Atomtheorie  und Naturerkenntnis

Vortrag, gehalten am 22. November 1933 in München,
am 19. Februar 1934 in Göttingen
von
W. Heisenberg, Leipzig.

Meine Damen und Herren!

Wenn ich in einer Zeit, in der alte geistige Werke in Frage gestellt, lebendig umgestaltet und von ihrem Ursprung her neu diskutiert werden, zu Ihnen über ein Gebiet der Naturwissenschaft spreche, dem oft der Vorwurf der Abstraktheit und Lebensferne gemacht worden ist, so geschieht es in der Überzeugung, daß eben dieses Gebiet: Atomphysik zur Zeit der Schauplatz des lebendigsten wissenschaftlichen Geschehens ist. Der Ursprung unserer Wissenschaft freilich liegt in weiter Vergangenheit und für das Verständnis des wissenschaftlichen Prozesses, der sich jetzt in der Atomphysik vollzieht, wird es nützlich sein, für einen Augenblick an den Ursprung dieser Lehre zu denken.

Die Atomtheorie hat sich im Altertum aus dem Versuch heraus entwickelt, die bunte Mannigfaltigkeit der Erscheinungen in der uns umgebenden Welt auf einfacheres Geschehen zurückzuführen. Da gewisse Eigenschaften der Materie, wie etwa Raumerfüllung, Bewegung als fundamental empfunden wurden gegenüber anderen: wie Farbe, Härte, Geruch, so lag es nahe, die  ersteren als primitiv, die zweiten als abgeleitet zu betrachten. Dies wurde ermöglicht durch die Annahme, die Materie bestünde aus außerordentlich kleinen, unteilbaren letzten Einheiten, die Atome genannt wurden. Diese letzten Bausteine der Materie sollten nach Demokrit nur noch die Qualität der Raumerfüllung besitzen, ihre gegenseitige Lagerung und Bewegung bedinge die übrigen Eigenschaften der Materie, z.B. Farbe und Härte. In der Verfolgung dieses Gedankens werden nach den Forschungen der beginnenden Neuzeit, z.B. bei Gasendi, die verschiedenen Aggregatzustände der Materie durch die Hypothese gedeutet, daß im festen Körper die Atome in Reih und Glied nebeneinanderstünden, in der Flüssigkeit ungeordnet, doch dicht auseinander gepackt umherliefen, im Gas schließlich einem Mückenschwarm vergleichbar in weitem gegenseitigen Abstand im Raum umherschwirrten.

 Diese Vorstellung wurde in den Forschungen von Clausius, Boltzmann und Maxwell zu einer exakten Wissenschaft ausgebaut, die die Vorgänge, die sich beim Erwärmen und Abkühlen der Körper abspielten, zum Gegenstande hat. Eine entscheidende Wendung vollzog sich dann durch die weitere Entdeckung, daß die elektrischen Erscheinungen mit der atomaren Struktur der Materie verknüpft sind; es zeigte sich, daß nur die Atome der Elektrizität, die sogenannten Elektronen, unteilbare Bausteine der Materie im eigentlichen Sinne sind und daß die anderen zu den chemischen Elementen zugeordneten Atome aus diesen durch Zusammensetzung entstehen. Bis zu dieser Entwicklung der Atomphysik stellt die moderne Wissenschaft in allen Punkten die konsequente Fortsetzung der Demokritschen Lehre dar. Aber sie verwirklichte die Ziele, denen die Entwicklung der Atomlehre galt, nur zu einem kleinen Teil. Denn zwar war es gelungen, den Erfahrungsbereich der Wärmelehre und das elektrochemiche Verhalten der Materie auf die Frage nach der Bewegung der Atome zu reduzieren, aber ein allgemeines Verständnis für den Aufbau der Materie war noch nicht gewonnen; insbesondere war es noch nicht möglich, alle Eigenschaften wie Farbe, Härte, chemisches Verhalten der Materie aus den Atombewegungen quantitativ zu beschreiben.

Während sich nun bis hierher die Wissenschaft Schritt für Schritt in gerader Linie vorwärts bewegt hatte, stellten sich mit einem Male dem Versuch, mit der atomaren Ausbeutung der makrokopischen Erscheinungen wirklich ernst zu machen, ungeahnte Schwierigkeiten in den Weg. Die konsequente Verfolgung des vorgeschriebenen wissenschaftlichen Weges führte zu Widersprüchen und der Umstand, daß diese Widersprüche trotz des angestrengten Bemühens der Physiker nicht elimniert werden konnten, lehrte die Forscher bald, daß sie hier an einen erkenntnistheoretischen Abgrund geraten waren, der die letzten Grundlagen exaktnaturwissen-schaftlichen Denkens in Frage stellte. Dies war auch nicht verwunderlich. Denn die Atomhypothese widerspricht dem anschaulichen Denken, das eine unendliche Teilbarkeit der Materie lehrt. Also konnte die Existenz unteilbarer Bausteine der Materie nur unter einem Verzicht auf anschauliche Deutung verstanden werden. Ich will nun versuchen Ihnen die Widersprüche auseinanderzusetzen, die hier bei der experimentellen Durchforschung atomarer Phänomene aufgetaucht sind.

Als Max Planck, in dem wir den Altmeister und Führer der Deutschen Physik verehren, im Jahre 1900 eine mathematische Formel gefunden hatte, die geeinigt war, die Experimente von Rubens über die Wärmestrahlung darzustellen, da fand er das merkwürdige Resultat, daß diese Formel nur durch eine ganz neuartige Annahme interpretiert werden könnte. Das Licht, das bis dahin stets als Wellenbewegung der Äthers betrachtet wurde, sei - so behauptete Planck - in endlichen Energiebeträgen, den sog. "Energiequanten", zusammengeballt. Während also bis dahin die Fortpflanzung des Lichtes als ein kontinuierliches Phänomen angesehen wurde, ähnlich der Fortbewegung von Wellen auf dem Meere, so tauchte in der Planckschen Formel plötzlich ein Element von Diskontinuität auf. Die experimentellen Untersuchungen der Folgezeit wiesen dieses Element von Diskontinuität an verschiedenen Phänomenen nach. Z.B. findet beim Auftreffen von Licht auf eine fotografische Platte der photochemische Prozeß plötzlich, stoßartig statt. Die Experimente von Lenard in ihrer Deutung durch Einstein ließen die alte Newtonsche Theorie wieder aufleben, bei der der Lichtstrahl als Schwarm schnellfliegender Korpuskeln aufgefaßt wurde. Nun stehen die beiden anschaulichen Bilder, die sich hier als naturgemäße Interpretation von Experimenten über die Natur des Lichtes darbieten, in unvereinbarem Widerspruch; und die mißlungenen Versuche, den Widerspruch durch Zusatzmaßnahmen zu überbrücke, zeigten in der Folgezeit nach Plancks Entdeckung, daß es sich hier um eine Schwierigkeit handelt, die an die Fundamente der exakten Naturwissenschaft rührt.

In Perioden der Physik, in denen aus solchen Gründen eine logisch einwandfreie Be-schreibung des den Experimenten zu Grunde liegenden Sachverhalts nicht gegeben werden kann, hat es sich häufig als die fruchtbare Art des Vorgehens erwiesen, nun den gefundenen Widerspruch zum Prinzip zu erheben - also zu versuchen, durch Aufnahme des Widerspruchs in die grundlegenden Arbeitshypothesen neue Gebiete der wissenschaftlichen Erkenntnis zu erschließen. Der größte und entscheidende Erfolg, der im Falle der Quantentheorie durch Vorgehen in dieser Richtung erzielt wurde, war die Bohrsche Theorie des Atombaus (die von Bohr durch eine Arbeit über das Wasserstoffatom begonnen, von Sommerfeld durch Untersuchung der Feinstruktur der Spektrallinien entwickelt worden ist), die schließlich zu einer umfassenden Deutung der chemichenGesetzmäßigkeiten in den Arbeiten von Bohr geführt hat. In den von Bohr aufgestellten Grundpostulaten der Quantentheorie, sowie in den von Bohr in Sommerfeld formulieren sog. Quantenbedingungen des Atombaues kam der genannte Widerspruch deutlich zum Ausdruck. Denn einerseits wurde durch den Vergleich des Atoms mit einem Planetensystem der Anschluß der Atomtheorie an die klassische Mechanik ausdrücklich hergestellt, andererseits durch die Annahme, daß die Energie vom Atom nur Stoßweise abgegeben oder aufgenommen werden kann, jenes Element der Diskontinuität eingeführt, das für atomares Geschehen charakteristisch ist und in der Klassischen Physik keinen Platz hatte.

Die prägnanteste Formulierung erhielt dieser Dualismus zwischen kontinuierlichem und diskontinuierlichem Geschehen schließlich in der berühmten These des Franzosen de Broglie, der behauptete, daß - ähnlich wie für das Licht in der Korpuskeltheorie und der Wellentheorie zwei widersprechende anschauliche Deutungen möglich sind, so auch den letzten Bausteinen der Materie, den Elektronen, ein Wellenfeld zugeordnet werden müsse. Nach de Broglie ist es also innerhalb gewisser Grenzen auch zulässig, die Materie anschaulich als kontinuierlichen Wellenvorgang aufzufassen. Die später erfolgte experimentelle Verifikation dieser Hypothese zeigt deutlich, wie der Dualismus zwischen kontinuierlichem und diskontinuierlichem Ge-schehen wie ein Riß durch die Gesamtheit der atomaren physikalischen Vorgänge hindurchgeht.

Das wirkliche Verständnis der hier zu Grunde liegenden Zusammenfassung ist in der Folgezeit erst ermöglicht worden durch ein Revision der wissenschaftlichen Methode im Ganzen. Man kann diese Revision nur verstehen, wenn man sich zuerst die charakteristischen Merkmale der Naturbeschreibung bewußt macht, die das Ziel der Forschung von Newton bis Maxwell bildete.

Ein Problem galt in der klassischen Physik dann als gelöst, wenn es dem Forscher gelungen war, einen bestimmten Vorgang als in Raum und Zeit objektiv geschehen nachzuweisen und diesen Vorgang als Konsequenz der bekannten physikalischen Gesetze zu verstehen. Die Art und Weise, wie der Forscher zur Kenntnis des objektiv geschehenen Vorgangs gelangt war, spielte für das Resultat nicht die geringste Rolle, ebensowenig war es von Wichtigkeit zu diskutieren, durch welche Experimente die Voraussagen verifiziert werden sollten, die auf Grund der physikalischen Gesetze über den weiteren Verlauf des Vorgangs gemacht werden konnten. Der Vorgang erschien wenigstens prinzipiell als völlig abgelöst von den physikalischen Prozessen, die seine Verfolgung gestatteten und völlig unabhängig von der Möglichkeit seiner Beobachtung. So war das Ziel der klassisch-physikalischen Forschung die Feststellung einer objektiven, von unserem Wahrnehmungsvermögen unabhängigen raum-zeitlichen Welt. Es ist wohl berechtigt zu sagen, daß sich eben durch diese Forderung der eindeutigen Objektivierbarkeit der Wahrnehmungen die Physik von anderen Richtungen unseren Erkenntnisstrebens unterschied. In anderen Zweigen der Naturwissenschaft konnte die Forderung nach eindeutiger Objektivierbarkeit nicht prinzipiell erhoben werden. Z.B. wird man wohl bei physiologischen Untersuchungen seit langem beachtet haben, daß die Beobachtung von Prozesse in einem lebendigen Organismus unter Umständen eingriffe in diesen Organismus nötig macht, die eine genaue Trennung des zu studierenden Prozesses von den Wirkungen des Eingriffs unmöglich machen. In noch geringerem Maße wird es in den Wissenschaften vom menschlichen Geiste möglich sein, den Erkenntnisakt vom Erkenntnisobjekt zu sondern. Nur in der Physik wurde diese Forderung nach Objektivierbarkeit des Beobachteten grundsätzlich akzeptiert. Die besondere Rolle, die hier die exakte Naturwissenschaft gegenüber anderen Arbeitsgebieten des Geistes spielt, wurde häufig in unmittelbare Verbindung gebracht mit dem rein äußerlichen methodischen Unterschied, der sich darin äußert, daß die Physik eine exakte, in mathematischen Formeln ausdrückbare Beschreibung der Natur erstrebt, also einen gesetzmäßigen Zusammenhang in der Natur erst dann als verstanden anerkennt, wenn sie ihn in der klaren und unmißverständlichen Sprache der Mathematik ausdrücken kann. Es hat sich aber herausgestellt, daß diese Forderung nach Objektivierbarkeit der Wahrnehmungen und die nach der mathematischen Formulierbarkeit der Zusammenhänge nichts miteinander zu tun haben. Vielmehr läßt sich die Forderung nach Klarheit - und mehr wird ja durch die Anwendung der Mathematik nicht erstrebt - unbedingt aufrecht erhalten auch in einem Gebiet der Naturwissenschaft, in dem eine Objektivierbarkeit des Wahrgenommenen nicht mehr möglich ist.

Das Postulat der Objektivierbarkeit hat noch eine weitere wichtige Konsequenz. Kant hat in der "Kritik der reinen Vernunft" auseinandergesetzt, daß die Ableitung eines objektiven Geschehens aus unseren Wahrnehmungen die strenge Determiniertheit der Vorgänge zur Voraussetzung hat. Es geschehe "stets in Rücksicht auf eine Regel, nach welcher die Erscheinungen in ihrer Folge bestimmt sind, wenn man die subjektive Synthesis objektiv mache". In der Tat beruht zum mindesten in der Physik die Möglichkeit, einen Vorgang durch Apparate messend zu verfolgen, auf der Annahme der strengen Determiniertheit aller Vorgänge in den Meßapparaten,da sonst aus Messungen gar nicht geschlossen werden könnte, was geschehen ist. Dieser Sachverhalt findet daher in der klassischen Physik seinen sinngemäßen Ausdruck darin, daß sie allgemein von Vorgängen in Raum und Zeit handelt, deren Ablauf die Anfangsbedingungen streng determiniert ist.

Kehren wir nun zu der vorhin geschilderten  Situation der Atomphysik zurück, in der uns die Experimente ganz unmittelbar zu einem Widerspruch in der anschaulichen Beschreibung des Wesens der Materie und des Lichtes zwingen. Den Schlüssel zum Verständnis dieses Widerspruches gab das in Götthingen unter Born´s Leitung entwickelte mathematische Schema der Quantenmechanik und die Schrödingersche Wellenmechanik. Die Analyse dieser Disziplin insbesondere durch die Arbeiten von Bohr hat zu dem Resultat geführt, daß in der Atomphysik eine Objektivierbarkeit des Wahrgenommenen im Sinne der klassischen Physik nicht mehr möglich ist. Die logische Voraussetzung zu diesem Verzicht auf Objektivierung wird gegeben durch die Feststellung, daß bei der Beobachtung atomarer Phänomene die Störung, die das beobachtete System durch den Akt der Beobachtung erfährt, nicht vernachlässigt werden darf.

Bei den schweren Körpern, mit denen wir im täglichen Leben zu tun haben, spielt ja die geringe Störung, die mit ihrer Beobachtung notwendig verknüpft ist, keine wichtige Rolle. Der Druck, den z.B. das Sonnenlicht auf einen Körper ausübt, wenn es an ihm zurückgeworfen wird, ist beinahe unmeßbar klein. Für die unteilbaren Bausteine der Materie jedoch, also die leichtesten Körper, die wir kennen, stellt jede Bestrahlung oder überhaupt jeder Akt der Beobachtung einen bedeutenden Eingriff dar, der das Verhalten des zu beobachtenden Körpers entscheidend verändert. Die Beachtung dieses Sachverhalts gibt schließlich bei der Beschreibung atomarer Vorgänge gerade Maß von Freiheit, tretenden Widersprüche zu beseitigen. Dies möchte ich Ihnen im folgenden auseinandersetzen, selbst auf die Gefahr hin, daß ich mich für kurze Zeit in zu spezielle Details verliere.

Die Widersprüche, die in den Experimenten über die Atome sichtbar werden, sind am leichtesten zu übersehen im Dualismus der beiden anschaulichen Bilder, unter denen Materie und Licht uns erscheinen. Die kleinsten Bausteine der Materie, die Elektronen, erscheinen in vielen Experimenten als kleine geladene Körper, deren Bahn z.B. in den Wilson´schen Photographien unmittelbar verfolgt werden kann. Andererseits besitzt ein Strom solcher Elektronen beim Auftreffen auf ein Hindernis die Eigenschaften eines Wellenfeldes, und die schönen Versuche, die die Wellennature eines Elektrons durch Beugung nachweisen, geben fast ebenso unmittelbar Zeugnis von diesen Materiewellen, wie die Wilsonsche Aufnahme von den Korpuskeln. Da die beiden Vorstellungsweisen sich gegenseitig ausschließen, so kann aus der Existenz der beiden obengenannten Experimente nur geschlossen werden, daß das Bild, unter dem die letzten Bausteine der Materie erscheinen, abhängt von der Art, wie sie untersucht werden; ferner, daß die Durchführbarkeit der einen der beiden Vorstellungsweisen jeweils begrenzt wird durch die Existenz der anderen. Diese Begrenzung, die hier der Anwendbarkeit der anschaulichen Bilder auferlegt wird, äußert sich bei Wellen- und Korpuskularvorstellung in verschiedener Weise. In der Korpuskularvorstellung führt sie zu einer komplementären Unbestimmtheit der Begriffe Ort und Geschwindigkeit eines Elektrons; eine sehr genaue Kenntnis des Elektronenorts kann nur mit einer sehr ungenauen Kenntnis der Elektronengeschwindigkeit erkauft werden und vice versa. In der Wellenvorstellung bestehen Einschränkungen für die gleichzeitige genaue Kenntnis der Wellenfunktion in verschiedenen Raum-Zeitgebieten. Diese sogenannte Unbestimmtheitsrelation verhindern zunächst das Auftreten eines unmittelbaren Widerspruchs zwischen den beiden anschaulichen Bildern. Denn innerhalb der durch die Unbestimmtheitsrelationen gegebenen Grenzen kann z.B. ein ausgesprochen korpuskularer, diskontinuierlicher Vorgang, wie der Durchgang eines Elektrons durch eine Wilsonkammer, immer noch aufgefaßt werden als Wirkung eines Strahl, der aus einem Wellenvorgang entspringt. Andererseits werden diese Begrenzungen trotz der Möglichkeit der Definition einer einzelnen Variablen durch genaue Messung immer wieder aufrecht erhalten durch den teilweise unkontrollierbaren Einfluß, den der Meßapparat auf das Meßergebnis hat. Z.B. wird man sich, wie Bohr hervorgehoben hat, bei der experimentellen Bestimmung eines Elektronortes stets eines Apparates bedienen müssen, der mit der Umgebung, innerhalb deren die Messung stattfinden soll, fest verbunden ist; denken Sie etwa an ein Mikroskop, das fest an einen Tisch angeschraubt ist. Diese feste Verbindung macht dann eine genaue Aussage über die sogenannte Bewegungsgröße des Mikroskops unmöglich, und die hieraus entspringende Unsicherheit überträgt sich in der von den Unbestimmtheitsrelationen geforderten Weise auf das zu beobachtende Elektron. Ohne auf die Einzelheiten dieses Problems einzugehen, sei also festgestellt, daß  der prinzipiell unkontrollierbare Teil der Störung, die der Beobachtungsakt am zu beobachtenden Geschehen hervorruft, ein entscheidender Zug bei der Diskussion atomarer Phänomene ist und für die Vereinbarkeit der verschiedenen anschaulichen Bilder, unter denen das atomare Geschehen erscheint, die notwendige Voraussetzung darstellt. Es muß Ihnen zunächst befremdend erscheinen, daß die Unmöglichkeit, gewisse Zustandsgrößen mit beliebiger Genauigkeit zu messen, hier als ein Positivum, als die notwendige Bedingung für weiteren fortschritt erscheint. Doch dies wird verständlich, wenn man bedenkt, daß schon die Existenz der Atome einen der klassischen Physik fremden Zug der Natur bedeutet, für dessen Einordnung in das System der Physik an irgend einer Stelle Verzicht geleitet werden muß auf früher als zuverlässig geltende Begriffe.

Die Unbestimmheitsrelation und ihr Verständniswerden durch die Wechselwirkung von Beobachter und Objekt bildet also gewissermaßen die Basis für das Verständnis atomarer Phänomene. Quantitativ war diese Basis schon vorher geschaffen worden durch die sogenannte Schrödingersche Wellenmechanik oder die ihr mathematisch äquivalente Quantenmechanik. Das mit diesem Namen bezeichnete mathematische Schema liefert ähnlich wie die früheren Disziplinen der Physik die gesetzliche Verbindung zwischen aufeinanderfolgenden Experimenten, Es gestattet jedoch keine anschauliche Interpretation in Raum und Zeit; der raum-zeitliche Charakter atomarer Phänomene tritt also nur im Augenblick der Beobachtung in Erscheinung; die Beobachtung ihrerseits bedeutet einen Bruch in der im Formalismus sonst gewahrten zeitlichen Kontinuität. Mit jeder Beobachtung wird also sozusagen eine völlig neue Situation geschaffen, nur der Weg von Beobachtung zu Beobachtung läßt sich mit dem mathematischen Formalismus überbrücken. Während also die klassische Physik ein objektives Geschehen in Raum und Zeit zum Gegenstand hat, für dessen Existenz seine Beobachtung völlig irrelavant war, behandelt die Quantentheorie Vorgänge, die sozusagen nur in den Momenten der Beobachtung als raum-zeitliche Phänomene aufleuchten und über die in der Zwischenzeit anschauliche physikalische Aussagen sinnlos sind.

Kehren wir nun zurück zu dem Atommodell, von dem wir ausgegangen waren und dessen Aufgabe es sein sollte, die Qualität der Materie, wie Härte, Farbe usw. auf geometrische Eigenschaften des Atoms zu reduzieren. Dieses Programm konnte jetzt in einem gewissen Sinn vollständig durchgeführt werden. Die chemischen Eigenschaften der Elemente, die Farben einfacher Verbindungen, die Gestalt der Kristalle, alle diese Phänomene sind in der Quantentheorie einer strengen mathematischen Behandlung zugänglich und können, wenn sie nicht aus dem Experiment bekannt sind, aus den Gleichungen der Theorie wenigstens prinzipiell vorausberechnet werden. Damit sind Chemie, Physik und Astrophysik in der Atomtheorie endgültig zu einer Einheit verschmolzen. Trotzdem vollendet diese Theorie das Programm der ursprünglichen Atomlehre in einem völlig veränderten Sinne.

Während das Atom des Demokrit die Qualitäten der Raumerfüllung behalten sollte, um die Grundlage für eine Erklärung der anderen Qualitäten (Farbe, Härte usw.) durch seine Bewegung und Lagerung abzugeben, besitzt das Atom der modernen Physik eben diese Eigenschaft der Raumerfüllung prinzipiell nicht in anderer Weise als die anderen: Farbe und Geruch. Für das Atom der modernen Physik sind alle Eigenschaften abgeleitet, unmittelbar kommt ihm keine physikalische Beobachtung dienenden Experimenten. In dieser Weise erscheinen in der heutigen Atomphysik die geometrischen Qualitäten der kleinsten Bausteine nicht primitiver als die anderen; beide sind Äußerungsweisen eines in Raum und Zeit nicht mehr objektivierbaren Vorgangs.

Bevor ich nun näher auf den neuen Gesetzmäßigkeitstypus eingehe, der sich durch die Atomtheorie in der exakten Naturwissenschaft einen Platz erobert hat, möchte ich kurz die Wandlung andeuten, die der Materiebegriff selbst im Laufe der Entwicklung durchgemacht hat. Die Materie galt im Anfang naturwissenschaftlicher Forschung als das Bleibende schlechthin, das Unveränderliche, an dem sich durch Mischung und Trennung der primitiven Bestandteile, der Elemente, der bunte Wechsel der Erscheinungen abspielt. Als die primitiven Elemente der Materie könnten in diesem Sinne Heute nur noch die Elektronen und Protonen gelten; aber auch denen kommen nicht die Eigenschaften zu, die ursprünglich mit dem Materiebegriff verbunden waren. Z.B. hat es keinen physikalischen Sinn, zu behaupten: ein bestimmtes Elektron, dessen Spur in der Wilsonkammer zu sehen war, sei nachträglich noch einmal bei einem Zusammenstoß durch die Wilsonsche Kammer geschleudert worden. Es ist prinzipiell unmöglich, ein Elektron im Verlauf der Erscheinungen zu identifizieren, wiederzuerkennen. Die Entdeckung von Dirac und Anderson, daß Materie in Strahlung verschwinden und aus Strahlung entstehen könne, unterstreicht die Wandlung des Materiebegriffs noch besonders deutlich. Wenn also von dem "Bleibenden" im Wandel der Erscheinungen gesprochen werden soll, so ist "bleibend" nur die mathematische Form, aber nicht die Substanz. Nur die formalen anschaulichen Gesetze, die Beobachtung mit Beobachtung verknüpfen, sind für alle atomaren Phänomene verbindlich.

Die experimentelle Durchforschung atomarer Phänomene hat, wie ich bisher auseinandergesetzt habe, nicht nur zu neuen physikalischen Gesetzen, sondern zu einem neuen Gesetzmäßigkeitstypus geführt; diese Auffindung einer, beinahe möchte ich sagen neuen Denkform bei der Beschreibung der Natur ist vielleicht das wichtigste Resultat der Atomtheorie. Lassen Sie mich daher noch einmal zusammenfassend beschreiben, wie die Gesetze  der Atomphysik aussehen. An Stelle des kontinuierlichen, in Raum und Zeit ablaufenden Geschehens der früheren Physik tritt eine diskrete Folge einzelner Beobachtungsmomente. die Beobachtung verändert im allgemeinen das dahinterstehende physikalische Geschehen; jede Beobachtung ist an die vorausgehende gesetzmäßig geknüpft, doch so, daß die gesetzmäßige Verknüpfung nicht als zwischen den Beobachtungen stattfindender raum-zeitlicher Ablauf aufgefaßt werden kann. Auch sind die Ergebnisse zweier aufeinanderfolgender Beobachtung nur in speziellen Fällen eindeutig miteinander verknüpft. Vielmehr folgt im allgemeinen aus einen Beobachtungsresultat nur die Wahrscheinlichkeit für ein bestimmtes Ergebnis einer weiteren Beobachtung. Die Möglichkeit zu einer solchen von der klassischen Physik abweichenden Verknüpfung wird geschaffen durch die Unmöglichkeit, die Bestimmungsstücke eines Systems in der klassischen Physik mit beliebiger Genauigkeit zu messen. In dem Umfang, als es möglich ist, den raum-zeitlichen Ablauf eines Geschehens zu verfolgen, in dem Umfang gelten auch für ihn die Gesetze der klassischen Physik. Für die Meßapparate, deren Verhalten wir in Raum und Zeit beschreiben, bleibt die klassische Physik nach wie vor die einzig angemessene Beschreibung. Nur wenn wir einem Prozeß auf seine detaillierte raum-zeitliche Beschreibung verzichten, so bietet sich die Möglichkeit, andersartige Zusammenhänge an ihm  nachzuweisen. Daß die neuen und andersartigen Gesetze keine strenge Determiniertheit der Naturvorgänge verbürgen, kann nicht als Einwand betrachtet werden. Denn schon an der klassischen Physik hatten die Forscher sich klar gemacht, daß die Determiniertheit des Naturgeschehens mit seiner Objektivierbarkeit verknüpft ist - und die ist in der Atomphysik nicht gegeben.

Lassen Sie mich die eben abstrakt geschilderten Gesetze der Atomphysik noch an einem Beispiel anschaulich erläutern. Die Aufmerksamkeit philosophischen Denkens hat sich häufig dem bekannten Naturvorgang zugewandt, bei dem etwa aus einer konzentrierten Salzlösung plötzlich schön geformte Satzkristalle entstehen. Als die formende Kraft, die aus der ungeordneten Fülligkeit plötzlich Kristalle schafft, erkennen wir die mathematische Struktur, die Symmetrieeigenschaft der Schrödingerschen Wellengleichung; insofern wird die Bildung von Kristallen durch die Atomtheorie erklärt. trotzdem bleibt bei diesem Vorgang ein prinzipiell nicht reduzierbares, ich möchte sagen: historisches Element übrig. Selbst die vollständige Kenntnis des atomaren Zustandes der Fülligkeit würde nämlich nicht gestatten, die genaue Gestalt des Kristalls vorauszuberechnen. Sie ermöglicht nur die Wahrscheinlichkeit einer bestimmten Form vorherzusagen. Da gewisse symmetrische Bildungen sich als sehr viel wahrscheinlicher als andere erweisen, folgt die Tatsache der Kristallbildung zwangsläufig aus der Theorie. Aber die Gestalt des einzelnen Kristalls läßt sich nicht vorausbestimmen. der einzelne Kristall verdankt seine Bildung zum Teil einem nicht weiter analysierbaren Element des Zufalls.

Kehren wir nun wieder zu den prinzipiellen Fragen zurück. Die raum-zeitliche Verfolgung eines Vorgangs schließt, wie wir oben diskutiert haben, die Nachprüfung der typisch diskontinuierlichen, quantentheoretischen Züge des Geschehens aus. Andererseits ist die Verfolgung dieser quantentheoretischen Gesetzmäßigkeiten nur möglich unter Verzicht auf eine raum-zeitliche Beschreibung  des betreffenden Geschehens. Diesen Sachverhalt hat Bohr, dem wir ja seine genaue Analyse verdanken, mit dem Ausdruck mit dem Ausdruck "Komplementarität" bezeichnet. Die Bohrsche Komplementarität bildet in der Tat ein prinzipiell ungeheuer wichtiges erstes Beispiel dafür, wie verschiedene Gruppen von Naturgesetzen gegeneinander abgegrenzt werden können in der Weise, daß sie - obwohl sie beide streng verbindlich sind und sich auf das gleiche Geschehen beziehen - doch nirgends in Widersprüche geraten. Bohr hat selbst darauf hingewiesen, daß vielleicht die Existenz eines analogen Komplementaritätsverhältnisses wesentlich sein wird für die Abgrenzung der physiologischen Gesetzmäßigkeiten in den Organismen gegen die Gesetze der Physik. Auch in der Psychologie stößt man auf ähnliche Verhältnisse von Komplementarität. An sich ist wohl überhaupt der Gedanke an komplementäre Beschreibungsweisen ein und desselben Vorgangs in anderen Wissenschaften schon früher aufgetaucht. Für die moderne Physik charakteristisch ist jedoch die Entdeckung, daß eine solche Beschreibungsweise bis in die letzten Einzelheiten konsequent und mathematisch exakt durchgeführt werden kann. Insofern hat uns die Natur in den atomaren Erscheinungen etwas prinzipiell Neues und Bedeutendes gelehrt: daß es neben der streng deterministischen Gesetzlichkeit der klassischen Physik noch ganz andersartige Gesetzchemata gibt, die nicht weniger streng durchgeführt werden können wie die früheren. Von jener hat die exakte Naturwissenschaft auf die anderen Wissenschaften einen starken Einfluß dadurch ausgeübt, daß sie durch die Klarheit und Widerspruchsfreiheit ihrer Begriffsbildung den Nachweis dafür erbrachte, daß ihre bestimmte Art des logischen Schließen zu einem in sich geschlossenen Wissenschaftsgebäude führen kann. Ihre besondere Kraft liegt ferner in dem Umstand, daß in der Naturwissenschaft niemals auf die Dauer Raum ist für reine Spekulation. Vielmehr handelt es sich stets um die experimentelle Durchforschung bestimmter Erfahrungsbereiche und deren theoretische Reduktion auf einfache Gesetze. In der Naturwissenschaft gibt es daher auf die Dauer nur "richtig" oder "falsch", für subjektive Deutung ist in ihr kein Raum. Aus diesen Gründen mag es dem Naturforscher nicht als Hochmut ausgelegt werden, wenn er es für möglich hält, daß die lebendige Umgestaltung, die seine Wissenschaft durch die Erweiterung auf die Welt der Atome erfahren hat, auch übergreift auf andere Arbeitsgebiete des Geistes.

Quelle:
Heisenberg, Gesammelte Werke (Collected Works) Abteilung CI, Seite 62-73

1997 Jon Liedtke