tb-2Atomphysik   
 
WERNER HEISENBERG
Diskussionen über die Sprache

Philosophie und Quantentheorie
Die Kopenhagener Deutung der QT
Kausalgesetz und QT
Sprache und Wirklichkeit
Ich hatte mich darüber geärgert, daß die Positivisten so tun, als habe jedes Wort eine ganz bestimmte Bedeutung und als sei es unerlaubt, das Wort in einem anderen Sinne zu verwenden.

Das "goldene Zeitalter der Atomphysik" ging schnell seinem Ende entgegen. Der Katastrophe im Januar 1933 folgte noch einmal eine glückliche Ferienzeit mit den alten Freunden, die wie ein schöner, aber schmerzlicher Abschied vom "goldenen Zeitalter" lang in unserer Erinnerung nachleuchtete.

In den Bergen oberhalb des Dorfes Bayrischzell auf der Steilen Alm am Südhang des Großen Traithen stand mir eine Skihütte zur Verfügung. Sie war früher einmal von meinen Freunden aus der Jugendbewegung wiederaufgebaut worden, nachdem eine Lawine sie halb zerstört hatte. Der Vater eines Kameraden, ein Holzhändler, hatte Holz und Werkzeug gestiftet, der Bauer, dem die Hütte gehörte, das Baumaterial im Sommer auf die Alm gefahren, und im Lauf einiger schöner Herbstwochen war durch die Arbeit meiner Freunde ein neues Dach entstanden, die Fensterläden waren repariert und im Inneren eine Schlafstelle hergerichtet.

Im Winter durften wir dafür regelmäßig die Alm als Skiunterkunft benutzen, und für die Osterferien 1933 hatte ich Niels (Bohr) und seinen Sohn Christian, Felix Bloch und Carl Friedrich (Weizsäcker) zu einem Skiurlaub auf die Hütte eingeladen. Niels, Christian und Felix wollten von Salzburg, wo Niels irgendeine Verpflichtung hatte, nach Oberaudorf herüberkommen und von dort aufsteigen. Carl Friedrich und ich waren schon zwei Tage vorher zur Hütte gegangen, um sie wohnlich herzurichten und mit Proviant zu versorgen.

Wir lagen auf dem freigeschaufelten Hüttendach in der Sonne und sprachen über die neuesten Ereignisse unserer Wissenschaft. Niels hatte eine Photographie, eine Nebelkammeraufnahme aus Kalifornien, mitgebracht, die sofort im Mittelpunkt des Interesses stand und über die wir heftig diskutierten. Es handelte sich um ein Problem, das einige Jahre vorher durch PAUL DIRAC in seiner Arbeit über die relativistische Theorie des Elektrons aufgeworfen worden war. In dieser Theorie, die sich inzwischen an der Erfahrung ausgezeichnet bewährt hatte, mußte aus mathematischen Gründen der Schluß gezogen werden, daß es neben den elektrisch negativ geladenen Elektronen noch eine zweite verwandte Teilchensorte geben sollte, die elektrisch positiv geladen war.

DIRAC hatte zunächst versucht, diese hypothetischen Teilchen mit dem Proton, das heißt dem Atomkern des Wasserstoffatoms, zu identifizieren. Damit waren wir anderen Physiker aber nicht zufrieden gewesen; denn man konnte fast zwingend nachweisen, daß die Masse dieser positiv geladenen Teilchen ebensogroß sein mußte wie die der Elektronen, während die Protonen ja fast zweitausend mal schwerer sind. Außerdem sollten sich die hypothetischen Teilchen ganz anders verhalten als die gewöhnliche Materie. Sie sollten dann, wenn sie mit diesen zusammen in Strahlung verwandeln können. Heute sprechen wir daher auch von "Antimaterie".

Nun zeigte uns also Niels eine Nebelkammeraufnahme, aus der die Existenz eines derartigen "Antiteilchens" hervorzugehen schien. Man sah eine Spur von Wassertröpfchen, die offenbar durch eine von oben kommende Partikel erzeugt war. Das Teilchen hatte dann eine Bleiplatte durchschlagen und auf der anderen Seite der Platte wieder eine Spur hinterlassen. Die Nebelkammer lag in einem starken Magnetfeld, die Spuren waren daher durch die ablenkende magnetische Kraft gekrümmt. Die Dichte der Wassertröpfchen in der Spur entsprach genau der Dichte, die für Elektronen zu erwarten war. Aus der Krümmung aber mußte auf eine positive elektrische Ladung geschlossen werden, wenn das Teilchen wirklich von oben gekommen war.

Diese letztere Annahme aber wiederum folgte fast zwangsläufig aus der Tatsache, daß die Krümmung oberhalb der Platte geringer war als unterhalb, daß also das Teilchen in der Bleiplatte an Geschwindigkeit verloren hatte. Wir diskutierten nun lange über die Frage, ob diese ganze Schlußkette zwingend sei. Es war uns allen klar, daß es sich um ein Ergebnis von größter Tragweite handeln könnte. Nachdem sich unser Gespräch eine Zeitlang um mögliche experimentelle Fehlerquellen gedreht hatte, fragte ich Niels:

"Ist es nicht merkwürdig, daß wir in dieser ganzen Diskussion niemals über Quantentheorie reden? Wir tun so, als sei das elektrisch geladene Teilchen genauso ein Ding, wie ein elektrisch geladenes Öltröpfchen oder ein Holundermarkkügelchen aus den alten Apparaten. Wir wenden völlig unbesehen die Begriffe der klassischen Physik darauf an, so als ob wir noch nie von den Grenzen dieser Begriffe und von den Unbestimmtheitsrelationen gehört hätten. Können dadurch nicht doch Fehler entstehen?"

"Nein, ganz sicher nicht", antwortete Niels. "Es gehört doch geradezu zum Wesen eines Experiments, daß wir das Beobachtete in den Begriffen der klassischen Physik beschreiben können. Darin besteht natürlich auch die Paradoxie der Quantentheorie. Einerseits formulieren wir Gesetze, die anders sind als die der klassischen Physik, andererseits benützen wir an der Stelle der Beobachtung, dort wo wir messen oder photographiern, die klassischen Begriffe ohne Bedenken. Und wir müssen das tun, weil wir ja auf die Sprache angewiesen sind, um unsere Ergebnisse andern Menschen mitzuteilen. Ein Meßapparat ist eben nur dann ein Meßapparat, wenn in ihm aus dem Beobachtungsergebnis ein eindeutiger Schluß auf das zu beobachtende Phänomen gezogen, wenn ein strikter Kausalzusammenhang vorausgesetzt werden kann.

Sofern wir aber ein atomares Phänomen theoretisch beschreiben, müssen wir an irgendeiner Stelle einen Schritt ziehen zwischen dem Phänomen und dem Beobachter oder seinem Apparat. Die Lage des Schrittes kann wohl verschieden gewählt werden, aber auf der Seite des Beobachters müssen wir die Sprache der klassischen Physik verwenden, weil wir keine andere Sprache besitzen, in der wir unsere Ergebnisse ausdrücken könnten. Nun wissen wir zwar, daß die Begriffe dieser Sprache ungenau sind, daß sie nur einen begrenzten Anwendungsbereich haben, aber wir sind auf diese Sprache angewiesen, und schließlich können wir doch mit ihr das Phänomen wenigstens indirekt begreifen."

"Könnte man sich nicht vorstellen", warf Felix ein, "daß wir, wenn wir die Quantentheorie noch besser verstanden haben, auf die klassischen Begriffe verzichten und mit einer neugewonnenen Sprache leichter über die atomaren Erscheinungen reden können?"

"Das ist gar nicht unser Problem", antwortete Niels. "Naturwissenschaft besteht darin, daß man Phänomene beobachtet und das Ergebnis anderen mitteilt, damit sie es kontrollieren können. Erst wenn man sich darüber geeinigt hat, was objektiv geschehen ist oder immer wieder regelmäßig geschieht, hat man eine Grundlage für das Verständnis. Und dieser ganze Prozeß des Beobachtens und Mitteilens geschieht faktisch in den Begriffen der klassischen Physik.

Die Nebelkammer ist ein Meßapparat, das heißt wir können aus dieser Photographie hier eindeutig schließen, daß ein positiv geladenes Teilchen, das sonst die Eigenschaften eines Elektrons hat, durch die Kammer gelaufen ist. Dabei müssen wir uns darauf verlassen, daß der Meßapparat richtig konstruiert war, daß er fest auf dem Tisch aufgeschraubt war, daß auch die photographische Kamera so fest montiert war, daß keie Verschiebungen während der Aufnahme eintreten konnten, daß die Linse richtig eingestellt war usw.

Das heißt wir müssen sicher sein, daß alle die Bedingungen erfüllt waren, die eben nach der klassischen Physik für eine zuverlässige Messung erfüllt sein müssen. Es gehört zu den Grundvoraussetzungen unserer Wissenschaft, daß wir über unsere Messung in einer Sprache reden, die im wesentlichen die gleiche Struktur hat wie die, mit der wir über die Erfahrungen des täglichen Lebens sprechen. Wir haben gelernt, daß diese Sprache nur ein sehr unvollkommenes Instrument ist, um uns zurechtzufinden und zu verständigen. Aber dieses Instrument ist gleichwohl die Voraussetzung unserer Wissenschaft."

Am Abend wurde Poker gespielt. Zwar gab es auch ein schlechtes Grammophon und einige noch schlechtere Schlagerplatten auf der Hütte, aber das Bedürfnis nach dieser Art von Musik war gering. Der Stil, der sich bei unserem Pokerspiel entwickelte, wich etwas vom üblichen ab. Die Kartenkombination, auf die man seinen Einsatz begründete, wurde laut ausgesprochen und gepriesen, so daß es auch eine Frage der Überredungskunst wurde, ob man den anderen diese Kartenkombination glaubhaft machen konnte. Für Niels war das wieder eine Anlaß, über die Bedeutung der Sprache zu philosophieren.

"Es ist klar", meinte er, "daß man die Sprache hier ganz anders verwendet als in der Wissenschaft. Jedenfalls kann es sich hier nicht darum handeln, die Wirklichkeit darzustellen, sondern sie zu verschleiern. Das Bluffen gehört nun einmal zum Spiel. Aber wie kann man die Wirklichkeit verschleiern?

Die Sprache kann im Hörer Bilder erzeugen, Vorstellungen, die dann sein Handeln leiten und die stärker werden als die Vermutungen, zu denen er aus nüchterner Überlegung gekommen wäre. Aber wovon hängt es ab, ob wir diese Bilder mit hinreichender Intensität im Denken des Hörers erzeugen können? Doch sicher nicht einfach von der Lautstärke, mit der wir sprechen. Das wäre viel zu primitiv. Wohl auch nicht von einer Art Routine, wie sie etwa ein guter Verkäufer erwirbt. Denn keiner von uns besitzt eine solche Routine, und man kann sich auch kaum denken, daß wir auf sie hereinfielen. Vielleicht hängt die Fähigkeit zu überzeugen einfach davon ab, wie intensiv wir selber uns die Kartenkombination vorstellen können, die wir anderen suggerieren wollen."

Diese Überlegung fand dann später im Spiel eine unerwartete Bestätigung. Niels behauptete in einem Spiel mit großer Überzeugungskraft, fünf Karten der gleichen Farbe zu besitzen. Es wurde sehr hoch geboten, und die Gegenseite gab schließlich auf, nachdem vier Karten aufgelegt worden waren. Niels gewann eine hohe Spielgeldsumme. Als Niels uns nach dem Spiel voll Stolz seine fünfte Karte derselben Farbe auch noch zeigen wollte, entdeckte er zu seinem größten Schrecken, daß er gar nicht fünf Karten gleicher Farbe besessen hatte. Er hatte seine  Herz  Zehn mit einer  Karo  Zehn verwechselt. Sein Bieten war also reiner Bluff gewesen. Nach diesem Erfolg mußte ich wieder an unser Gespräch auf einer Wanderung durch Seeland denken und an die Kraft der Bilder, die das Denken der Menschen durch Jahrhunderte bestimmt.

An den Abenden wurde es auf den Schneefeldern um unsere Hütte schnell empfindlich kalt. Selbst der steife Grog, der das Pokerspiel belebte, konnte nicht lange gegen die Kälte im schlecht geheizten Raum aufkomen. Daher stiegen wir bald in unsere Schlafsäcke und legten uns auf den Strohsäcken des Nachtlagers zur Ruhe. In der Stille fingen aber meine Gedanken an, wieder um die Nebelkammeraufnahme zu kreisen, die Niels uns mittags auf dem Hüttendach gezeigt hatte. Konnte es wahr sein, daß es wirklich die von DIRAC vorhergesagten positiven Elektronen gab; und wenn ja, was waren die Konsequenzen?

Je mehr ich darüber nachdachte, desto stärker ergriff mich die Art von Erregung, die eintritt, wenn man gezwungen wird, sein Denken an grundsätzlich wichtigen Stellen zu ändern. Im Jahr vorher hatte ich über die Struktur der Atomkerne gearbeitet. Die Entdeckung des Neutrons durch CHADWICK hatte den Gedanken nahegelegt, daß die Atomkerne aus Protonen und Neutronen bestehen, die durch starke, bisher unbekannte Kräfte zusammengehalten werden. Das sah sehr plausibel aus. Erheblich problematischer war schon der Vorschlag gewesen, daß es im Atomkern neben Proton und Neutron keine Elektronen mehr geben sollte.

Einige meiner Freunde hatten dafür aufs schärfste kritsiert: "Man kann doch sehen", hatten sie gesagt, "daß beim radioaktiven Beta-Zerfall Elektronen den Atomkern verlassen." Aber ich hatte mir das Neutron als zusammengesetzt aus Proton und Elektron gedacht, wobei ein solches Gebilde, nämlich das Neutron, aus zunächst unverständlichen Gründen ebenso groß sein sollte wie das Proton. Die starken neuentdeckten Kräfte, die den Atomkern zusammenhalten, schienen sich empirisch bei der Vertauschung von Proton und Neutron nicht zu ändern.

Diese Symmetrie konnte man zum Teil dadurch glaubhaft machen, daß man annahm, die Kraft komme durch den Austausch des Elektrons zwischen den beiden schweren Teilchen zustande. Aber dieses Bild hatte doch zwei bedenkliche Schönheitsfehler.
    Erstens war nicht so recht einzusehen, warum es nicht auch starke Kräfte zwischen einem Proton und einem Proton oder einem Neutron und einem Neutron geben sollte. Und dann war unverständlich, warum diese beiden, warum diese beiden Kräfte auch - bis auf die relativ kleinen elektrischen Beträge - empirisch gleich groß zu sein schienen.
Auch hatte das Neutron empirisch so viel Ähnlichkeit mit dem Proton, daß es unvernünftig aussah, das eine als einfach, das andere als zusammengesetzt aufzufassen.

Wenn es aber das von DIRAC vorhergesagte positive Elektron oder, wie man jetzt sagt, das Positron gab, so war eine neue Lage entstanden. Dann konnte man ja auch das Proton als zusammengesetzt aus Neutron und Positron auffassen, dann war die Symmetrie zwischen Proton und Neutron auf einmal wieder voll hergestellt. Hatte es dann überhaupt einen Sinn zu sagen, daß Elektron oder Positron im Atomkern vorhanden seien? Konnten sie nicht in ähnlicher Weise aus Energie entstehen, wie sich umgekehrt nach der DIRACschen Theorie Elektron und Positron zusammen in Strahlungsenergie verwandeln?

Aber wenn sich Energie in Paare von Elektron und Positron verwandeln kann und umgekehrt, konnte man dann überhaupt noch fragen, aus wieviel Teilchen ein Gebilde wie ein Atomkern bestünde?

Bis dahin hatten wir immer an die alte Vorstellung des DEMOKRIT geglaubt, die man mit dem Satz umschreiben kann: "Am Anfang war das Teilchen." Man nahm an, die sichtbare Materie sei zusammengesetzt aus kleineren Einheiten, und wenn man immer weiter teile, so komme man schließlich zu den kleinsten Einheiten, die DEMOKRIT  Atome  genannt hatte, und die man jetzt etwa  Elementarteilchen,  zum Beispiel  Protonen  oder  Elektronen  nennen würde. Aber vielleicht war diese ganze Philosophie falsch. Vielleicht gab es gar keine kleinsten Bausteine, die man nicht mehr teilen kann. Vielleicht konnte man die Materie immer weiter teilen, aber am Schluß ist es eigentlich gar kein Teilen mehr, sondern man verwandelt Energie in Materie, und die Teile sind nicht mehr kleiner als das Geteilte.

Aber was war dann am Anfang? Ein Naturgesetz, Mathematik, Symmetrie? "Am Anfang war die Symmetrie." Das klang wie PLATONs Philosophie im TIMAIOS, und meine Lektüre auf dem Dach des Priesterseminars in München im Sommer 1919 kam mir wieder ins Gedächtnis. Wenn das Teilchen auf der Nebelkammeraufnahme wirklich das DIRACsche Positron war, so war damit das Tor zu einem ungeheuer weiten Land geöffnet, und man konnte schon undeutlich die Wege erkennen, auf denen man in dieses Land vorstoßen müßte. Schließlich bin ich über solchen Spekulationen aber doch eingeschlafen.

Am nächsten Morgen war der Himmel so blau wie am Tag vorher. Die Skier wurden gleich nach dem Frühstück angeschnallt, und wir wanderten über die Himmelmoos-Alm zum kleinen See bei der Seeon-Alm, von dort über ein Joch in den einsamen Talkessel hinter dem Großen Traithen und so von rückwärts zum Gipfel dieses unseres Hüttenberges.

Auf dem Kamm, der vom Gipfel nach Osten führt, wurden wir zufällig Zeugen eines merkwürdigen, metereologischen und optischen Phänomens. Der leichte Wind, der vom Norden wehte, blies eine dünne Kunstwolke den Hang herauf, die dort, wo sie unseren Kamm erreichte, hell von der Sonne beschienen wurde; unsere Schatten waren deutlich auf der Wolke zu erkennen, und wir sahen den Schatten unseres Kopfes jeweils von einem hellen Glanz, wie von einem leuchtenden Ring, umgeben.

Niels, der sich über das ungewöhnliche Phänomen besonders freute, berichtete, er habe schon früher von dieser Lichterscheinung gehört. Dabei sei auch die Meinung vertreten worden, daß der leuchtende Glanz, den wir sahen, das Vorbild für die alten Maler gewesen sei, die Köpfe der Heiligen mit einem Heiligenschein zu umgeben. "Und vielleicht ist es auch charakteristisch", fügte er mit einem leichten Augenzwinkern hinzu, "daß man diesen Schein immer nur um das Schattenbild des eigenen Kopfes sehen kann." Diese Bemerkung erweckte natürlich großen Jubel und gab noch Anlaß zu mancherlei selbstkritischen Betrachtungen.

"Deine Erklärung des Heiligenscheins", sagte ich, "ist natürlich sehr schön, und ich bin auch gern bereit, sie wenigstens für einen Teil der Wahrheit zu halten. Aber ich bin doch nur halb zufrieden; denn ich habe einmal in einem Briefwechsel mit einem allzu eifrigen Positivisten der Wiener Schule etwas anderes behauptet. Ich hatte mich darüber geärgert, daß die Positivisten so tun, als habe jedes Wort eine ganz bestimmte Bedeutung und als sei es unerlaubt, das Wort in einem anderen Sinne zu verwenden. Ich habe ihm dann als Beispiel geschrieben, daß es doch ohne weiteres verständlich sei, wenn jemand über einen verehrten Menschen sagt, daß das Zimmer heller werde, wenn dieser Mensch das Zimmer betrete. Natürlich sei mir klar, daß das Photometer dabei keinen Helligkeitsunterschied registrieren würde. Aber ich wehrte mich dagegen, die physikalische Bedeutung des Wortes  hell  als die eigentliche zu nehmen und die andere nur als die übertragene gelten zu lassen. Ich könnte mir also denken, daß die eben genannte Erfahrung auch irgendwie zur Erfindung des Heiligenscheins beigetragen hat."

"Natürlich will ich auch diese Erklärung gelten lassen", antwortete Niels, "und wir sind ja viel mehr einig als du denkst. Selbstverständlich hat die Sprache diesen eigentümlichen schwebenden Charakter. Wir wissen nie genau, was ein Wort bedeutet, und der Sinn dessen, was wir sagen, hängt von der Verbindung der Wörter im Satz ab, von dem Zusammenhang, in dem der Satz gesprochen wird, und von zahllosen Nebenumständen, die wir gar nicht alle aufzählen können.

Wenn du einmal in den Schriften des amerikanischen Philosophen William James liest, wirst du finden, daß er diesen ganzen Sachverhalt wunderbar genau beschrieben hat. Er schildert, daß bei jedem Wort, das wir hören, zwar ein besonders wichtiger Sinn des Wortes im hellen Licht des Bewußtseins erscheint, daß aber daneben im Halbdunkel noch andere Bedeutungen sichtbar werden und vorbeigleiten, daß dort auch Verbindungen zu anderen Begriffen geschlagen werden und die Wirkungen sich bis in das Unbewußte hinein ausbreiten.

Das ist in der gewöhnlichen Sprache so, erst recht in der Sprache der Dichter. Und das trifft bis zu einem gewissen Grad auch für die Sprache der Naturwissenschaft zu. Gerade in der Atomphysik sind wir ja wieder von der Natur darüber belehrt worden, wie begrenzt der Anwendungsbereich von Begriffen sein kann, die uns vorher völlig bestimmt und unproblematisch schienen. Man braucht ja nur an solche Begriffe wie  Ort  und  Geschwindigkeit  denken.

Aber natürlich war es auch eine große Entdeckung der ARISTOTELES und der alten Griechen, daß man die Sprache so weit idealisieren und präzisieren kann, daß logische Schlußketten möglich werden. Eine solche präzise Sprache ist sehr viel enger als die gewöhnliche Sprache, aber sie ist für die Naturwissenschaft von unschätzbaren Wert.

Die Vertreter des Positivismus haben schon recht, wenn sie den Wert einer solchen Sprache sehr stark betonen und uns eindringlich vor der Gefahr warnen, daß die Sprache, wenn wir den Bereich des logisch scharfen Formulierens verlassen, inhaltslos werden kann. Aber sie haben dabei vielleicht übersehen, daß wir in der Naturwissenschaft diesem Ideal bestenfalls nahekommen, es aber sicher nicht erreichen können. Denn schon die Sprache, mit der wir unsere Experimente beschreiben, enthält Begriffe, deren Anwendungsbereich wir nicht genau angeben können.

Man könnte natürlich sagen, daß die mathematischen Schemata, mit denen wir als theoretische Physiker die Natur abbilden, diesen Grad von logischer Sauberkeit und Strenge haben oder haben sollten. Aber die ganze Problematik taucht dann wieder auf an der Stelle, wo wir das mathematische Schema mit der Natur vergleichen. Denn irgendwo müssen wir von der mathematischen Sprache zur gewöhnlichen Sprache übergehen, wenn wir etwas über die Natur aussagen wollen. Und das letztere ist doch die Aufgabe der Naturwissenschaft."
LITERATUR - Werner Heisenberg, Der Teil und das Ganze - Gespräche im Umkreis der Atomphysik, München 1981