Zum 50.Todestag des Wiener Physikers Schrödinger veranstaltet das nach ihm benannte ESI ein Symposium über die Geschichte der Quantentheorie. Mit einer Gleichung löste er vor 85 Jahren alle Rätsel der Chemie.
Heuer ist laut Beschluss der UNO das „Jahr der Chemie“, und am Anfang des Jahres, genau am 4.Jänner, war der 50. Todestag des österreichischen Physikers Erwin Schrödinger. Das ist eine schöne Koinzidenz. Denn wenn fürwitzige Physiker heute à la Radio Eriwan sagen können, dass im Prinzip alle Rätsel der Chemie gelöst sind, dann liegt das an einer Gleichung, die dieser Mann vor 85 Jahren aufgestellt hat: der Schrödinger-Gleichung.
Diese Gleichung war, wie der Mathematiker Hermann Weyl einmal behauptet hat, das Ergebnis eines „späten erotischen Ausbruchs“: Erwin Schrödinger, enerviert von einem chronischen Ehekonflikt, hatte sich ins winterliche Arosa zurückgezogen. Nicht allein, sondern mit einer Frau, deren Identität bis heute ungeklärt ist. In den zwei Wochen widmete er sich nicht nur dieser geheimnisvollen Geliebten, sondern auch den Grundlagen der Quantentheorie.
1924 hatte der französische Adelige Louis-Victor de Broglie eine verblüffende Idee publiziert: Wenn sich denn Lichtteilchen (Photonen) auch als Welle darstellen lassen, postulierte er, dann sollten sich umgekehrt „materielle Teilchen“ – insbesondere Elektronen – auch als Welle ansehen lassen. So ordnete er einem Elektron mit den Impuls p eine Wellenlänge λ=h/p (h ist das Plancksche Wirkungsquantum) zu – und konnte tatsächlich die Bahnen im Bohrschen Atommodell ableiten.
Streit um die Quantentheorie
Zu einer ordentlichen Welle gehört eine Wellengleichung, und eine solche suchte Schrödinger. Schon Anfang 1926 verkündete er: „Nun, ich habe eine gefunden!“ Seine Wellenmechanik (die er zuerst barocker „undulatorische Mechanik“ nannte) stand sofort in Konkurrenz zu einer anderen Theorie: der von Werner Heisenberg entwickelten Matrizenmechanik, die wesentlich abstrakter war. Die Differentialgleichung, die Schrödinger vorschlug, war zumindest in der Form den Physikern vertraut, 19.Jahrhundert sozusagen. Sie sieht – von einem i (der Wurzel aus –1) abgesehen – zwar nicht der klassischen Wellengleichung, aber der Diffusionsgleichung ähnlich. Heisenberg gefiel sie freilich gar nicht: „Je mehr ich über den physikalischen Teil der Schrödingerschen Theorie nachdenke, desto abscheulicher finde ich ihn“, schrieb er. Schrödinger dagegen fühlte sich „durch den Mangel an Anschaulichkeit“ in Heisenbergs Theorie „abgeschreckt, um nicht zu sagen abgestoßen“. Die „verdammte Quantenspringerei“ war ihm ungeheuer. Wenn es bei ihr bleiben sollte, „so bedaure ich, mich überhaupt jemals mit der Quantentheorie abgegeben zu haben“, schrieb er an Niels Bohr, die Vaterfigur der Quanten-Pionierzeit. Schrödinger war es wichtig, die „diskreten“ Bahnen (und die Sprünge dazwischen) der Elektronen physikalisch verständlich abzuleiten. Daraus, dass die Elektronen ans Atom gebunden sind, „ergibt sich die Ganzzahligkeit auf dieselbe natürliche Art wie etwa die Ganzzahligkeit der Knotenzahl einer schwingenden Saite“.
Der Streit war kein rein physikalischer, sondern auch ein philosophischer: Schrödinger wollte sich nicht vom „anschaulichen“ Bild der Wirklichkeit, nicht von der Kausalität verabschieden, Heisenberg schon. „Etwas greifbar Reales“ liege den „Schwingungen auch nach der jetzigen Auffassung zugrunde“, schrieb Schrödinger in einer seiner vier essenziellen Arbeiten des Jahres 1926. „Eine gewisse Härte liegt ohne Zweifel zurzeit noch in der Verwendung einer komplexen Wellenfunktion.“
Tatsächlich: Die Natur dieser Wellenfunktion – üblicherweise als ψ geschrieben – war nicht intuitiv klar; der erste Erklärungsversuch Schrödingers („elektrodynamisch wirksame Fluktuationen der elektrischen Raumdichte“) scheiterte. Im Sommer 1926 grassierte ein Spottvers: „Gar manches rechnet Erwin schon / mit seiner Wellenfunktion. / Nur wissen möcht' man gerne wohl / was man sich dabei vorstell'n soll.“ Dann prägte Max Born die bis heute gängige „statistische Interpretation“: Die Wellenfunktion ist keine messbare Größe, aber das Quadrat ihres Betrags entspricht der Wahrscheinlichkeit, dass sich das Teilchen an einem bestimmten Ort aufhält.
Von Festkörpern bis zu Proteinen
Bald darauf konnten gleich mehrere Physiker zeigen, dass die Heisenbergsche und die Schrödingersche Theorie äquivalent sind. Durchgesetzt hat sich freilich die Gleichung Schrödingers. Er selbst berechnete daraus die Energiezustände der Elektronen im Wasserstoffatom, und das ist auch eine der wenigen exakten Lösungen, die für diese Gleichung gefunden wurden. Für weitere Atome – und Moleküle – kann man sie nur näherungsweise lösen. Und das geschieht bis heute weltweit in unzähligen Instituten, mit Hilfe riesiger Computer. Die Eigenschaften von Festkörpern werden genauso aus der Schrödingergleichung „ab initio“ berechnet wie die Gestalt von Biomolekülen wie Proteinen.
Es ist eine witzige Wendung der Physikgeschichte, dass just Schrödinger, dem so viel an kausalen, realistischen Erklärungen lag, eine Eigenschaft der Quantenwelt entdeckte, die diesem Weltbild entgegensteht: die Verschränkung, durch die zwei Teilchen auch über weite Entfernungen untrennbar miteinander verbunden sind. „Schrödinger war der erste, der erkannt hat, dass die Verschränkung das Wesentliche an der Quantentheorie ist“, meint der Wiener Physiker Anton Zeilinger. „Und die Verschränkung macht ein lokal-realistisches Weltbild unmöglich.“
Anton Zeilinger und andere Physiker und Physikhistoriker (z.B. Walter Thirring, Roberto Car) sprechen beim Symposium „Erwin Schrödinger – 50 Years After“ am 14. und 15.Jänner im ESI (Boltzmanngasse 9). Am 13.1. um 19.30 Uhr hält Jürgen Renn im Kleinen Festsaal der Uni Wien eine öffentliche Wiener Vorlesung über „Schrödingers Weg zur Wellenmechanik“.
Das Wiener Erwin-Schrödinger-Institut (ESI)
1993 wurde das ESI als Institut für Mathematische Physik gegründet. Es hat seinen Sitz in der Boltzmanngasse 9, im selben Haus wie das Priesterseminar. 4792 Wissenschaftler aus aller Welt haben bis heute im ESI geforscht.
Als außeruniversitäres Institut, das vom Wissenschaftsministerium finanziert wird, war das ESI betroffen, als Ministerin Beatrix Karl im November 2011 verkündete, dass diesen Instituten ab 2012 die Basissubvention gestrichen werden müsse. Es wurde gerettet, indem es als „Forschungsplattform“ der Uni Wien angeschlossen wurde. Allerdings muss das „Junior Research Program“ gestrichen werden.
("Die Presse", Print-Ausgabe, 13.01.2011)