DIE NATURWISSENSCHAFTEN
1 7 - J a h rga n g ___________ 15. Februar 1929__________________ H eft 7
Uber den Sinn der physikalischen Theorien1.
V o n M . B o r n , G ö ttin g e n . W e r die E n tw ic k lu n g d er e x a k te n N a tu rw isse n
s c h a fte n v o n a u ß en b e tra c h te t, dem m üssen sich zw e i w id ersp rech en d e E in d rü c k e a u fd rä n g e n . E in m al b ie te t d as G an ze d er N a tu rfo rsc h u n g ein B ild s te tig e n , gesu n d en W a ch stu m s, d e u tlich en F o rt- sch reiten s u n d A u fb au en s, s ic h tb a r ebenso in d er in n eren V e rtie fu n g , w ie in d er äu ß eren A n w e n d u n g a u f die tech n isch e B e h errsch u n g d er N a tu r. D a n n a b e r w ied e r b e o b a c h te t m an in n ic h t zu selten er F o lg e d as A u ftr e te n vo n E rs c h ü tte ru n g e n d er P h y sik a lisch e n G ru n d v o rstellu n g e n , w a h re R e v o lu tio n en d er B e g riffs w e lt, d u rch die alle frü h ere E r k e n n tn is a b g e ta n u n d eine n eu e E p o ch e d er F o r sc h u n g e rö ffn e t zu w erd en sch ein t. D e r sch ro ffe W e ch se l d er T h e o rien s te h t in m e rk w ü rd ig e m G e g e n sa tz zu m k o n tin u ie rlich en F lie ß e n und W a c h sen des B e re ic h es d er gesich erten E rg eb n isse. U m ein p a a r B eisp iele v o n th e o retisch e n U m w ä lzu n g en h e ra u szu g reifen : m an d en k e an den ä lte ste n , e h r
w ü rd ig ste n Z w e ig d er p h y sik a lisc h e n F o rsch u n g , d ie A stronom ie, u n d an d ie V o rs te llu n g v o n d er S te rn e n w e lt, d ie w ir ü b er J a h rta u se n d e v e rfo lg e n kö n n en . Z u e rs t r u h t die E rd e, eine flach e S ch eib e im Z e n tru m d er W e lt, u n d u m sie b ew egen sich die G e s tirn e in geo rd n etem T a n z . D a n n ko m m t, e tw a g le ic h z e itig m it d er E rk e n n tn is v o n d er K u g e l
g e s t a lt u n d G rö ß e d er E rd e, d as KoPER N iKAN ische W e ltsy s te m , d as die Son ne in den M itte lp u n k t s e tz t u n d d er E rd e ein e d ien en d e R o lle u n te r v ie le n a n d e re n T r a b a n te n d es Z e n tra lg e stirn s an w eist.
D e n B e g in n d er N e u ze it in d er N a tu rfo rs c h u n g m a rk ie rt N
e w t o n sT h e o rie d er S c h w e rk ra ft, d ie d as P la n e te n s y s te m zu sam m en h ä lt, und diese L e h r e g ilt u n b e s tritte n e tw a z w e ih u n d ert Jah re.
In un seren T a g e n a b e r w ird sie d u rch E
i n s t e i n sre la tiv is tis c h e G ra v ita tio n s th e o rie ü b er den H a u fen g ew o rfen , die w ed er v o m h e lio zen trisch en P la n e te n s y ste m , n och vo n d er in die F ern e w irken d en S ch w e r
k r a f t b e g rifflich e tw a s ü b rig lä ß t.
G a n z ä h n lich is t es in d er O ptik m it ih rem W e c h se l in d er V o rste llu n g v o m W esen des L ic h ts, d a s e n tw ed e r n ach N
e w t o na ls S tro m v o n kleinen T eilch en , o d er n ach H
u y g e n sals W e llen zu g im L ic h tä th e r v o r g e s te llt w ird . A m B eg in n des n eu n zeh n ten J ah rh u n d e rts gesch ah der sch ro ffe U m sc h la g v o n d er C o rp u sc u larth eo rie zu r W e llen th e o rie , u n d m it u n serem eigen en J a h rh u n d e rt s e t z te w ied eru m ein e n eu e W e n d u n g ein, vo n der ic h n och zu sp rech en h a b en w erd e. In der L eh re v o n d er Elektrizität und d em M agnetism us lieg t in d e r M itte des v o rig e n J ah rh u n d e rts eine re v o lu tio -
1 Rede, gehalten in der öffentlichen Sitzung der Gesellschaft der W issenschaften zu Göttingen, am 10. Novem ber 1928 ^aus ,.Nachrichten der Gesellschaft d er Wissenschaften zu G öttingen“ ).
n äre P erio d e, in d er d ie V o rs te llu n g v o n F e rn w ir
k u n g en d em G ed a n k en d er ko n tin u ie rlich en K r a f t ü b e rtra g u n g d u rch den Ä th e r w eich en m u ß te . D a s tie fe P ro b le m n ach d er Stru ktur der M a terie selb st, d as d ie C h em ie als g e w a ltig e r Z w e ig des p h y sik a lisc h e n B a u m s in b eson dere O b h u t g e n om m en h a t, ze ig te n och bis v o r w en igen J a h r
z eh n ten d en u ra lte n G eg en sa tz v o n A to m is tik u n d K o n tin u u m sv o rs te llu n g , d er h e u te zu g u n sten d er ersten en tsch ied en sch e in t; d o ch sind gerad e d iese F ra g e n m it ein er d er ra d ik a ls te n B e g riffs re v o lu tio n e n v e rb u n d e n , d ie sich u n te r d em N am en d er Quantentheorie h e u te v o r u n sern A u g e n v o llz ie h t.
Im K le in e n g e sch ie h t d as W a ch se n , G elten u n d F a lle n v o n T h e o rien ta g tä g lic h , und w as h e u te w e r tv o lle E rk e n n tn is ist, is t m orgen schon P lu n d er, k a u m ein es h isto risch e n R ü c k b lic k e s w ert. D a lie g t n u n die F ra g e n a h e: W elchen Wert haben dann überhaupt die T heorien? S in d sie n ic h t v ie lle ic h t b lo ß ein N e b e n p ro d u k t d er F o rsch u n g , eine A r t m e ta p h y sisc h e r S ch m u ck , als sch illern d er M a n tel ü b e r die allein b e d eu tu n g sv o llen „ T a ts a c h e n “ g e h ä n g t, b e ste n fa lls S tü tz e und H ilfe b ei d er A rb e it, R e iz m itte l fü r d ie P h a n ta s ie b eim E rsin n e n n eu er V ersu ch sb e d in g u n g e n ?
D a ß d ie se F ra g e ü b e rh a u p t g e s te llt w erd en kan n , z e ig t, d a ß der S in n der physikalischen Theorien kein esw egs a u f d er H a n d lieg t, und d a ru m h a b e ich diesen G eg en sta n d als T h e m a des h e u tig e n V o rtr a g e s g e w ä h lt. Sin d d och je t z t, d a w ied e r ein m a l eine sch w ere K risis d er p h y sik a lisch en G ru n d b e g riffe g e ra d e ü b erw u n d en ist, s e lb st m an ch e P h y s ik e r n ic h t vo llk o m m en k la r d arü b er, w a s m an v o n d er n eu esten W e n d u n g d er T h e o rie e ig e n tlic h zu h a lte n h a t.
D iese fü r unsere Z e it ch a ra k te ris tisc h e n T h e o rien, die R elativitätstheorie u n d die Quantentheorie, eignen sich a u c h a m b e ste n fü r un sern Z w e c k , w eil w ir selb st v ie le ih rer A u ssag en g e fü h lsm ä ß ig als m e rk w ü rd ig , p a r a d o x o d er g a r als sinn los em p fin den. B e i den ä lte re n T h e o rien m u ß es den Z e it
genossen ä h n lich e rg a n g en sein ; a b er w ir kön nen uns diesen G e isteszu sta n d n u r d u rch h isto risch e V e r tie fu n g k ü n s tlic h k o n stru ie re n . D a ich w en ig h isto risch e S tu d ie n g e trie b en h ab e, w ill ich m ich m it ein em k u rzen R ü c k b lic k a u f die ä lte re n K r ise n z eiten b egn ü gen .
Jede th e o retisc h e V o rs te llu n g g e h t v o m A u g en schein u n d sein er n ah elieg en d sten D e u tu n g aus.
D e r A n b lic k d er festen , u n ersch ü tterlich e n E rd e, d ie uns tr ä g t, u n d d es b e w e g ten H im m els, fü h r t n a tü rlich e rw eise zu m geo zen trisch en W e ltsy s te m . D ie E ig e n s c h a ft d e sL ich ts, sch a rf b e g re n zte S ch a tte n zu w erfen , is t am ein fac h ste n d u rch die C orpu s- c u la rh y p o th e se zu v e rste h en , die w ir in p o etisch er F o rm sch o n b e i T
i t u sL
u c r e t i u sC
a r u sfin d en .
Nw. i 929 9
1 IO
B
o r n: Ü ber den Sinn der physikalischen Theorien. [ Die N atur
wissenschaften
V o n d e r M e ch a n ik , die s p ä te r d as V o rb ild a ller p h y s ik a lis c h e n T h e o rien w u rd e, k a n n te die A n tik e e ig e n tlic h n u r d ie S ta tik , d ie L e h re v o m G le ic h g e w ic h t. D e r G ru n d is t n a tü r lic h der, d a ß die an H eb eln u n d an d eren M a sch in en teilen a n g reifen d en K r ä ft e a u c h d u rch d ie K r a f t d es m en sch lich en (oder tierisch en ) K ö rp e rs e rs e tz t w erd en kö n n en un d d a m it zu d em B e re ic h des u n m itte lb a r sin n lic h E rfa h r b a r e n geh ören .
W a s b e d e u te t es n un, w en n d iese p rim itiv e n V o rste llu n g e n , d as g e o ze n trisc h e W e ltsy s te m , die C o rp u sc u la rh y p o th e se b e im L ic h t, d ie sta tisc h e K r a f t d e r M e ch a n ik d u rc h n eu e e rs e tz t w erd en ? D a s E n tsc h e id e n d e is t w o h l d as B ed ü r fn is des M enschen , an ein e reale, v o n ih m unabhängige, be
harrliche A u ßenw elt zu g la u b e n , und seine F ä hig keit, zu g u n sten dieses G la u b en s seinen W a h rn e h m u n g en zu m iß tra u e n . E in G eg en sta n d sieh t in g ro ß er E n tfe rn u n g k le in e r au s als in d er N äh e, a b e r d er M en sch sie h t im m e r d en „ G e g e n s ta n d “ , s te llt ihn s te ts als g le ich g ro ß v o r u n d v e r t r a u t m it a b so lu te r S ich erh eit, d a ß e r h in geh en u n d sich d u rc h A n fassen o d er A b ta s te n d a v o n ü b e rzeu ge n k ö n n e.
D ie G eg en stä n d e, m it denen d er p rim itiv e M en sch zu tu n h a t, S tein e, B ä u m e, B e rg e , H ä u ser, T iere, M ensch en , h a b e n die E ig e n s c h a ft, d ieser P r ü fu n g s ta n d z u h a lte n . D a s is t d er U rsp ru n g d er Geo
m etrie, d ie in ih ren A n fä n g en d u rch a u s ein e L e h re v o n den g e ge n se itig en L a g e - u n d G rö ß e n v e r h ä lt
nissen s ta r re r K ö rp e r w ar. In d iesem S in n e is t G eo m e trie d e r älteste Zw eig der P h y s ik ; an ih r w u rd e z u e rst e rk a n n t, d a ß die D in g e d er A u ß e n w e lt in ih ren rä u m lich en E ig e n s c h a fte n strengen Ge
setzen fo lg en . S p ä te r h a t d a n n die F re u d e an d er S c h ö n h e it d ieser G ese tze b e w irk t, d a ß die em p irisch e W u rz e l d e r geo m etrisc h en W is s e n s c h a ft w en ig b e a c h te t o d e r g a r g e le u g n e t u n d d as S tu d iu m ih res lo gisch en G erü sts als T e il d e r M a th e m a tik S e lb s t
z w e c k w u rd e. A b e r d er G e o d ä t u n d d er A stro n o m h a b en d ie L eh ren d er G eo m e trie ste ts als A u ssag en ü b e r die rea len D in g e d er W e lt a n geseh en u n d nie g e zw e ife lt, d a ß a u ch solch e K ö rp e r, d ie uns w egen ih re r E n tfe rn u n g n ic h t d ir e k t zu g ä n g lic h sind, d en selb en G ese tzen fo lgen . D ie A nw endung d er g e o m etrisc h en R e g e ln a u f die Sterne z e ig te , d a ß sie seh r w e it e n tfe r n t und seh r g ro ß sein m ü ß te n , d a ß ih re B e w e g u n g e n a m N a c h th im m e l n u r die P r o je k tio n d er w a h ren rä u m lich en B a h n e n seien, u n d sc h lie ß lic h fü h r te d ie A n a ly s e d ieser B a h n en b e i v e rfe in e rte r B e o b a c h tu n g sk u n st m it N o t
w e n d ig k e it zu m K o p e rn ik a n isc h e n S y ste m . S ein S ie g is t d e r B e w e is d a fü r, d a ß d er G la u b e an b e w ä h r te G ese tze s tä r k e r ist, als d er u n m itte lb a re S in n e sein d ru ck . D a b e i h a t n a tü r lic h die neue T h e o rie zu e rk lä re n , w a ru m gerad e d ieser S in n es
e in d ru c k z u sta n d e k o m m t, a u f d em d ie b ish er g e lten d e, nun als fa lsc h e rk a n n te L e h re b e ru h te . Im F a lle d es K
o p e r n i k u sg e n ü g t h ie rfü r d er H in w eis a u f d ie G rö ß e d er E rd k u g e l im V e r h ä ltn is zu m M enschen . D ie ses astro n o m isch e B e isp ie l is t typisch fü r alle fo lg en d en F ä lle . In d er S tern en - w e lt h a b en w ir d as e rste M al eine W ir k lic h k e it,
die n u r einem Sinne, d em A u g e , als o ft u n sch ein b a re r E in d ru c k z u g ä n g lich , d em L eb e n und K ä m p fe n d er M ensch en w e it e n tr ü c k t u n d d o ch zw e ife llo s eben so re a l ist, w ie d er S tu h l, a u f d em ic h sitze, o d er d as B l a t t P a p ie r, au s d em ich lese. D iese objektive R ealität d er D in g e , die ich m eine, b e ru h t im m er u n d ü b e ra ll a u f d em selb en P r in z ip : dem S ich fü g en u n te r die a llg em ein e g e o m e trisc h -p h y s i
k a lisch e G e s e tz lic h k e it. A u c h den S tu h l h a lte ich n u r d esw egen fü r w irk lic h , w eil e r d ie je n ig en k o n sta n te n E ig e n s c h a fte n z eig t, die festen K ö rp e rn sein er A r t zu k o m m e n ; die h ierzu n ö tig e G eo m e trie u n d M e ch a n ik is t je d e m M enschen als u n b e w u ß te E rfa h r u n g ge läu fig . A n d e rs sind a u ch die G rü n d e n ich t, d ie m an d a fü r h a t, d as L ic h tp ü n k tc h e n , d as w ir M ars nen nen , fü r eine riesige K u g e l ä h n lich d er E rd e zu h a lte n ; n u r m u ß m an h ie r g e n au e r b e o b a ch te n u n d G eo m e trie u n d M e ch a n ik b e w u ß t a n w en d en . D e r R e a litä ts g la u b e d es n a iv e n , u n w isse n sch a ftlich en M ensch en is t im G ru n d e d e r
selb e w ie d er des N a tu rfo rs c h e rs . D ie P h ilo so p h en ko n zed ieren u n s d iesen S ta n d p u n k t als p ra k tisc h u n e n tb e h rlic h u n te r d em N a m en em pirischer R e a lis m u s ; er h a t als h a u sb a c k e n e r G eselle g e g e n ü b er den v e rsch ied e n e n id e a listisc h en R ic h tu n g e n ein en sch w eren S ta n d . WTir w ollen uns h ie r a b er n ic h t m it d em S tr e it p h ilo so p h isch er S ch u len a u s
e in a n d e rse tze n , so n d ern n u r m ö g lic h st k la r sagen, w elch e r A r t die W ir k lic h k e it ist, die den G eg en sta n d d er N a tu rfo rs c h u n g b ild e t. E s is t nicht die W ir k lic h k e it d er S in n esw a h rn eh m u n gen , d e r E m p fin d u n g en , G efü h le, Id een , k u rz die s u b je k tiv e u n d d a ru m a b so lu te R e a litä t des E rle b en s. S o n d ern es is t die W ir k lic h k e it d er D in g e , d er O b je k te , die den W a h rn e h m u n g en als S u b s tra t u n te rle g t w erd en . A ls K r ite r iu m d ieser R e a lit ä t erken n en w ir n iem als ein en S in n esein d ru ck , ein v e re in ze lte s E rle b n is an, son d ern n u r d as E in fü g e n in die a llg em ein e G e s e tz m ä ß ig k e it, d ie w ir in den E rsch ein u n g e n e n td e ck e n . W a s h ier a m B e isp ie l d er A stro n o m ie d a rg e le g t ist, w ie d e rh o lt sich nun im m er w ied e r in d er E n t w ic k lu n g d er P h y s ik . W ir h a b en im G ru n d e b e re its d en Sin n a lle r T h e o rien e r fa ß t u n d w ollen n u n belegen, d a ß alle R e v o lu tio n e n in d e r P h y s ik , die v o rg e k o m m e n sind , S tu fe n sind a u f d em W e g e z u r K o n s tr u k tio n ein er o b je k tiv e n W e lt, die den M a k ro k o sm o s d er G estirn e, den M ikro k o sm o s der A to m e m it d em K o sm o s d er a lltä g lic h e n D in g e zu ein er w id ersp ru ch slo sen E in h e it v e rb in d e t.
B e tr a c h te n w ir z u e r s t die M ech a n ik . Ih re n a iv e P e rio d e k o n n te , w ie w ir schon b e m e rk t h a b en , ü b e r d ie G leich g ew ich tsleh re n ic h t h e ra u s
ko m m en . D ie w isse n sc h a ftlic h e Bewegungslehre o d er D y n a m ik is t sch o n ein K u n stp rod u kt d er F o r sch u n g . D ie G ese tze, d ie G
a l i l e iund N
e w t o nau s ih ren B e o b a c h tu n g e n a b le ite te n , lassen sioh
n ic h t oh n e B e g riffe a u ssprech en , die dem N a tu r
z u s ta n d e des D e n k e n s fern liegen . A lle rd in g s sind
W o r te , w i e M a sse od er K ra ft, seit je h e r in G e b r a u c h ;
M asse b e d e u te te irg en d w ie die M enge ein es S to ffe s,
K r a f t die G rö ß e ein er A n stre n g u n g . A b e r in d e r
M e ch a n ik b ek o m m en diese W o r te ein en g a n z
Heft 7. 1
1 5 . 2 . 1 9 2 9 J
B
o r n: Ü ber den Sinn der physikalischen Theorien.
I I Ip räzisen S in n ; es sind Kunstw orte, v ie lle ic h t die e rsten , die g e p rä g t w u rd en , d eren K la n g z w a r m it W o rte n d er g ew ö h n lich en S p ra ch e ü b e re in stim m t, d eren B e d e u tu n g a b er n u r au s ein er b e sonders a u fg e ste llte n D e fin itio n h e rv o rg e h t. A u f diese g a r n ic h t e in fach e D e fin itio n w ill ich h ier n ic h t ein geh en , sond ern n u r erw äh n en , d a ß d a rin ein B e g r iff v o rk o m m t, d er in d er v o rw is s e n s c h a ft
lichen Z e it k ein e R o lle g e sp ie lt h a t u n d ü b e rh a u p t n u r m it m a th em a tisch e n H ilfsm itte ln (D iffe re n tia l
q u o tien ten ) gen au e r k lä r t w erd en k a n n , n äm lich d er B e g r iff d er B esc h leu n igu n g . W en n nun M asse m it H ilfe dieses B e g riffe s (als „ W id e r s ta n d gegen B e sc h le u n ig u n g “ ) d e fin iert w ird , so e rk e n n t m an d e u tlich b e re its die G ru n d la g e n d er M e ch a n ik als K u n s tp r o d u k t des G eistes. D ie E rfa h r u n g an ird isch en K ö rp e rn , die in d er Z e it zw isch en G
a l i l e iund N
e w t o nzu r S tü tz e d er n eu en T h e o rie h e ra n gezo g en w erd en k o n n te, w a r ziem lich e n g b e g re n zt.
U n d d o ch w a r die in n ere L o g ik d er G A L iL E isch e n M ech an ik so s ta rk , d a ß N
e w t o nden groß en S c h ritt tu n k o n n te, sie a u f d ie B e w e g u n g e n d er G estirn e a n zu w en d en . D e r u n geh eu re E rfo lg dieses S c h ritte s b e ru h t w esen tlich a u f d er Id ee, d a ß die K ra ft, w elch e d ie H im m e lsk ö rp e r a u fein an d e r au sü b en , im G ru n d e n ich ts an d eres ist, als die Schwerkraft, die w ir vo n un serer E rd e h er ken n en . A b e r d ieser G ed a n k e fü h rte zu r A u fg a b e ein er b is d ah in a ll
gem ein a n e rk a n n te n V o rste llu n g , d a ß n äm lich K r ä ft e vo n einem K ö rp e r n u r a u f seine u n m itte lb a re N a c h b a rs c h a ft a u sg e ü b t w erd en . D ie S t a tik k a n n te n u r solch e N a h k r ä fte . D ie ird isch e S c h w e rk r a ft b ei G
a l i l e ie rsc h e in t z u n ä c h st als m a th e m a tisc h e r H ilfs b e g riff zu r F o rm u lie ru n g d er F a llg e s e tz e . A u c h N
e w t o ns e lb st h a t die F e r n w irk u n g v o n S te rn zu S tern , die er zu r E r k lä r u n g d er P la n e te n b e w e g u n g b ra u c h te , w o h l im m er als P ro v iso riu m an geseh en , die s p ä te r d u rch eine N a h w ir k u n g zu ersetzen sei. B e i N
e w t o n sN a ch fo lg e rn jed o c h w a r d er E in d ru c k d er p ra k tisc h e n E rfo lg e sein er G ra v ita tio n s th e o r ie so ü b e rw ä ltig e n d , d a ß m an die F e r n w irk u n g d er S ch w e re n ic h t n u r als gegeb en hin n ah m , sondern sie als V o rb ild fü r die W ir k u n g s w eise a n d erer K r ä fte , d er e le k trisch en u n d m a g n e tisch en , g e b ra u ch te . Ü b e r diese Fernw irkung d u rch den leeren R a u m sind in frü h eren Z e ite n w ild e K ä m p fe a u sg e fo ch te n w ord en . D ie einen n an n ten sie m on strös, dem Sin ne des n a tü rlic h e n K r a ftb e g riffe s w id ersp rech en d ; an d ere feierten sie als w u n d erb a res W e rk z e u g zu r E n tr ä ts e lu n g d e r G eh eim n isse d er S tern en w e lt. W e r h a t d a re c h t? W ir w erd en sa g en : d ie NEWTONSche S c h w e rk r a ft is t ein K u n s tb e g riff, d er m it d er a n sch a u lich en V o rs te llu n g , d em G efü h l v o n K r a f t n ic h t v ie l m eh r als den N am en gem ein h a t. Seine B e re c h tig u n g b e ru h t allein a u f seiner E in o rd n u n g in d as S y s te m d er o b je k tiv e n N a tu rb e sc h re ib u n g ; so lan g e er d a seine P flic h t e rfü llt, m a g er g e lten ; so b ald a b er n eu e E rfa h ru n g e n ih n w id erlegen , h a t er neuen B e g riffsb ild u n g e n P la tz zu m ach en , w o b ei v o n diesen zu v e rla n g e n ist, d a ß sie im G eb ie te der ä lte re n E rfa h ru n g e n m it d er F e rn w irk u n g sth e o rie
ü b erein stim m en . D ie ser U m sc h la g h a t e rst in un serer Z e it sta ttg e fu n d e n , u n d z w a r n a ch ein er la n g en E n tw ic k lu n g , d ie m it d em A u s b a u d er L e h re v o n d er E lektrizität u n d d em M agnetism u s en g zu sam m en h ä n g t.
W ie schon g e sag t, w u rd e n d ie ele k tr isc h e n u n d m a g n etisch en K r ä fte z u r Z e it ih rer e rsten s y s te m a tisch en E rfo rsch u n g , v o r e tw a 150 J ah ren , n a c h d em V o rb ild e d er S c h w e r k r a ft als F e r n w ir k u n g en g e d e u tet. D a s CouLOM Bsche G e s e tz d er A n z ie h u n g e le k trisc h e r L a d u n g en , d as B
i o t- SAVARTsche G ese tz d er W ir k u n g ein es S tro m e s a u f einen M a g n etp o l, sind in d er F o rm u n d A u f fa ssu n g d em NEW TONschen n a c h g e b ild e t. A b e r b e im m a th em a tisch e n A u s b a u d er T h e o rie gesch ah e tw a s M erk w ü rd ig e s: m an fa n d in d er sog. P o te n tia lth e o rie U m fo rm u n g e n dieser G esetze, d ie ih n en die G e s ta lt v o n N a h ew irk u n g e n , v o n K r ä fte n b e n a c h b a r te r R a u m stelle n a u fein an d er, g ab en . D o ch w u rd e diese m e rk w ü rd ig e Ä q u iv a le n z so h e te ro g en er V o rste llu n g e n w en ig b e a c h te t. E s m u ß ten n eue E n td e c k u n g e n g e m a ch t w erd en , u m die F ra g e
„ F e r n - o d er N a h w ir k u n g ? “ z u r p h y sik a lisch en E n ts c h e id u n g zu b rin gen . D e r F in d e r dieser neuen T a ts a c h e n w a r F
a r a d a yu n d ih r D e u te r M
a x w e l l. D ie M AXW ELLschen G leich u n g en sind eine N a h wirkungstheorie d er e le k tro m ag n e tisch en E rs c h e i
n u n gen , b e d eu te n also b e g rifflic h die R ü c k k e h r zu einer, d em n a tü rlich e n D e n k en n äh er steh en d en V o rstellu n g sw eise . D o c h g la u b e ich , d a ß d as ga n z u n w e sen tlich ist. WTie lie g t es denn ? S c h a lte t m an die FARADAY-M AXW ELLschen E n td e c k u n g e n , die M a g n etin d u k tio n u n d d en d ie lek trisch en V e r sch ieb u n gsstro m , aus, so e n th a lte n M
a x w e l l sG leich u n g en n ich ts and eres als die b e re its v o rh e r v o rh a n d e n e P o te n tia lth e o rie , jen e m a th e m a tisc h e U m fo rm u n g d er F ern w irk u n g s- in N a h w irk u n g s gesetze. D ie in d er M itte des v o rig e n J a h rh u n d e rts v o r sich geh en d e U m w a n d lu n g d er p h y sik a lisc h e n T h e o rien is t also, v o n d ie s e r W a r te geseh en , e ig e n t
lich keine R evolution, die B e ste h e n d e s ze rsc h lä g t, so n d ern ein e Eroberung neu en Gebietes, d ie ein e U m o rg a n isieru n g des a lte n L a n d e s n a ch sich zieh t.
M it d ieser E ro b e ru n g t r i t t n u n a b e r ein n eu er B e g r iff in d en V o rd e rg ru n d , d er d es Weltäthers.
D en n je d e N a h w ir k u n g b ra u c h t ein en T rä g e r, ein S u b s tra t, zw isch en dessen T eile n d ie K r ä ft e w irk e n , u n d d a d ie e le k trisch en u n d m a g n etisch e n K r ä fte a u c h d u rc h den leeren R a u m ü b e rtra g e n w erd en , w o k e in e g ew ö h n lich en K ö rp e r v o rh a n d e n sind, b lie b n ic h ts a n d eres ü b rig , als einen kü n stlich e n K ö rp e r an zu n eh m en . D a s a b er w a r u m so leich ter, als a u f ein em an d eren G eb ie te, d er O p tik , ein solch er Ä th e r b e re its gefu n d en w a r u n d d ie neue E le k t r i
z itä tsth e o rie so g leich im sta n d e w ar, diesen L ic h t ä th e r m it dem e le k tro m a g n e tisch en zu id e n tifi
zieren .
W ir ko m m en n u n d a zu , ein en B lic k a u f d ie L ehre vom L ich t zu w erfen . H ie r w ar, w ie w ir sch on e rw ä h n t h ab en , d ie S tre itfr a g e zw isch en C o rp u sc u lar- u n d WTellen th eo rie am A n fa n g des n eu n zeh n ten J ah rh u n d e rts zu g u n sten der le tz te re n
9 *
112
B
o r n: Ü b e r den S inn d er p h y sik a lisch e n T h eorien . r Die Natur- Lwissenschaften e n tsch ie d en w ord en . So ein sch n eid en d d iese E n t
s ch e id u n g a u c h w ar, sie b e d e u te te im selb en Sin ne w ie o b en m eh r ein e E ro b e ru n g v o n N e u la n d m it d a ra u ffo lg e n d e r V e rw a ltu n g sä n d e ru n g , a ls ein e w a h re R e v o lu tio n . D e n n so lan g e m an In te rfe re n z- u n d B eu gu n g se rsch ein u n gen n ic h t k a n n te , w aren d ie V o rstellu n g en vo n C o rp u sceln o d er seh r k u rzen W e lle n ta ts ä c h lic h g a n z gleichwertig, d er S tre it a lso u n en tsch e id b ar. D a ß d as g a n ze a c h tze h n te J a h rh u n d e rt an d er C o rp u sc u larth eo rie fe sth ie lt, h a t te e ig e n tlic h u n sach lich e M o tiv e . Z u e rst w a r es d ie A u to r itä t N
e w t o n s, d er in E rm a n g e lu n g b ü n d ig e r G eg en b ew eise die C o rp u sc u larth eo rie a ls die e in fac h ere V o rs te llu n g b e v o rz u g t h a tte . D a n n a b er fe h lte d er m a th e m a tisc h e B ew eis, d a ß sich a u c h m it k u rzen W e llen d a s Z u sta n d e k o m m e n v o n sch ein b a r sch a rfen S ch a tten g ren ze n ve rste h en lä ß t, ein B e w e is, d e r e rst v o n F
r e s n e le rb ra c h t w u rd e, als er die ta ts ä c h lic h e U n sch ä rfe d er S c h a tte n g re n ze , d ie B e u g u n g sersch ein u n g en , e rk lä re n w o llte . S o b a ld d iese e n td e c k t w aren , k o n n te kein Z w eifel m eh r sein, d a ß d ie W ellenvorstellung die richtige ist. Ic h m ö ch te b eto n en , d a ß d as a u c h h e u te n och g ilt, ob w o h l, w ie w ir n ach h er seh en w erd en , d ie C o rp u sc u lar
th e o rie ein e A u fe r ste h u n g g e fe ie rt h a t. W ie w ir W a sserw e lle n b e o b a ch te n u n d in ih rer A u s b re itu n g ve rfo lg e n kö n n en , ga n z gen au so kö n n en w ir d ie L ic h tw e lle n m it un sern A p p a ra te n erfassen . E s w ä re g ä n zlic h u n sin n ig , h ie r an d ere W o rte u n d A n sch au u n gen zu ve rw e n d e n , a ls d o rt. E b e n diese G e w iß h e it d er E x is te n z d er L ic h tw e lle n fü h r t zu d er P r o b le m a tik d er n eu esten o p tisch en E n td e c k u n g e n , a u f die w ir n a ch h er zu sp rech en kom m en .
Z u v o r h a b en w ir ein ige W o rte ü b er d as Ä ther
problem zu sag en . W e llen b ra u ch en einen T rä g e r, u n d so w u rd e an g en o m m en , d a ß d er W e ltra u m v o m L ic h tä th e r e rfü llt sei. D ie erste P erio d e d er Ä th e r th e o rie h a t w ied e r den C h a r a k te r d er n aiv en Ü b e r
tra g u n g ge w o h n te r A n sch a u u n g en . M an k a n n te als T rä g e r vo n W ellen e la stisch e K ö rp e r, und so n ah m m an eb en an, d er Ä th e r h ab e dieselb en E ig e n s c h a f
te n w ie ein e g e w ö h n lich e, ela stisch e S u b sta n z . U n d z w a r d u rfte er n ic h t ein em G ase o d er ein er F lü s s ig k e it äh n eln , d a sich in diesen n u r lo n g itu d in a le W e llen fo rtp fla n z e n kön nen , w ä h ren d die E rfa h ru n g e n a n p o la risie rtem L ic h t die T ra n s- v e r s a litä t d er L ic h tw e lle n e in d e u tig b ew iesen . M an h a tte also ü b e ra ll in d er W e lt einen festen elastischen K ö rp er an zu n eh m en , d u rch den sich d ie L ic h tw e lle n fo rtp fla n z e n . W a s d as fü r S ch w ie rig k e ite n g ib t, w en n m an ve rste h en w ill, w ie die P la n e te n u n d an d ere H im m e lsk ö rp e r sich ohne m e rk b a re B rem su n g d u rch diesen S to ff h in d u rc h b ew eg en , d as lie g t v o r A u g e n . A u c h g e la n g es n ic h t, die V o rg ä n g e bei d er R e fle x io n u n d B re c h u n g a n O b erflä ch en , d er L ic h tfo r tp fla n z u n g in K r y s ta l- len u n d d e rgleich en e in w a n d fre i zu erklä ren . S o w a r es eine E rlö su n g , a ls d ie M AXW ELLsche T h e o rie d u rch H
e r t ze x p e rim e n te ll b e s tä tig t w u r d e ; n u n w a r es m ö glich , den elektromagnetischen Ä ther m it dem Lichtäther gle ich zu setzen . D ie fo rm alen S ch w ie rig k eite n v e rsch w a n d en d a ohne
w eiteres; d en n d er ele k tro m a g n e tisch e Ä th e r is t kein m ech an isch er K ö rp e r m it den a u s d er groben E rfa h r u n g b e k a n n te n E ig e n sch a ften , sondern ein G eb ild e b eso n d erer A r t m it eigen en G esetzen , eben den M A xw E L L sch e n G leich u n g en , ein ty p is c h e r K u n s tb e g riff.
D ie an M
a x w e l la n k n ü p fen d e P erio d e d er P h y s ik w a r so e rfü llt vo n E rfo lg e n d ieser T h eorie, d a ß v ie lfa c h d er G la u b e h errsch te, m an h ä tte a lle w esen tlich en G ese tze d er a n o rgan isch en W e lt g efu n d en . D en n es g elan g, a u c h die M ech a n ik d em „e le k tro m a g n e tis c h e n W e ltb ild e “ , w ie m an sa g te, e in z u o rd n e n ; d er d u rch d ie M asse b e stim m te W id e rsta n d gegen B e sc h leu n ig u n g w u rd e a u f ele k tro m a g n e tisch e In d u k tio n sw irk u n g e n z u rü c k g e fü h rt. U n d d o ch w aren G ren zen des R e ich s v o r h a n d en u n d den W e iterb lic k en d e n sic h tb a r, h in ter d enen N e u lan d la g , d as m it den v o rh a n d en en M itteln n ic h t b ezw u n g en w erd en k o n n te . W ir k o m m en d a m it in d ie neueste Periode. Ih r K e n n zeich en ist, d a ß d ie p h y sik a lisc h e K r itik B e g riffe e rfa ß t, d ie g a r n ic h t m ehr a u ssch ließ lic h ih rem G eb ie te an geh ö ren , sondern vo n d er P h ilosop hie als E ig e n tu m b e a n sp ru c h t w erd en . A b e r w ir w ollen h ie r im m er die p h y sik a lisc h e n G e sic h tsp u n k te in d en V o rd e rg ru n d stellen .
W ie im m er, k a m a u c h b eim elektromagneti
schen Weltäther d ie b e g rifflich e S ch w ie rig k e it d u rch ein e V e rfe in e ru n g d er B e o b a c h tu n g sk u n st;
ich m eine d as b e rü h m te E xp erim en t von M ichelson.
B is d a h in k o n n te m an sich den Ä th e r a ls eine, ü b e ra ll im W e lträ u m e ru h en d e S u b sta n z m it b eso n d eren E ig e n sc h a fte n v o rste llen , und es g e la n g dem e rst jü n g s t v e rsto rb e n en L
o r e n t z,
zuzeigen, d a ß a lle d a m als b ek a n n te n e le k tro m a g n e ti
sch en V o rg ä n g e an ru h en d en und b ew eg ten K ö rp e rn a u f d iese W eise e r k lä r t w erd en k o n n te n . D ie w esen tlich e S c h w ie rig k e it w a r d a b ei die E rk lä r u n g d er T a ts a c h e , d a ß a u f d er E rd e, die m it b e tr ä c h t
lic h e r G e sc h w in d ig k e it d u rch d as Ä th erm ee r d a h in fä h rt, kein Ä th e rw in d zu spüren ist. L
o r e n t zk o n n te zeigen, d a ß a lle vo n d iesem Ä th e rw in d er
zeu g ten o p tisch en und e le k tro m ag n e tisch en E ffe k te ä u ß e rs t k lein sein m üssen, n äm lich p ro p o rtio n a l dem Q u a d ra te des V erh ä ltn isses v o n E rd g e s c h w in d ig k e it zu L ic h tg e sc h w in d ig k e it, eine Z a h l vo n der G rö ß e n o rd n u n g : E in s d iv id ie r t d u rch H u n d e rt
m illio n en . So k lein e G rö ß en w aren u n ter d er B s o b a c h tu n g ssc h w e lle — b is zu m M
i c h e l s o n- sch en E x p e rim e n t. D ieses m u ß te a lso die V e r
w eh u n g d er L ic h tw e lle n d u rch den Ä th erw in d o ffen b aren . A b e r es is t b e k a n n t, d a ß es ebenso w ie alle sp äteren W ied erh o lu n gen kein e S p u r des E ffe k te s zeig te . D a s w a r n u n w irk lic h sch w er zu erk lä ren , u n d m an w u rd e zu re c h t k ü n stlich en A n n a h m en gezw u n g en , w ie d ie v o n L
o r e n t zd u rc h g e fü h rte H y p o th e se , d a ß alle K ö rp e r sich in d er R ic h tu n g ih rer B e w e g u n g v e rk ü rze n . D ie L ö s u n g des R ä tse ls fa n d E
i n s t e i nin sein er ,,spe
ziellen“ Relativitätstheorie, und der sp rin gen d e P u n k t d a b ei w a r ein e K r itik des Zeitbegriffes.
W a s is t die Z e it? F ü r den P h y sik e r is t sie n ich t
Heft 7. 1
1 5 - 2 . 1 9 2 9 ]
B o r n : Ü b e r den Sinn d er p h y sik a lisc h e n T h eorien . 113
d as G efü h l des A b la u fs, n ic h t d as S y m b o l des W erd en s u n d V ergeh en s, sondern eine m eß b are E ig e n s c h a ft d er V o rg än g e , w ie v ie le and ere.
In d er n a iv en P e rio d e d er W issen sc h a ft is t fü r die B ild u n g des Z e itb e g riffe s n a tü rlic h w ied er die u n m itte lb a re A n sch a u u n g od er E m p fin d u n g des Z e ita b la u fs m aß geb en d , u n d die E in d e u tig k e it d er Z u o rd n u n g des Z e ita b la u fs zu den E rle b n isin h a lte n fü h rte n a tu rg e m ä ß zu der A n sic h t, d a ß die Z e it h ier u n d ü b e ra ll in d er W e lt d ieselbe sei. E r s t E
i n s t e i nh a t die F ra g e g e stellt, ob d enn diese A u ssag e ein en e m p irisch p rü fb a re n In h a lt h a b e.
E r zeigte, d a ß die G le ic h ze itig k e it vo n E reign issen a n versch ied en en O rten n u r fe stste llb a r ist, w en n m an ein e A n n ah m e ü b er d ie G e sc h w in d ig k e it des S ig n a ls m a c h t, d as m an d a b ei b e n u tz t, u n d in V e rb in d u n g m it d em n e g a tiv e n A u s fa ll des Ä th e r w in d e x p e rim e n te s fü h rte ih n d as zu ein er neuen D e fin itio n der Gleichzeitigkeit, die ein e R e la tiv ie ru n g des Z e itb e g riffe s b e d eu te te. Z w ei E reig n isse an versch ied en en O rten sind n ic h t an sich g le ic h zeitig , sondern kö n n en es fü r einen B e o b a c h te r sein, fü r einen än d ern n ich t, w en n er sich r e la tiv zu m ersten b e w e g t. A u c h d er p h y sik a lisc h e B e g r iff vo m R a u m e w u rd e in diese B e g riffs u m w ä lz u n g h in ein gerissen, beson d ers als E
i n s t e i nein ige Jah re sp äter den Z u sa m m en h an g d er Gravitation m it d er n eu en V o rs te llu n g v o n R a u m u n d Z e it a u fd e c k te . A u f diese ,,allgem eine" Relativitätstheorie k a n n ich in d em engen R a h m e n dieses V o rtr a g e s n ic h t ein- g eh en ; n u r so v ie l sei g esag t, d a ß sie in d er L e h re vo n d er S c h w e rk r a ft den Ü b e rg a n g v o n d er F ern - zu r N a h w irk u n g sth e o rie u n d in sofern eine A n n ä h e ru n g an a n sch a u lich e V o rs te llu n g e n b e d e u te t.
A b e r a u f d er and eren S eite v e r la n g t sie ein e g e w a ltig e A b s tr a k tio n : R a u m u n d Z e it ve rlie re n alle d ie ein fac h en E ig e n sch a ften , d ie b is d ah in die G eo m etrie u n d B e w e g u n g sle h re zu so bequ em en In stru m en ten d er P h y s ik m a ch ten . D ie gew ö h n lich e G eo m etrie E
u k l i d su n d d ie d a zu p assen d e Z e it w erd en n u n zu A n n äh eru n g e n an die W ir k lic h k e it d e g ra d ie rt; a b e r es w ird z u g le ich v e rs tä n d lic h g e m a ch t, w a ru m die M en sch h eit b is d a h in m it d ieser A n n ä h eru n g so g u t a u sgeko m m en ist. A u c h h eu te k o m m t m an p ra k tis c h fa s t im m er d a m it a u s ; ja , es is t b e trü b lich , d a ß die zu r P r ü fu n g d er EiN ST E iN schen T h e o rie g eeign eten A b w e ich u n g e n ä u ß e rst selten u n d sch w er b e o b a c h tb a r sind. A b e r sie gen ü gen, zu sam m en m it d er inneren G esch lo s
sen h eit u n d F o lg e ric h tig k e it d er T h eorie, ih r bei den P h y sik e rn , v o n w en igen A u ß e n se ite rn a b gesehen, A n e rk e n n u n g zu v e rsch a ffen .
W ie s te h t es n u n m it d er Frage des Weltäthers in der Relativitätstheorie? E
i n s t e i nh a t zu erst v o r gesch lagen , d iesen B e g r iff g a n z zu verm eid en . D en n m an m ö ch te d o ch u n te r d em Ä th e r eine S u b sta n z ve rste h en , d ie m it den gew öh n lich en S u b sta n zen w en igsten s die a lle rp rim itiv ste n E ig e n sch a fte n gem ein h a t. Z u d iesen geh ö rt, d a ß m an ein zeln e T eilc h en erken n en u n d w ied erfin d en k a n n . A b e r in d er R e la tiv itä ts th e o rie is t es sinnlos zu sa g en : h ie r an dieser S telle des Ä th e rs w a r ich
schon ein m al. D e r Ä th e r w äre eine S u b sta n z, d eren T e ile w ed er einen O rt, n och eine G esch w in d ig k e it h ab en . U n d tro tzd e m h a t E
i n s t e i nsp ä te r vo rg ezo g en , d as W o r t Ä th e r w e ite r zu b e n u tzen , a llerd in g s als rein en K u n s tb e g riff, der m it der gew ö h n lich en V o rs te llu n g ein er S u b sta n z fa s t n ich ts m eh r gem ein h a t. E s is t n ä m lich schon ein fac h g ram m atisch n ö tig , w en n m an v o n S c h w in gu n gen u n d W e llen im R a u m e sp rich t, ein S u b je k t zu h ab en , zu d em d as V e rb u m „ sc h w in g e n " g e h ö rt. M an s a g t a lso : d er Ä th e r sch w in g t, u n d z w a r n a c h den F eld g leich u n g en d er EiN ST E iN schen T h e o rie — u n d d as is t alles, w as m an vo n ih m sag en k a n n .
D ie R e la tiv itä ts th e o rie h a t a u ch den B e g riff d er m ech an isch en M asse w esen tlich v e rä n d e rt u n d m it dem B e g riff d er E n erg ie versch m o lzen . G erad e diese F o lg e ru n g e n sind fü r d ie P h y s ik vo n g rö ß te r B e d e u tu n g gew ord en b e i den U n tersu ch u n gen ü b er d ie S tr u k tu r vo n M a terie u n d S tra h lu n g ; a b er sie h a b en n ic h t so vie l A u fseh e n e rre g t w ie die K r it ik der ü b erk om m en en B e g riffe v o n R a u m und Z e it, w eil diese zu m B e stä n d e d er P h ilo so p h ie g e zä h lt w erd en . T a ts ä c h lic h lie g t es w o h l so — u n d d as w ird v o n a llen ein sich tigen P h ilo so p h en z u gegeb en — , d a ß die P h ilo so p h ie in ä lteren Z eiten , a ls d ie E in ze lw issen sch a fte n sich n och n ic h t vo n ih r ge lö st h a tte n , die n atu rw issen sch a ftlich en V o rstellu n g en ein fac h ü b ern om m en und fe stg e h a l
te n h a t. D a n u n diese V o rstellu n g en , w ie im m er in d er n a iv e n P erio d e, d er A n sch a u u n g d u rch au s e n t
sp rach en , e n tsta n d b ei m anch en S ch u len d as V o r u rte il, d a ß sie u n ve rä n d erlich er B e s itz des G eistes, E rk en n tn isse a priori, w ären . N a tü rlic h is t das ric h tig fü r den A n sch a u u n g sra u m , a b er n ic h t fü r den o b je k tiv e n R a u m d er P h y s ik , dessen E ig e n sch a fte n d u rch a u s dem F o rts c h r itte d er E rfa h ru n g u n d ih rer sy ste m a tisch e n O rd n u n g an g e p a ß t w erd en m üssen.
S o v ie l N eu es die R e la tiv itä ts th e o r ie a u ch ge
b ra c h t h a t, so is t sie d o ch m eh r d er A b sc h lu ß einer E n tw ic k lu n g — d er L e h re v o m k o n tin u ie rlich en W e ltä th e r — a ls d er B e g in n ein er n eu en P erio d e.
E in e solch e s e tz t gen au m it u n serm J a h rh u n d ert ein d u rch d ie Quantentheorie v o n P
l a n c k. Ih re e ig en tlich e u n d tie fs te W u rz e l is t die A tom istik, also eine u ra lte L eh re, die b is a u f die griech isch en P h ilo so p h en zu rü c k g e h t, u n d die sich b is 1900 ziem lich s te tig u n d ru h ig, w en n a u c h im m er reich er u n d fru c h tb a r e r e n tw ic k e lt h a t. Z u e rst h a t d ie C h em ie den A to m b e g r iff n u tz b a r g e m a c h t; a ll
m ä h lich ero b erte er a u c h d ie P h y s ik , h a lf bei der E rk lä r u n g d er E ig e n sc h a ften der G ase u n d L ö su n gen u n d d ra n g v o n d a in die E le k tr iz itä ts th e o r ie ein.
D ie W a n d e ru n g d er E le k tr iz itä t d u rch e le k tro ly tis c h e L ö su n g en fü h rte zu r H y p o th ese vo n E le k triz itä ts a to m e n , Elektronen gen an n t, u n d diese b e w ä h rte sich so g län zen d b e i d en E n tla d u n g s ersch ein u n gen in G asen, b ei den K a th o d e n - u n d B e cq u erelstra h le n , d a ß die R e a litä t d er E lek tro n e n b a ld dieselbe G e w iß h e it h a tte w ie d ie d er m a te rie l
len A to m e . U n d nun, n ach d em im E le k tro n eine
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