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Aus der Neuen Solidarität Nr. 18/2008

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Von der Ehrlichkeit gegenüber der Natur

Max Planck zum 150. Geburtstag

Von Caroline Hartmann

Schon als junger Physiker mußte Max Planck erfahren, daß die Welt der etablierten sogenannten klassischen Physik, die von Professoren mit großen berühmten Namen wie Robert Clausius, Hermann von Helmholtz usw. verkörpert wurde, einige Probleme mit dem Verständnis entscheidender Naturphänomene hatte, und vor allem mit der Anerkennung neuer und weiterführender Ideen.

In seiner preisgekrönten Arbeit von 1887 „Über die Erhaltung der Energie“ anläßlich eines Preisausschreibens der Göttinger philosophischen Fakultät hatte Planck die Arbeit von Robert Mayer, dem Entdecker des Mechanischen Wärmeäquivalentes, und insbesondere dessen Stellungnahme über die Erklärung des Wärmephänomens erwähnt. „Wärme“ wird meist fälschlich mit der beschleunigten Molekülbewegung in dem jeweiligen Stoff oder Körper erklärt, d.h. Wärmeenergie sei eine rein mechanische Bewegungsenergie. Robert Mayer, der sich vor allem intensiv mit dem Phänomen der Kraft auseinandersetzte, hatte bei seiner Entdeckung ausdrücklich betont, daß Wärme, die eine Art von Kraft ist (heute sagt man Energie) zwar äquivalent zu der bewegenden mechanischen Kraft ist, aber daß diese „Wärmekraft“ nicht ausschließlich auf vermehrte Bewegung der kleinsten Bestandteile des Stoffes zurückgeführt werden dürfe (siehe dazu auch: „Was ist Wärme? Oder: warum die Natur keine Disco ist“ in Neue Solidarität Nr. 17 und 18/2006).

Eine rein „mechanistische“ Erklärung der Wärme sei unzulässig und unbegründet, so Robert Mayer. Das wurde auch von Planck Zeit seines Lebens betont. Die Entdeckung Mayers zeigte ein weit in die Zukunft reichendes Ideenpotential dieses neuen Gebietes der Physik, der „Thermodynamik“, doch die damals führenden Köpfe der Physik, Hermann Helmholtz und Robert Clausius, reduzierten sie zu einer rein „mechanistischen“ Deutung des Wärmephänomens und übertrugen die bisher bekannten Gesetze der Mechanik einfach auf den molekularen Bereich. Damit begann das Dilemma über das grundlegende Verständnis der Natur, das nach Plancks Entdeckung erneut voll ausbrechen sollte.

Max Planck wurde am 23. April 1858 in Kiel geboren. Die Familie siedelte schon 1867 nach München über, weil der Vater als Professor der Rechte an die dortige Universität berufen wurde. Die Mutter entstammte einer Pfarrersfamilie. Sein Ururgroßvater Gottlieb Jakob Planck (1751-1833), Professor der Theologie an der Universität Göttingen, gehörte zu dem Kreis um Abraham Gotthelf Kästner, der 1766 Benjamin Franklin nach Göttingen holte und die erste Übersetzung von Leibniz’ Antwort auf John Lockes menschenverachtende Lehre, die Neuen Abhandlungen über den menschlichen Verstand, veranlaßte. Das Denken des großen Philosophen und Mathematikers Gottfried Wilhelm Leibniz prägte ebenso Max Planck selbst.

Nach Absolvierung des Gymnasiums studierte Planck zunächst drei Jahre in München und danach ein weiteres Jahr in Berlin unter Helmholtz und Kirchhoff. Über Helmholtz berichtet er:

Bereits 1878  schrieb der gerade zwanzigjährige Planck innerhalb von vier Monaten seine Doktorarbeit. Und nach intensivem Studium der verschiedensten Arbeiten über die Thermodynamik, zum Beispiel der von Rudolf Clausius und Robert Mayer, schrieb er schon ein Jahr später die oben erwähnte Schrift über „Das Prinzip der Erhaltung der Energie“, worin er das zu enge, rein auf Bewegung beruhende Verständnis der Wärme anzweifelte. Planck war der festen Überzeugung, daß die Natur bzw. das Universum nach bestimmten, vom Menschen wißbaren Gesetzmäßigkeiten und nicht nach zufälligen Regeln der Statistik und Wahrscheinlichkeit funktioniert.

Nach ersten Jahren an der Kieler Universität wird Planck 1889 nach dem Tode Gustav Kirchhoffs (1824-1887) auf Vorschlag der Berliner Philosophischen Fakultät als dessen Nachfolger zur Vertretung der theoretischen Physik an die Universität berufen. Im Jahre 1894 wird er in die Preußische Akademie der Wissenschaften aufgenommen. In die folgenden Jahre fiel der angestrengte Versuch, die Thermodynamik auf weitere Gebiete auszuweiten. Die mechanistische Deutung der Wärme durch Hermann Helmholtz (der übrigens Mayers Recht auf Erstveröffentlichung der Entdeckung des Wärmeäquivalents in seiner Schrift Über die Erhaltung der Kraft von 1847 gar nicht erwähnt) wurde von Planck grundlegend in Frage gestellt:

Max Planck war es aufgrund seines Charakters ganz unmöglich, bei anderen ein schlechtes Motiv vorauszusetzen, solange sie nicht deutlich das Gegenteil bewiesen. Ihm waren aber die abstrusen Beweisführungen eines Helmholtz und Lord Kelvin bewußt, die aus ebendieser mechanistischen Weltanschauung als Folge der Entropie den letztendlichen „Wärmetod“ des Universums für ausgemacht erklärten, sowie die nicht sehr wissenschaftliche Angewohnheit Helmholtz’, fremde Arbeiten und Ideen mit der größten Selbstverständlichkeit als die eigenen zu verkaufen. Die Schlüsse, die Rudolf Clausius dann - als Resultat dieser zu engen Sichtweise der Naturerscheinungen - zusätzlich zog, nämlich die zu enge Interpretation des Satzes von der ständigen Vermehrung der Entropie im Universum (bekannt als der 2. Hauptsatz der Thermodynamik), bekämpfte Planck Zeit seines Lebens:

Solch einen Vorgang, daß nämlich „der Prozeß der Wärmeleitung sich auf keinerlei Weise vollständig rückgängig machen läßt“, nennt Planck „natürlich“; heute hat man sich mit dem Begriff „irreversibel“ bereits abgefunden. Hier liegt aber ein grundlegender Unterschied, der sich auf die ganze weitere Entwicklung im Verständnis der Wärmeerscheinungen negativ auswirken sollte.

Die nähere Untersuchung der Wärme neben der Erkenntnis, daß aller Strahlung der gleiche Prozeß zugrundeliegt und sich die verschiedenen Arten nur durch die Frequenz unterscheiden - von Ampère postuliert und dann von Gustav Kirchhoff als Gesetz formuliert - sollte diese fehlerhafte und zu enge Auffassung erneut in den Mittelpunkt stellen. Unerwartete und phänomenale Entdeckungen bei der Untersuchung der Spektren strahlender Körper deuteten auf gewisse konstante Regelmäßigkeiten im mikroskopischen Bereich des atomaren Aufbaus der Materie. 

Was ist Wärmestrahlung?

Noch zu Beginn des 19. Jahrhunderts herrschte die Auffassung vor, die verschiedenen Strahlungsarten seien in Bezug auf Brechbarkeit und Wesen völlig verschieden. Man kannte das sichtbare Licht, welches der Mensch als Sonnenlicht oder bei anderen glühenden Körpern sehen kann, dann die reine Wärmestrahlung, die man bei der Wärmeabgabe eines erhitzten Körpers, z.B. eines heißen Stückes Eisen, fühlen kann, und die chemisch wirksamen Strahlen (ultraviolette Strahlen). Man ging praktisch von den Sinneseindrücken des Menschen aus, um die Naturerscheinungen zu erklären. Doch um die wahren Vorgänge, die sich da abspielen, herauszufinden, mußte man hinter die diese Phänomene blicken.

Das hatte der berühmte französische Physiker André Marie Ampère getan, der behauptete: Ein und derselben Prozeß,  muß allen verschiedenen Strahlungsarten zugrunde liegen. Denn die Lichtstrahlen seien nichts anderes als sichtbare Wärmestrahlen, die chemisch wirksamen Strahlen seien ebenfalls Wärmestrahlen einer höheren Frequenz. Das bedeutet, die Strahlungsarten unterscheiden sich untereinander nur durch ihre Wellenlänge (Frequenz  ν= 1/λ), und man kann sie in einem kontinuierlichen Spektrum anordnen.

Unser Auge, sagte Ampère, könne nur ein bestimmtes Spektralgebiet als „Licht“ wahrnehmen, während es auf die Strahlen von anderer Brechbarkeit nicht reagiere. Diese einleuchtende Hypothese stellte sich auf die Dauer als die Wahrheit heraus, doch das erforderte einen langen Weg der Erforschung, mußte man doch beweisen, daß das der Strahlungsspektrum tatsächlich kontinuierlich war, d.h. bei jeder Wellenlänge eine Strahlung meßbar sei. Die Experimentalphysik, die hier mit Forschern wie Gustav Kirchhoff, Robert Bunsen, Ernst Pringsheim und Otto Lummer verbunden ist, sorgte für die bahnbrechenden Entdeckungen, die nach der endgültigen Auffindung der wahren Strahlungs-Gesetzmäßigkeiten durch Max Planck zu einem völlig neuen Verständnis der Physik führen mußten.

Mit der „Bunsenschen Lampe“ (heute als Bunsenbrenner bekannt) untersuchten die genannten Forscher die Spektren aller Arten von Stoffen und stießen auf ein völlig unerwartetes Phänomen, das Kirchhoff in seiner Veröffentlichung „Über das Verhältnis zwischen dem Emissions- und Absorptionsvermögen der Körper für Wärme und Licht“ beschreibt:

Wie sollte man sich das erklären? Das konnte nur mit dem inneren Aufbau der Materie zu tun haben.

Zur gleichen Zeit kämpfte in Rußland ein Mann namens Mendelejew für seine Hypothese, daß alle Materie sich nur durch die Anzahl ihrer im Atom gebundenen Teilchen unterscheidet. Im allgemeinen Wirrwar der Stoffe behauptete er sogar, daß alle Stoffe sich auf eine ganz bestimmte Anzahl von solchen charakteristisch aufgebauten „Elementen“ zurückführen lassen, die man sogar in einer systematisch aufgebauten Tafel ordnen könne. 1860 bestand diese Tafel noch aus 60 Elementen. Zur Untermauerung der Mendelejewschen These waren die Arbeiten Kirchhoffs und Bunsens von grundlegender Bedeutung, und es ist nicht verwunderlich, daß sie dabei auch zwei neue Elemente (Caesium und Rubidium bei der Spektralanalyse des Bad Dürkheimer Mineralwassers) entdeckten.

Um dieses bei allen Stoffen in gleicher Weise auftretende Phänomen näher untersuchen zu können, erfand Kirchhoff die idealisierte Möglichkeit, die Strahlung jeweils in einem Hohlraum, einem sogenannten „schwarzen Körper“, zu sammeln. Das kann z.B. auch ein Metallrohr sein, das man an einer Stelle schwarz anstreicht, denn der Zweck ist, das Austreten von Strahlung extrem zu reduzieren, um einen Gleichgewichtszustand unter den im Körper sich reflektierenden und brechenden Wellen zu erhalten. Die bahnbrechende Entdeckung des Jahres 1900, die zeigte, daß sich die Energie unabhängig von der Beschaffenheit des Stoffes bei jedem Material immer in genau der gleichen Weise auf die verschiedenen Wellenlängen verteilte, veröffentlichten sie in den Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft unter dem Titel „Über die Strahlung des schwarzen Körpers für lange Wellen“. Diese charakteristische Energieverteilung der Strahlung war nach dem üblichen Verständnis vom Wellenverhalten des Lichts völlig unverständlich. Planck beschreibt dies folgendermaßen:

(aus der Rede „Neue Bahnen physikalischer Erkenntnis“, die Planck am 15. Oktober 1913 beim Antritt seines Rektorats der Friedrich-Wilhelm-Universität zu Berlin hielt).

Diese Resultate zeugten von einem konstanten Verhältnis, und Planck, dessen feste Überzeugung es war, daß man gerade aus diesen feststehenden Naturkonstanten Aufschluß über grundlegende Vorgänge im Universum finden kann, arbeitete intensiv an einer Lösung:

Beruht die Natur auf statistischen Zufällen?

Die Formel, die Planck schließlich fand, schloß die Bedingung ein E = h · ν, welche besagt, daß die Materie Energie nur in bestimmten Portionen (Quanten) aufnehmen kann. Sie ließ die alte Streitfrage, ob Strahlung aus Wellen oder Teilchen bestehe, wieder aufflammen. Planck war von den Turbulenzen, die er dadurch in der Physik ausgelöste, einigermaßen schockiert und mußte feststellen, daß es noch zu wenige Fakten und leider auch zu wenige Physiker gab, die die Notwendigkeit einer dringenden Reform der sogenannten „klassischen Physik“ einsahen. Und Fakten konnten schließlich nur durch Experimente beschafft werden.

Die von Eitelkeit und Ruhmsucht geprägte Haltung gegenüber grundlegenden Fragen der Physik war Planck bei Leuten wie Helmholtz und Clausius bereits bekannt. Doch was sich jetzt anbahnte, übertraf „persönliche“ Geltungssucht und Rechthaberei, es war bewußte Sabotage an der Wahrheitsfindung.

Die Schwedische Akademie berief sich auf die Autorität von Hendrik Anton Lorentz, Professor für theoretische Physik an der Universität von Leyden, der als einer der größten Physiker bewundert wurde. Er erklärte erst einmal, Plancks Formel fehle die „befriedigende theoretische Basis“, und verfaßte eine Beweisführung, wonach Plancks Formel nicht von der klassischen Physik herleitbar war und deshalb nicht stimmen könne. Das trug er beim Mathematikerkongreß im April 1908 in Rom vor. Als aber klar wurde, daß man um Plancks Formel nicht mehr vorbeikam, brachten u.a. Lorentz und Walther Nernst den reichen belgischen Industriellen Ernest Solvay dazu, die Kosten einer „dringend notwendigen“ Konferenz zu übernehmen, um einen Kompromiß unter den Wissenschaftlern zu erreichen, so daß das bestehende Weltbild der klassischen Physik nicht angetastet werden mußte.

Die „Lösung“, d.h. einen faulen Kompromiß, lieferte Niels Bohr mit Hilfe des jungen Mathematikgenies Heisenberg. Bezeichnend für diese „Matrizenmechanik“, wie Max Planck sie nannte, war, daß auf der Basis einer gut funktionierenden Mathematik die wahren Vorgänge der Natur „angepaßt“ wurden.

Diese Situation erinnert an das Dilemma beim Verständnis der Bewegungen der Himmelskörper im 16. Jahrhundert. Vor Johannes Keplers genauer Untersuchung der Marsbahn in seiner Astronomia nova auf der Basis der Beobachtungen Tycho Brahes und seiner Auffindung der wahren Bewegungsgesetze, welche ebenfalls die Entdeckung einer Naturkonstante (Gravitationskonstante g [m/sec2]) beinhaltete, gab es auch nur Wirrwarr zwischen verschiedenen „Modellen“, die aber allesamt nichts mit den Vorgängen der wirklichen Natur zu tun hatten.

Planck war sich über die positivistische und sophistische Geisteshaltung bewußt, die in ein immer tieferes Dilemma führte.

Später, als er im Widerstand gegen die Nazis aktiv war, bemerkte Planck über Keplers Glauben an „etwas über die Wissenschaft Hinausgehendes“, der ihn antrieb - trotz der rechnerisch erstaunlicherweise recht tolerablen Resultate der „Modelle“ eines Ptolemäus, Kopernikus und Brahe - zu sagen: alle Modelle sind falsch und ich werde die Wahrheit finden:

Das mathematische „Wunderkind“ Heisenberg war von seinem Physikprofessor Kirchhoff durch die Abschlußprüfung fallen gelassen worden, da er keine Ahnung von Experimentalphysik hatte. Trotzdem bekam er nach seiner Entwicklung der Quanten-Mathematik ungemeine Rückendeckung der Bohr-Fraktion; diese „Lösung“ wurde auch philosophisch durch die „Unschärferelation“ auf den sogenannten „Bohr-Festspielen“ in Göttingen, wie man dessen geschwätzige Vorlesungen auch nannte, bis ins kleinste Detail verifiziert.

Einstein: Gott würfelt nicht!

Bereits 1894 wurde Planck in die Preußische Akademie der Wissenschaften aufgenommen. Hier versuchte er die Thermodynamik auf andere Gebiete auszuweiten und damit das Clausiussche Entropieprinzip einzuschränken, da „es vollkommen unbegründet ist, einfach anzunehmen, daß die Veränderungen in der Natur immer in Richtung von geringerer zu größerer Wahrscheinlichkeit erfolgen.“

Als Planck 1912 neben Wilhelm Waldeyer zu einem der beständigen Sekretäre der physikalisch-mathematischen Klasse der Preußischen Akademie und 1913 zum Rektor der Berliner Universität gewählt wurde, bemühte er sich bald, Albert Einstein als theoretischen Physiker nach Berlin zu holen, denn er schätzte dessen Arbeiten über die Relativitätstheorie und vor allem seine ebenfalls rigorose Ehrlichkeit bei grundlegenden Fragen der Naturerkenntnis. Plancks erste Amtshandlung bestand darin, einen zweiten Lehrstuhl für theoretische Physik einzurichten und Einstein eine Ehrenprofessur anzutragen.

Bezeichnend für den grundlegenden Fehler der Bohr-Heisenbergschen Art von „mathematischer“ Naturdeutung, die praktisch ein Selbstbetrug ist, ist eine Diskussion zwischen Einstein und Heisenberg im Frühjahr 1926 in Berlin, nachdem Heisenberg zum ersten Mal seine neue Mathematik an der Berliner Universität vortragen durfte. Nach dem Kolloquium bat Einstein Heisenberg um eine ausführliche Diskussion, die Heisenberg später in seinen Aufzeichnungen „Der Teil und das Ganze“ (S. 92-95) wiedergibt:

Als Heisenberg dann in offensichtlicher Verwechslung von Mathematik mit der wirklichen Natur das Argument bringt, von dieser „Einfachheit und Schönheit des  mathematischen Schemas, das uns hier von der Natur suggeriert worden ist, gehe eine große Überzeugungskraft aus“, bringt Einstein den Selbstbetrug auf den Punkt, wie Heisenberg berichtet:

Man muß es dem sehr jungen und enthusiastischen Heisenberg zumindest zugestehen, daß er um ein ehrliches Verständnis bemüht war, allerdings wohl zu sehr Mathematiker war, um dieses Paradox in seiner ganzen Größe begreifen zu können. Erst in seinen späteren Jahren wurde ihm klar, daß die Wahrheit wohl noch ein anderes Gesicht hätte.

Zweiter Weltkrieg: Ende der Wissenschaft?

Trotz harter privater Schicksalsschläge (Planck verlor innerhalb weniger Jahre seinen jüngeren Sohn im Ersten Weltkrieg, seine beiden Zwillingstöchter nach der Entbindung ihrer ersten Kinder) verließ ihn nie sein Verantwortungsgefühl für andere, vor allem für die nächste Generation und damit für die Zukunft der Wissenschaft. Man kann ohne weiteres behaupten, daß ohne ihn die großen Durchbrüche auf dem Gebiet der Kernforschung durch seine Studenten Otto Hahn, Lise Meitner und Straßmann nicht gelungen wären.

Der gerade 60jährige Planck stand nach Ende des Ersten Weltkrieges an der Spitze der Preußischen Akademie der Wissenschaften und bemühte sich nach Kräften um den Wiederaufbau der wissenschaftlichen Institutionen. Er organisierte zusammen mit dem preußischen Kultusminister Friedrich Schmidt-Ott, den Akademiemitgliedern Haber und von Harnack die Einrichtung der „Notgemeinschaft der deutschen Wissenschaft“, in der sich Wissenschaftler über alle regionalen, fachlichen und politischen Grenzen hinweg zusammenschließen sollten, um die dringlichen finanziellen Mittel zu beschaffen. Nach seiner Emeritierung 1926 wirkte Planck unermüdlich weiter durch eine sehr rege Vortragstätigkeit, als Schriftleiter der Annalen der Physik und bei der Gründung des Deutschen Museums in München.

Doch die weiteren Jahre bewirkten, daß der Garten der Wissenschaft immer mehr verdorrte: Die Wirtschaftskrise ließ die Einnahmen der Notgemeinschaft immer weiter sinken, gleichzeitig machten sich Extremismus und Antisemitismus in akademischen Führungsschichten breit. So wurden Stellen nur noch mit Ariern besetzt, auch wenn jüdische Bewerber bessere Qualifikationen hatten. Ähnlich wie beim heutigen „grünen“ Zeitgeist schufen Hitler und seine Anhänger in der Öffentlichkeit eine zunehmend feindliche Haltung vor allem gegenüber der Naturwissenschaft und der wissenschaftsbezogenen Technik, und beide wurden für Überproduktion und Massenarbeitslosigkeit verantwortlich gemacht.

Nach der Machtergreifung der NSDAP 1933 wurde die Lage für viele Forscher gefährlich, führende Persönlichkeiten, wie Einstein und Schrödinger, mußten das Land verlassen. Gegen Einstein wurden aufhetzende Flugblätter verteilt. Wegen der ständigen Attacken gegen die angeblich „jüdische Quantenphysik“ oder die „jüdische Relativitätstheorie“ wurde das Klima unerträglich, die wissenschaftliche Landschaft entwickelte sich in eine Wüste.

Auch Planck war nahe daran, seine Ämter niederzulegen, und Heisenberg trug sich mit dem Gedanken der Auswanderung, doch dann entschieden sie sich angesichts der düsteren Zukunftsaussichten nach dem Motto „In Deutschland bleiben, weiterarbeiten und retten“ dazu, weiterzukämpfen. Planck gehörte mit seinem Sohn Erwin zur sogenannten „Mittwochs-Gesellschaft“, die nach dem Attentat gegen Hitler am 20. Juli 1944 aufgelöst wurde. Viele Mitglieder der Mittwochs-Gesellschaft wurden der Mittäterschaft für schuldig erklärt und noch am 23. Februar 1945 hingerichtet, darunter auch Plancks Sohn Ernst und dessen Jugendfreund Ernst von Harnack.

Für den 87jährigen Max Planck bedeutete die Todesnachricht beinahe selbst das Ende, doch er setzte seine Vortragstätigkeit beharrlich fort, vor allem, um „den Wünschen der nach Wahrheit und Erkenntnis ringenden Menschen, vor allem der Jugend, entgegenzukommen“. Sein Lebensmotto war ein bedeutender Satz seines verehrten Gottfried Wilhelm Leibniz: „Sieh zu, was du tust; sag an, warum du es tust; denn die Zeit fließt dahin.“ Am 4. Oktober 1947 starb er nach mehreren Schlaganfällen im Alter von 89 Jahren. Sein Vermächtnis allerdings ist sehr lebendig und ruft Wissenschaftler auf, sich nicht an der Wahrheit vorbeizumogeln, nur weil die Theorie so schön einfach ist und die „Vernunft zu faul geworden ist“, wie Leibniz es ausdrückte.

Lesen Sie hierzu bitte auch:
Was ist Wärme? - 1. Teil
- Neue Solidarität Nr. 17/2006
Was ist Wärme? - 2. Teil
- Neue Solidarität Nr. 18/2006
Meine frühe Begegnung mit Leibniz: Über die Monadologie - Zweiter Teil
- Neue Solidarität Nr. 15/2008
Meine frühe Begegnung mit Leibniz: Über die Monadologie - Erster Teil
- Neue Solidarität Nr. 14/2008

 

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