Physiknobelpreis 1933: Paul Adrien Maurice Dirac — Erwin Schrödinger

Physiknobelpreis 1933: Paul Adrien Maurice Dirac — Erwin Schrödinger

 

Der britische und der österreichische Physiker erhielten den Nobelpreis für die Entdeckung neuer prokuktiver Formen der Atomtheorie.

 

 Biografien

 

Paul Adrien Maurice Dirac, * Bristol 8. 8. 1902, ✝ Tallahassee (Florida) 20. 10. 1984; 1927 Fellow am St. John's College in Cambridge, ab 1932 Inhaber des Lucasischen Lehrstuhls für Mathematik in Cambridge, 1969 Emeritierung und Übersiedlung nach Florida; wichtige Beiträge zur theoretischen und mathematischen Physik, insbesondere die Vorhersage von Antimaterie.

 

Erwin Schrödinger, * Wien 12. 8. 1887, ✝ Wien 4. 1. 1961;1920 Extraordinarius an der Universität Stuttgart, ab 1921 ordentliche Professur zuerst in Breslau, dann Zürich und Berlin, nach 1933 in Oxford und Graz, 1938 Emigration nach Irland, ab 1940 Direktor am Institute for Advanced Studiesin Dublin, 1956 Rückkehr nach Wien; Entdecker der wellenmechanischen Formulierung der Quantenmechanik.

 

 Würdigung der preisgekrönten Leistung

 

Die Jahre 1925-30 werden häufig als »Goldenes Zeitalter der Physik« bezeichnet, denn in diese Zeit fällt die eigentliche Vollendung der Quantentheorie. Zu den bedeutenden Pionierarbeiten zählen dabei insbesondere Erwin Schrödingers Darstellung der Quantentheorie als Wellenmechanik und Paul Diracs speziell-relativistische Erweiterung der Theorie.

 

 Quantentheorie als Wellenmechanik

 

Bereits 1924 hatte Louis de Broglie (Nobelpreis 1929) die Idee entwickelt, Materieteilchen wie etwa das Elektron unter einem wellentheoretischen Aspekt aufzufassen. Mit diesem Konzept der Materiewellen übertrug er dabei erstmals Welleneigenschaften auf die bislang nur korpuskular vorgestellte Materie. Ein Jahr später entdeckte Werner Heisenberg (Nobelpreis 1932) die Matrizenmechanik als erste vollständige Quantenmechanik. In ihr sollten lediglich die direkt beobachtbaren Größen, nämlich die atomaren Frequenzzustände, untersucht werden — der Begriff der Elektronenbahn oder gar eine sich kontinuierlich ausbreitende Elektronenwelle hatten in dieser Theorie keinen Platz. Dieser, wie er fand, positivistischen Auffassung trat Erwin Schrödinger 1926 mit vier Arbeiten zur »Quantisierung als Eigenwertproblem« entgegen, wobei er den de Broglie'schen Gedanken der Materiewellen aufgriff und es ihm gelang, hierauf eine schlüssige Wellenmechanik mit zugrundeliegender Wellengleichung — der später so genannten Schrödingergleichung — aufzubauen.

 

Schrödingers Formalismus schien zweierlei zu gestatten: eine im Gegensatz zur Matrizenmechanik einfachere Handhabung quantenmechanischer Probleme sowie die, wie Schrödinger betonte, Rückkehr zu mehr Anschaulichkeit in den Grundlagen der Quantenmechanik. Die letztgenannte Hoffnung erfüllte sich nicht. Denn wie Max Born (Nobelpreis 1954) bereits 1927 aufzeigte, kann der von Schrödinger eingeführten Wellenfunktion keine Realinterpretation (etwa im Sinne einer Ladungsdichte des Elektrons) zukommen. Stattdessen ist das Absolutquadrat dieser Größe als Aufenthaltswahrscheinlichkeit zu interpretieren. Der Wellencharakter der Materie stellt aber gleichwohl einen Wesenszug der Quantenmechanik dar — er konnte bereits 1927 in Experimenten von Clinton Joseph Davisson (Nobelpreis 1937), Lester Germer und Sir George Paget Thomson (Nobelpreis 1937) bestätigt werden.

 

 Relativistische Quantenmechanik

 

Kurz nach der matrizen- und wellenmechanischen Formulierung der Quantenmechanik erarbeiteten der junge britische Physiker Paul Dirac und — in einer eigenen Arbeit — der deutsche Physiker Pascual Jordan eine abstrakte Transformationstheorie, die es gestattete, beide Formulierungen als äquivalente Darstellungen derselben abstrakten Quantentheorie aufzufassen. Auch Schrödinger kam zu diesem Ergebnis.

 

Es lag nun nahe, die neu entstandene Quantenmechanik mit der Speziellen Relativitätstheorie zu vereinen. Schrödinger und unabhängig von ihm andere Forscher hatten bereits 1926 eine mögliche relativistische Wellengleichung vorgeschlagen, die aber auf konzeptionelle Widersprüchlichkeiten in Form negativer Energielösungen führte. 1927 gelang Dirac zunächst eine Quantisierung des elektromagnetischen Strahlungsfelds, das aus sich heraus die relativistische Invarianz befriedigt. Ein Jahr später konnte Dirac dann eine Gleichung entwickeln, die auch für Materiefelder den Invarianzforderungen genügte. Die Diracgleichung brachte zwei ungewöhnliche theoretische Vorhersagen mit sich: Zum einen führte sie zwangsläufig auf die Existenz von Teilchen mit halbzahligem Spin — und gestattete so eine relativistische Erklärung dieses experimentell bereits bekannten Phänomens. Zum anderen enthielt jede Lösung der Gleichung zugleich ebenso viele Teilchen- wie Antiteilchen-Zustände. Also war auch die Diracgleichung von negativen Energiezuständen geplagt, aber Dirac setzte sich durch eine kühne Interpretation dieser Zustände als Löcher eines im Grundzustand immer schon gefüllten »Sees negativer Energie« darüber hinweg. Er vermutete die Existenz eines zum Elektron passenden Antiteilchens, das er zunächst fälschlich als Proton identifizierte, dann aber als positives Elektron voraussagte. Als 1932 Carl David Andersons (Nobelpreis 1936) Experimente tatsächlich die Existenz dieses so genannten »Positrons« zeigten, war Diracs Theorie triumphal bestätigt.

 

 Unkonventionelle Einzelgänger

 

Als Persönlichkeiten waren Schrödinger und Dirac durchaus verschieden. Schrödinger war ein Mann von hoher Kultur und umfassender humanistischer Bildung — wenngleich auch in seinem Privatleben durchaus unstet. Sein vielbeachteter Essay »Was ist Leben?« von 1944 inspirierte eine ganze Generation späterer Molekularbiologen und Biophysiker. Schrödinger befasste sich auch mit Weiterentwicklungen der Allgemeinen Relativitätstheorie. Seine lebenslange Abneigung gegen die statistische Natur der Quantentheorie — die er mit Einstein teilte — veranlasste ihn immer wieder zu Stellungnahmen in den Interpretationsfragen der Theorie. Bekannt geworden ist in diesem Zusammenhang sein »Katzenparadox«, nämlich die Illustration der Überlagerung quantentheoretischer Zustände durch Verlängerung auf ein makroskopisches Objekt — eine Katze, die sich in einer ausgeklügelten Apparatur der Quantentheorie zufolge im Überlagerungszustand von tot und lebendig befinden sollte — was Schrödinger als offensichtlich »burlesk« verspottete.

 

Paul Dirac hingegen war ein schweigsamer und introvertierter, zu seinen Lebzeiten bereits wegen seiner hohen mathematischen Begabung und seiner wortkargen Art legendär angesehener Wissenschaftler, der stets die Bedeutung der mathematischen Vollkommenheit und Harmonie für die Grundlagen der Physik betonte und dabei eine rationalistisch-platonistische Haltung einnahm. Seine Forderung nach der Existenz magnetischer Monopole etwa entsprang diesem Harmonie- und Symmetriebedürfnis. Im Jahr 1938 entwickelte Paul Dirac einen — bis heute nicht bestätigten — kosmologischen Ansatz, der sich auf Überlegungen zum teilweise verblüffenden Verhältnis großer Zahlen in der Physik stützte. Dirac war auch hier überzeugt, dass derartige zahlenmäßige Übereinstimmungen auf eine tiefere Begründung verweisen.

 

Paul Dirac und Erwin Schrödinger waren Einzelgänger, deren eigene unkonventionelle, sich nicht an Moden orientierende Art vielleicht typisch ist für die wirklich bedeutenden Vertreter einer Wissenschaft.

 

H. Lyre