Eine stille Revolution - Max Planck und die Entdeckung des Zufalls

Max Planck (1858-1947) studierte Physik in München und Berlin. Von 1885 bis 1889 war er Professor für Physik in Kiel, anschließend in Berlin. Von 1912 bis 1938 war er einer der vier Sekretäre der Preussischen Akademie der Wissenschaften, von 1930 bis 1937 und 1945/46 Prädident der Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften. Planck war einer der bedeutendsten Physiker des 19./20. Jahrhunderts, der insbesondere auch durch seine Gesinnung und sein geradliniges, unbeirrbares Handeln eine hervorragende Stellung unter den deutschen Physikern einnahm. Als Begründer der Quantentheorie zählt er zu den Mitbegründern der modernen Physik.

Der Planck-Satellit wird die kosmische Hintergrundstrahlung mit einer Genauigkeit von einem Tausendstel je Spektralelement messen. Das primäre wissenschaftliche Ziel ist die Bestimmung der Annisotropie der Hintergrundstrahlung im gesamten Universum mit einer räumlichen Auflösung von 10 Winkelminuten. Daraus sollen Rückschlüsse auf die Entstehung des Universums gezogen werden. Der Satellit misst damit das von Planck gefundene Strahlungsgesetz in der größtmöglichen Raum- und Zeitdimension aus.

Sehr viele Physik-Nobelpreise sind für Arbeiten verliehen worden, die mehr oder weniger direkt mit der Quantenmechanik zu tun haben. Die von Max Planck am 14. Dezember 1900 vorgetragene Theorie der quantisierten Energie ist daher ein außerordentlicher Meilenstein der naturwissenschaftlichen Erkenntnis. Die enorme Leistung wird besonders klar, wenn man den generellen Stand der Physik im ausgehenden 19. Jahrhundert berücksichtigt. Bedenkt man, dass die Quantisierung der Materie, d. h. das Elektron als Träger der Elementarladung, gerade erst drei Jahre zuvor von J. J. Thomson entdeckt worden war, wird deutlich, wie außergewöhnlich die Vorstellung einer portionierten Energie - einer endlichen wenn auch sehr kleinen "kleinsten Energiemenge", des Energiequants - zu seiner Zeit tatsächlich war.

Max Planck in jungen Jahren ...

Ausgehend von der technischen Revolution, die durch die Erfindung und Verbreitung der Dampfmaschine im beginnenden 19. Jahrhundert in Gang gesetzt worden war, rückten besonders Fragen der Thermodynamik in den Mittelpunkt. Die Thermodynamik beschäftigt sich mit der statistischen Beschreibung von Vielteilchensystemen wie zum Beispiel Gasen und mit der genauen Klärung von Begriffen wie "Kraft", "Arbeit", "Energie" und "Wirkung". Daneben setzte ab der Mitte des 19. Jahrhunderts ein zunehmender Konkurrenzkampf zwischen den Herstellern neuartiger Beleuchtungssysteme ein, der Gasbeleuchtung und den ersten verfügbaren elektrischen Leuchtmitteln: Kohlebogenlampe und Glühbirne. Hier ergab sich für Physiker die schwierige Aufgabe einer objektiven Beschreibung des Lichts, um die unterschiedlichen Beleuchtungsformen nicht zuletzt im wirtschaftlichen Sinne vergleichbar zu machen. Dies musste ohne Verständnis des Ursprungs der Strahlung geschehen.

Max Planck, der am 23. April 1858 in Kiel geboren wurde, erhielt 1879 nach nur fünf Jahren Studium der Physik in München und Berlin den Doktortitel mit einer Arbeit über den 2. Hauptsatz der Thermodynamik. Diese frühen thermodynamischen Untersuchungen trugen später, nachdem er 1885 Professor in Kiel und 1889 in Berlin als Nachfolger von Kirchhoff geworden war, wesentlich zu seiner Entdeckung der Energiequantisierung bei. Kirchhoff hatte schon 1862 das wissenschaftliche Problem formuliert, dessen Beantwortung eben diese Entdeckung erforderte. Er hatte den idealen Strahler definiert, dessen Strahlungseigenschaften nur von seiner Temperatur abhängen. Dieser sogenannte "Schwarze Körper", der mit Hilfe eines gleichmäßig beheizten Hohlraums realisiert wird, konnte aufgrund enormer technischer Herausforderungen erst 30 Jahre später in für physikalische Experimente geeigneter Form hergestellt werden. Sein Spektrum, d.h. seine Strahlungsintensität bei verschiedenen Wellenlängen in Abhängigkeit von der Temperatur war damals theoretisch nicht ableitbar.

... und im Alter

Erst Plancks Formel lieferte - neben einer korrekten Beschreibung der gemessenen Strahlungscharakteristika bei niedrigen und bei hohen Temperaturen - ein physikalisch nachvollziehbares Modell für die Quelle der elektromagnetischen Strahlung. Damit beendete er einen damals schon zwei Jahrzehnte andauernden Streit über die richtige Formel. Allerdings erschien zunächst auch Planck selbst die Hypothese quantisierter Energie als zu revolutionär und nicht gänzlich akzeptabel. Denn die Annahme von Energiequanten stellte einen fundamentalen Widerspruch zu allen bis dahin gängigen physikalischen Modellen dar. Planck war zu dieser Annahme gänzlich aus logischen Schlussfolgerungen getrieben worden, die auf seinen früheren Arbeiten zur Thermodynamik beruhten. Erst die Arbeiten Einsteins zur Quantisierung von Licht (1905) und spezifischer Wärme in Festkörpern (1909) bestätigten die generelle Gültigkeit der Planckschen Quantenhypothese.

In den folgenden Jahren machte die Physik infolgedessen ganz erhebliche Fortschritte. So entwickelte z. B. Bohr 1913 seine Quantentheorie des Wasserstoffatoms. Aus der Planckschen Theorie konnte übrigens auch die Ladung des Elektrons korrekt vorhergesagt werden. Die Entdeckung Max Plancks fand 1918 mit dem Nobelpreis ihre Würdigung. Sie war der Grundstein der Quantenmechanik, die 1925 von Born, Dirac, Heisenberg und Schrödinger entwickelt wurde. Ohne sie wäre die gesamte heutige Physik undenkbar.

Christian Kapteyn

Der Text ist eine Zusammenfassung aus dem Ausstellungskatalog "100 Jahre Quantentheorie. Vor- und Frühgeschichte" von Jost Lemmerich und Dieter Hoffmann. Er wird von der Deutschen Physikalischen Gesellschaft herausgegeben.

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