De Broglie wird ihm ein Leben lang dankbar sein. Denn Einsteins Worte haben Gewicht, als sie in den „Sitzungsberichten“ der Akademie abgedruckt werden. Im Laufe des Jahres erreichen sie die kreativen Köpfe der gesamten Zunft. Erste experimentelle Hinweise auf Elektronenwellen finden Physiker im Handumdrehen in den Aufzeichnungen zurückliegender Laborversuche.
Formulierung der Quantentheorie
Sollten Elektronen tatsächlich Wellencharakter haben, dann hätte dies erhebliche Folgen für das Verständnis inneratomarer Prozesse. Dann könnte man Bohrs Atommodell beiseitestellen und die seltsamen Quantenregeln im Mikrokosmos auf völlig neue Weise erklären. Die vermeintlichen Umlaufbahnen teilchenartiger Elektronen um den Atomkern wären dann womöglich durch stehende Elektronenwellen zu ersetzen.
In Zürich greift der theoretisch geschulte Erwin Schrödinger diesen Gedanken beherzt auf. Bei Einstein bedankt er sich brieflich dafür, ihn durch seinen Akademiebeitrag mit der Nase auf die Elektronenwellen gestoßen zu haben. Binnen weniger Monate arbeitet Schrödinger eine Wellenmechanik aus. Am Ende seines Wegs steht die für die nächsten 100 Jahre maßgebliche mathematische Formulierung der Quantentheorie: die „Schrödinger-Gleichung“.
Neues Fenster zur Mikrowelt
Werner Heisenberg und Wolfgang Pauli, Max Born und Pascual Jordan kommen ihm jedoch zuvor. Auf ganz andere Weise bahnen sie den Weg zu einer neuen Atomtheorie: indem sie sich darauf konzentrieren, was das von den Atomen ausgesandte oder aufgenommene Licht über die physikalischen Abläufe im Mikrokosmos verrät.
Atome ändern ihren Energiezustand unter der Abgabe oder Absorption von Licht. Ob Wasserstoff-, Helium- oder Stickstoffatome – sie alle sind empfänglich für Licht ganz bestimmter Frequenzen. Jedes chemische Element hat seinen eigenen Strichcode und gibt sich dadurch zu erkennen. Die Spektrallinien der Atome, sichtbar nur beim Blick durch geeignete optische Apparaturen, waren bereits der experimentelle Schlüssel zu Niels Bohrs Atommodell.
Mitte der 1920er-Jahre beinhaltet das Beobachtungsmaterial neben den Frequenzen immer häufiger auch die jeweiligen Intensitäten des ausgesandten oder aufgenommenen Lichts. Diese Intensitäten lassen sich ermitteln, wenn man die entsprechenden Schwärzungen einer Fotoplatte unter die Lupe nimmt. Dann verwandeln sich einzelne Spektrallinien in profilierte Schwärzungskurven. Mit ihnen öffnet sich auch Theoretikern ein weiteres Fenster zur Mikrowelt.
Heisenbergs neue alte Multiplikationsregel
Im Frühjahr 1925 fassen Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli und Ralph Kronig den Plan, allein auf der Basis der beobachtbaren Frequenzen und Intensitäten ein Bild von den Vorgängen im Atom zu gewinnen. Das Zusammentreffen der drei jungen Physiker in Kopenhagen setzt eine Denkbewegung in Gang, die sich in einem intensiven Briefwechsel fortsetzt. Vor allem Heisenberg lässt nicht mehr locker und spielt sein mathematisches Können aus.
Am 5. Juni berichtet er Kronig von Göttingen aus von einer „sehr sonderbaren“ Multiplikationsregel, die er auf seinem Weg gefunden hat. Mit ihr hält er bereits kurz vor einem zehntägigen Erholungsurlaub auf der Insel Helgoland einen mathematischen Türöffner zum Atominneren in den Händen. Dennoch kommt er von dort voller Zweifel nach Göttingen zurück. Von einem Heureka-Moment keine Spur. In den Briefen kehrt sein Optimismus erst Ende Juni zurück. Zwar kann er nicht das Atom selbst, aber zumindest einfache Modellsysteme mit seinem neuen mathematischen Verfahren zugänglich machen.
Heisenbergs Arbeit sehe sehr mystisch aus, schreibt sein Göttinger Professor Max Born im Juli an Einstein. Sie sei aber sicher richtig und tief. Born hat den dahinterliegenden Formalismus durchschaut: Heisenbergs Multiplikationsregel sei nichts anderes als das den Mathematikern bekannte Gesetz der Multiplikation von Matrizen.
Von der Kunst in die Physik
Nachdem Heisenberg die in den Spektrallinien enthaltenen Informationen geschickt zergliedert hat, fasst Born sie wieder zusammen. Gemeinsam mit seinem Assistenten Pascual Jordan bündelt er sie in Matrizen, in einem Raster aus Zeilen und Spalten. Ähnlich wie in Segals Bild „Helgoland“ werden in einer solchen Matrix verschiedene Ansichten zusammenprojiziert: nun aber physikalische Ansichten des Atoms im Sinne von Frequenzen und Intensitäten.
Segals Kunstwerk durchkreuzt alte Sehgewohnheiten. Die einheitliche Sicht auf das Geschehen löst sich in viele Perspektiven auf. Die Wissenschaft vom Allerkleinsten folgt den bildenden Künsten auf dem Fuß. Nachdem sich die Vorstellung von Elektronenbahnen im Atom als Illusion erwiesen hat, sehen sich Heisenberg, Born und Jordan dazu gezwungen, die für das Verständnis der Atome wesentlichen Größen neu zu ordnen.
Neue Quantentheorie der Atome
Es bleibt Wolfgang Pauli vorbehalten, den komplizierten mathematischen Formalismus, der ihm anfangs gar nicht gefällt, erstmals auf ein Atom mit nur einem Elektron anzuwenden. Im Herbst 1925 ermittelt Pauli auf Basis der Matrizenmechanik die Energiestufen des Wasserstoffatoms.
„Er ist schon ein phänomenaler Kerl“, staunt Schrödinger. Denn wenige Monate später gelingt Pauli außerdem der Nachweis, dass die Wellenmechanik trotz ihrer höchst unterschiedlichen Form der Matrizenmechanik gleichwertig ist. Die eine Theorie bestätigt die andere. Plötzlich fließt alles zusammen, gehen die Bemühungen eines der aufregendsten Jahre der Wissenschaftsgeschichte auf in einem großen Ganzen: einer neuen Quantentheorie der Atome.
