QED: Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie (German Edition)

1. Einleitung
     
    Alix Mautner interessierte sich sehr für Physik und bat mich oft, ihr dies oder das zu erklären. Ich fand mich gern dazu bereit, so wie ich es mit Studenten von der Technischen Hochschule Kalifornien halte, die allwöchentlich donnerstags eine Stunde zu mir kommen. Zum Schluß aber mußte ich mich regelmäßig just bei dem für mich spannendsten Teil geschlagen geben: Unfehlbar nämlich steuerten wir auf die verrückten Ideen der Quantenmechanik zu. Die aber konnte ich ihr nicht in einer Stunde oder an einem Abend auseinanderklamüsern. Das hätte viel mehr Zeit erfordert, und so versprach ich ihr, einmal eine Vorlesungsreihe über dieses Thema vorzubereiten.
    Nachdem ich die Vorlesungen zusammengeschrieben hatte, ging ich nach Neuseeland, um zu sehen, wie sie ankommen. Neuseeland ist so weit vom Schuß, daß man notfalls auch einmal eine Pleite verkraften kann! Da die Leute dort sie in Ordnung fanden, halte auch ich sie für in Ordnung – zumindest für Neuseeland! So liegen die Vorlesungen vor, die ich eigentlich für Alix vorbereitet habe, ihr selbst aber nun leider nicht mehr halten kann.
    Ich ziehe es vor, mich über ein bekanntes Gebiet der Physik auszulassen, statt über ein unbekanntes. In der Regel nämlich fragen die Leute einen nach dem letzten Stand der Vereinigung dieser mit jener Theorie, und man bekommt keine Chance, etwas über die Theorien zu erzählen, die wir schon recht gut kennen. Immer wollen sie etwas wissen, was wir Physiker selber noch nicht wissen. Anstatt Sie mit einer Menge halbgarer, erst teilweise analysierter Theorien zu verwirren, möchte ich Ihnen lieber etwas über ein Thema erzählen, das außerordentlich gründlich analysiert worden ist, die Quantenelektrodynamik oder kurz QED; wie ich meine, ein höchst aufregender Bereich der Physik, der mir sehr am Herzen liegt.
    Mein Hauptanliegen in diesen Vorlesungen ist, die seltsame Theorie des Lichts und der Materie oder richtiger, die Wechselwirkung zwischen Licht und Elektronen, so genau wie irgend möglich zu beschreiben. Die Erklärung all dessen, was mir vorschwebt, wird eine Menge Zeit erfordern. Da uns dafür vier Vorlesungen zur Verfügung stehen, können wir uns getrost an die Arbeit machen.
    In der Geschichte der Physik ist eine Vielzahl von Erscheinungen zu einigen wenigen Theorien geronnen. Zum Beispiel unterschied man in der Frühzeit der Physik zwischen Erscheinungen der Bewegung und Erscheinungen der Wärme, zwischen Erscheinungen der Akustik, der Optik und der Gravitation. Nachdem Sir Isaac Newton die Gesetze der Bewegung erklärt hatte, entdeckte man aber bald, daß einige dieser scheinbar verschiedenen Dinge Aspekte ein und derselben Sache waren. Beispielsweise ließen sich die akustischen Erscheinungen vollständig mit der Bewegung von Atomen in der Luft erklären. Damit entfiel die Akustik als eigenständiges Gebiet. Nicht anders erging es der Wärmelehre, als man die Erscheinungen der Wärme durch die Gesetze der Bewegung zu begreifen lernte. So wurden große Bereiche der physikalischen Theorie zu einer vereinfachten Theorie zusammengefaßt. Die Gravitationslehre dagegen widersetzte sich einer Deutung durch die Gesetze der Bewegung und hat sich bis zum heutigen Tag ihre Eigenständigkeit, das heißt ihre Unabhängigkeit von den anderen Theorien, bewahrt. Bis jetzt jedenfalls läßt sich die Schwerkraft nicht mit Hilfe anderer Erscheinungen erklären.
    Nach der Synthese der Erscheinungen der Mechanik, der Akustik und der Wärmelehre entdeckte man eine Reihe von Phänomenen, die wir als elektrisch und magnetisch bezeichnen. 1873 faßte James Clerk Maxwell diese Phänomene mit den Phänomenen des Lichts und der Optik zu einer einzigen Theorie zusammen, derzufolge Licht als elektromagnetische Welle aufzufassen ist. In diesem Stadium gab es also die Gesetze der Bewegung, die Gesetze der Elektrizität und des Magnetismus sowie die Gesetze der Schwerkraft.
    Um 1900 wurde dann eine Theorie der Materie aufgestellt, die sogenannte Elektronentheorie der Materie; sie besagt, daß sich in den Atomen kleine geladene Teilchen befinden. Nach und nach wurde diese Theorie dahingehend ausgebaut, daß man zwischen einem schweren Kern und den ihn umkreisenden Elektronen unterschied.
    Versuche, die Bewegung der um den Kern kreisenden Elektronen mit Hilfe der Gesetze der Mechanik zu verstehen – ähnlich wie sich Newton die Gesetze der Bewegung zunutze machte, um die Bahn der Erde um die Sonne zu begreifen –,