher zum Strahlungsgesetz und darüber hinaus führt, ist ein besonderes Lehrstück darüber, wie Wissenschaft funktioniert. Der Weg zu neuen Erkenntnissen verläuft entgegen weitverbreiteten Vorstellungen nicht immer rein logisch, er enthält nicht selten Elemente subjektiver Wertung, und er verläuft über Rückschläge, Höhen und Tiefen, und wenn ein Ergebnis erreicht ist, braucht es noch lange nicht gleich als das erkannt zu werden, was spätere Generationen einen „Durchbruch“ oder gar eine „Revolution“ nennen.

Max Planck wusste sofort, dass ihm eine wichtige Entdeckung gelungen war. Diese sah er aber darin, dass er zwei neue Naturkonstanten gefunden hatte, nicht nur h, sondern auch die später nach Boltzmann benannte Konstante k, für die er recht genaue Werte aus den experimentellen Daten ableiten konnte. Auf Basis von h und k war es ihm möglich, die Avogadrosche Zahl, die Masse des Wasserstoffatoms und die Ladung des kurz zuvor entdeckten Elektrons, zu berechnen. Dass seine Werte mit den Ergebnissen übereinstimmten, die man auf ganz anderem Wege gewonnen hatte, bestätigte Planck darin, dass das Strahlungsgesetz von fundamentaler Bedeutung sei. Eines war auf alle Fälle klar: Dieses Gesetz bedeutete eine klare Bestätigung für den Aufbau der Materie aus Atomen.

Der größte Skeptiker

Die Physik, die hinter h steckt, erschloss sich erst nach und nach. Den Anfang machte Albert Einstein 1905 mit der Erklärung des Photoeffektes, für die er die Hypothese von den Lichtquanten einführte. Es ist in besonderem Maße bemerkenswert, dass es in erster Linie Max Planck selbst gewesen ist, der mehr als ein Jahrzehnt lang der größte Skeptiker hinsichtlich der Bedeutung seiner eigenen Entdeckung blieb und immer wieder von neuem versuchte, das Wirkungsquantum „irgendwie der klassischen Theorie einzugliedern“. Im Zögern von Planck, die mit seiner eigenen Arbeit begründete Quantenphysik anzunehmen, liegt nicht etwa etwas Tragisches oder gar ein Element der Unbelehrbarkeit.

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Planck sah im Finden von Wahrheit das unantastbare Ziel von Wissenschaft, dem zu dienen für den Wissenschaftler kompromisslose Pflicht ist: „Wehe dem Forscher, der in dem Vorwärtsdrängen nach großen, weitreichenden Resultaten . . . die gewissenhafteste Prüfung und Sicherung der gewonnenen Stellung unterlässt.“ In unserer heutigen Zeit, in welcher der rasche und spektakuläre Erfolg einschließlich ins Dramatische gesteigerter, daraus abgeleiteter Zukunftsvisionen zum Leitbild zu werden droht, erscheint es angebracht, sich an das Vorbild Plancks zu erinnern.

Arbeiten, die Weltbild erschüttern

Die Entwicklung der Quantenphysik - eine der größten Kulturleistungen der Menschheit - nahm, nachdem der erste Schritt getan war, etwa drei Jahrzehnte in Anspruch. Und noch heute, nachdem sie die Grundlage einer unüberschaubaren Menge von Anwendungen geworden ist, werden immer wieder neue, erstaunliche Experimente gemacht. Planck, der sich bald auch als ein großer Förderer der Relativitätstheorie erwies, konnte diese Entwicklung der modernen Physik noch über Jahrzehnte verfolgen. Im Jahr 1918 erhielt er für seine bahnbrechenden Arbeiten den Nobelpreis. 1926 verließ der Physiker, der auch viele bedeutende Ämter bekleidet hatte, im Alter von 68 Jahren die Universität. Als er am 4. Oktober 1947 fast neunzigjährig starb, hatte sich die Welt grundlegend verändert. Es hat zu allen Zeiten bedeutende Menschen gegeben, deren Schicksal es ist, den Wandel der Zeiten im eigenen Erleben zu verkörpern.

Planck hat den Untergang der bürgerlichen Gesellschaft alten Stils und des von ihr geprägten Weltbildes in den beiden Weltkriegen und in der Zeit dazwischen erlebt. Dabei blieb es ihm nicht erspart, in Zeiten seiner öffentlichen Verantwortung unter schwierigen Umständen handeln und Stellung beziehen zu müssen. Der Physiker Planck begann seine wissenschaftliche Laufbahn im Bewusstsein einer Geborgenheit in der metaphysisch interpretierten klassischen Physik. Es waren seine eigenen Arbeiten, welche dieses Weltbild erschütterten, und er musste zusehen, wie die sich daraus entwickelnde Quantenphysik zusammen mit der Relativitätstheorie die alte Welt zum Einsturz brachte. Die in den Folgejahren entstandene neue Welt der Physik erwies sich dann als weit komplexer und schwieriger im Verständnis als die alte, aber nicht weniger spannend und nach wie vor offen für das Unerwartete.

Der Autor ist Professor für Experimentalphysik an der RWTH Aachen und Direktor am Institut für Festkörperforschung des Forschungszentrums Jülich.

Quelle: F.A.Z.
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