Gesundheit: 100 Jahre Quantenphysik: Energie in kleinen Portionen

"Junger Mann, warum wollen Sie sich Ihre Zukunft so zerstören?" Diesen kaum verheißungsvollen Rat gab man dem siebzehnjährigen Max Planck auf die Frage nach den Aussichten eines Physikstudiums. Im letzten Viertel des 19. Jahrhunderts glaubte man, dass die Physik praktisch vollendet sei und es viel Neues auf diesem Gebiet nicht mehr zu entdecken gäbe.

Der junge Planck blieb nicht nur bei der Wahl seines Studienfaches von diesem Ratschlag unbeeinflusst. Er war es auch, der zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts mit der Quantenhypothese einen tiefgreifenden Umbruch in der Physik einleitete. Plancks Quantenhypothese führte in den folgenden Jahrzehnten zur Herausbildung der Quantentheorie und eröffnete der Physik den Weg zum Verständnis der Vorgänge im atomaren Bereich.

Ausgangspunkt für Plancks epochemachende Entdeckung waren Forschungen, die er seit Mitte der 1890er Jahre zur Wärmestrahlungstheorie betrieb. Dieses Forschungsgebiet war damals hochaktuell, wusste man doch nur wenig über die Gesetzmäßigkeiten, nach denen etwa ein erhitzter Körper Wärme- beziehungsweise Lichtstrahlen aussendet.

Die Berliner Physikalisch-Technische Reichsanstalt war damals das Zentrum der Wärmestrahlungsforschung - nicht zuletzt wegen der großen praktischen Bedeutung des Gebiets für die aufstrebende Beleuchtungstechnik. Umfangreiche Präzisionsmessungen wurden dort zu Wärmestrahlungsphänomenen gemacht. Sie offenbarten im Sommer 1900 auffällige Diskrepanzen zu den damals gültigen Strahlungsgesetzen.

Max Planck, Professor für theoretische Physik der Berliner Universität, stand mit seinen Kollegen von der Reichsanstalt in einem engen Kontakt. Die an der Reichsanstalt gefundenen Abweichungen wurden so nicht zufällig für Planck zum Anlass, eine neue Strahlungsformel vorzuschlagen. Allerdings war diese zunächst nur "eine glücklich erratene Interpolationsformel", die zwar die Messergebnisse richtig widergab, doch für die es noch eine theoretische Begründung zu finden galt. Nach Wochen angestrengter Arbeit lieferte Planck auch diese, und am 14. Dezember 1900 berichtete er darüber in einer Sitzung der Physikalischen Gesellschaft in Berlin.

Planck hatte für die theoretische Ableitung des neuen Strahlungsgesetzes seine bisherigen physikalischen Ansätze gründlich revidieren müssen. Unter anderem musste er annehmen, dass die Energiewerte nicht kontinuierlich sind, sondern nur diskrete, zu ihrer Frequenz proportionale Werte annehmen können. Die Einführung einer Naturkonstanten, das Plancksche Wirkungsquantum, war eine unerhört kühne Annahme, widersprach sie doch der Grundüberzeugung der klassischen Physik, wonach die Natur keine Sprünge macht.

Weder Max Planck noch seine Zeitgenossen haben sofort die ungeheure Tragweite der Hypothese von der quantenhaften Natur der Energie erkannt. Manche Physiker meinten sogar, das Wirkungsquantum als reine mathematische Fiktion abtun zu können. Wie tief der Widerspruch zu den Grundlagen der bisherigen Physik war, machten erst die Entwicklungen der nächsten Jahre deutlich.

Es brauchte fünf Jahre, bis der junge Albert Einstein in seinem "annus mirabilis" mit der Lichtquantenhypothese den nächsten Schritt wagte. Ein ganzes Jahrzehnt verging, ehe die Quantenhypothese von einer größeren wissenschaftlichen Öffentlichkeit akzeptiert wurde. Nun wurde klar, dass das Wirkumsquantum der Schlüssel für das Verständnis der atomaren Vorgänge war. Insbesondere mit der Atomtheorie des dänischen Physikers Niels Bohr wurde es zum konstitutiven Bestandteil der modernen Physik.

Planck hat an der weiteren Ausgestaltung seines Ansatzes zu Quantentheorie und Quantenmechanik keinen entscheidenden Anteil mehr genommen. Dies wurde das Werk einer jüngeren Physikergeneration. Dennoch wird - wie Max von Laue dies einmal ausgedrückt hat - "Plancks Name für alle Zeiten in der Physik bleiben. Zwar haben andere nach ihm die Quantentheorie weiter, viel weiter entwickelt . . Aber den ersten richtungsweisenden Schritt, der sich in der Einführung einer neuen universellen Konstante dokumentiert, hat eben doch Planck und kein anderer gewagt. Der geniale Mut, der sich darin äußert, wird als Vorbild für künftige große Taten noch nach Jahrhunderten die Wissenschaftler begeistern."