Als am 16. Juli 1945 noch vor Sonnenaufgang ein gleißender Blitz die Wüste von Neu-Mexiko in ein unheimliches Licht tauchte, wohnten viele der bedeutendsten Physiker dieses Jahrhunderts diesem Ereignis bei. Während sie aus sicherer Entfernung durch ihre Schutzbrillen den grellen Feuerball der ersten von Menschenhand ausgelösten Nuklearexplosion aufsteigen sahen, wurde ihnen bewußt, daß ein neues Zeitalter angebrochen war. Unter ihnen befand sich auch der Mann, der das Projekt seit Beginn wissenschaftlich geleitet hatte: J. Robert Oppenheimer.

Der am 22. April 1904 in New York als Sohn eines 1888 aus Deutschland in die Vereinigten Staaten ausgewanderten Geschäftsmanns geborene Physiker war eine Ausnahmeerscheinung. Aufgrund seiner intellektuellen Schärfe, vielfältigen Interessen, zerbrechlich und kränklich wirkenden Konstitution und vergeistigten Persönlichkeit umgab ihn eine besondere Aura. Nach Ende des Krieges wurde er aller Öffentlichkeit als Leiter des vielköpfigen Teams bekannt, das im Los-Alamos-Nationallaboratorium die Atombomben gebaut hatte, die Hiroshima und Nagasaki zerstörten. Sein Erfolg als Direktor des Manhattan-Projekts verlieh ihm Einfluß, und für gewisse Zeit erfreute er sich der ihm zukommenden Autorität und Macht.

Aber im Juni 1954 – mitten in der antikommunistischen Hetzkampagne, die der republikanische Senator und Vorsitzende eines Ausschusses zur Untersuchung "unamerikanischer Umtriebe", Joseph R. McCarthy (1909 bis 1957) ausgelöst hatte – glaubte die US-Atomenergiebehörde (Atomic Energy Commission, AEC) bei Oppenheimer Charakterschwächen festzustellen und stufte ihn als Risiko für die nationale Sicherheit ein. (Oppenheimer hatte 1936 zu Beginn des spanischen Bürgerkriegs mit den Republikanern sympathisiert und dadurch auch kommunistische Studenten kennengelernt; nach dem Tod seines Vaters 1937 unterstützte er mit ererbtem Vermögen antifaschistische Organisationen. Aber die Despotie Stalins in der Sowjetunion bewog ihn auch, mit einer liberal-demokratischen Einstellung gegenüber dem Kommunismus auf Distanz zu gehen. Die Redaktion.)

Der Physik-Nobelpreisträger Albert Einstein (1879 bis 1955) und andere Kollegen am Institute for Advanced Study in Princeton (New Jersey), das Oppenheimer seit 1947 leitete, setzten sich zwar für ihn ein; und im Oktober jenes Jahres wählten ihn die Kuratoren für eine weitere Amtsperiode zum Direktor – diese Position hielt er bis ein Jahr vor seinem Tod am 18. Februar 1967 inne. Aber nach den Aktionen der AEC war Oppenheimer anzusehen, daß er ein gebrochener Mann war. (Als formelles Zeichen der Rehabilitation hatte ihm US-Präsident Lyndon B. Johnson 1963 den Fermi-Preis der amerikanischen Atomenergiekommission verliehen. Indes – der paradigmatische Fall von Konflikt zwischen Wissenschaft, Moral und Politik war nicht mehr aus der Welt zu schaffen. Die Redaktion.)

Nur wenige Historiker haben sich mit Oppenheimer als Wissenschaftler befaßt, wenngleich er in den Jahren vor dem Zweiten Weltkrieg die theoretische Physik in den Vereinigten Staaten stimuliert hat. Dies ist aus zweierlei Gründen bedauerlich: Zum einen wandte sich Oppenheimer in einer der interessantesten Phasen der Physik dieser Disziplin zu, als nämlich die Theorien der Quantenmechanik und der Kernphysik entstanden und man begann, traditionelle Vorstellungen erheblich zu revidieren; zum anderen hatte er – auch wenn ihm gelegentlich nachgesagt wurde, er bleibe hinter den Erwartungen zurück – viele bedeutende Beiträge auf verschiedenen wichtigen Gebieten der physikalischen Forschung geleistet, bevor er sein Amt in Los Alamos antrat.

Oppenheimer legte die Grundlagen für die moderne Molekularphysik. Er erkannte als erster den quantenmechanischen Tunneleffekt, auf dem unter anderem das Raster-Tunnelmikroskop beruht, mit dem sich die atomare Struktur von Oberflächen untersuchen läßt. Er war kurz davor, das Antiteilchen des Elektrons – das Positron – vorherzusagen. Des weiteren machte er auf einige zentrale Probleme in der Theorie der Quantenelektrodynamik aufmerksam und entwickelte die Theorie kosmischer Strahlenschauer. Schließlich zeigte er auf, und zwar lange bevor Neutronensterne und Schwarze Löcher zu den bekannten Himmelsobjekten gehörten, daß massereiche Sterne unter dem Einfluß der Gravitationskräfte kollabieren können.

Von der Chemie zur Physik

Wie viele Physiker seiner Zeit hatte Oppenheimer zunächst mit einem Chemiestudium begonnen. "Verglichen mit der Physik", sagte er, "beginnt [die Chemie] direkt im Kern der Dinge."

Im ersten Semester an der Harvard-Universität in Cambridge (Massachusetts) erkannte er jedoch, "daß das, was ich an der Chemie mochte, der Physik sehr nahe war". Er reichte deshalb in jenem Frühjahr eine Liste mit Fachliteratur, die er durchgearbeitet hatte, am Physik-Fachbereich ein und wurde zum Hauptstudium zugelassen. Er belegte zahlreiche Physikkurse, behauptete aber später, weil seine Interessen und Seminararbeiten sehr vielfältig waren, er habe "nur eine schnelle, oberflächliche, ungeduldige Vertrautheit mit einigen Teilbereichen der Physik" erlangt. Er schrieb: "Obwohl ich gerne arbeitete, mußte ich mich äußerst anstrengen und kam gerade so über die Runden; die in all diesen Kursen erhaltenen Einsen habe ich wohl nicht verdient."

Ob dies nun zutraf oder nicht – Oppenheimer durfte im Labor von Percy W. Bridgman (1882 bis 1961) arbeiten und dabei wertvolle Erfahrungen sammeln; dieses Privileg hatte er sicherlich seinen herausragenden Leistungen zu verdanken. Experimentalphysiker wie Bridgman, der als einer der ersten die Eigenschaften der Materie unter hohem Druck untersuchte und die dazu erforderlichen Apparaturen baute (wofür ihm 1946 der Nobelpreis verliehen wurde), dominierten in den zwanziger Jahren die Physik in den USA; die theoretische Physik war damals eher eine Domäne der Europäer. Folglich unterschied Oppenheimer noch nicht zwischen diesen wesentlichen Fachrichtungen. "Ich wußte überhaupt nicht, daß man sich damit [als theoretischer Physiker] seinen Lebensunterhalt verdienen konnte", sagte er einmal, als er sich an seine Studentenzeit erinnerte.

Kurz vor dem Studienabschluß im Jahre 1925 bewarb er sich kühn bei Ernest Rutherford (1871 bis 1937, Chemie-Nobelpreis 1908), einem der bedeutendsten Experimentalphysiker seiner Zeit, der das Cavendish-Laboratorium in Cambridge (England) leitete. Dieser hatte als erster in Versuchen herausgefunden, daß Atome extrem kleine, schwere Kerne enthalten. Rutherford war allerdings von den Zeugnissen des jungen Amerikaners wenig beeindruckt und lehnte ab.

Oppenheimer wandte sich daraufhin an Joseph John Thomson (1856 bis 1940, Physik-Nobelpreis 1906), von dem Rutherford 1919 die Leitung des Cavendish-Labors übernommen hatte und der noch immer an diesem Institut arbeitete. Thomson akzeptierte den Aspiranten als wissenschaftlichen Mitarbeiter und setzte ihn in eine Ecke des großen Kellerraums, wo er dünne Beryllium-Filme auf einem Collodium-Substrat herstellen mußte. "Ich mache eine schwere Zeit durch", schrieb Oppenheimer am 1. November 1925 an Francis Fergusson, seinen engsten Freund aus der College-Zeit, der nun in Oxford weilte. "Die Laborarbeit ist entsetzlich langweilig, und ich bin so ungeeignet dafür, daß ich unmöglich das Gefühl bekommen kann, etwas zu lernen."

Der ganze folgende Winter war eine düstere Phase, aber mit Beginn des Frühjahrs ergaben sich neue Perspektiven. Rutherford, der sich nun doch persönlich um Oppenheimer kümmerte, stellte ihn dem dänischen Physiker Niels Bohr (1885 bis 1962, Nobelpreis 1922) vor, als dieser das Institut besuchte. Durch Patrick M. S. Blackett (1897 bis 1974, Nobelpreis 1948), einen weiteren Physiker am Cavendish-Labor, lernte er den Österreicher Paul Ehrenfest (1880 bis 1933) kennen, der seit 1922 in den Niederlanden an der Universität Leiden forschte. In Cambridge freundete er sich auch mit den einflußreichen Physikern Paul A. M. Dirac (1902 bis 1984, Nobelpreis 1933) und Ralph H. Fowler (1889 bis 1944), dem Schwiegersohn Rutherfords, an. All diese Männer waren Theoretiker und trugen dazu bei, Oppenheimers Einsicht in dieses Fachgebiet zu vertiefen.

Fowler war besonders weitsichtig; uneigennützig riet er, Diracs neuen quantenmechanischen Formalismus zu studieren und auf die bekannten Bandenspektren von Molekülen anzuwenden, was bis dahin noch niemand getan hatte. Oppenheimer ließ sich von dieser Aufgabe fesseln und entwickelte in den folgenden Jahren die moderne Theorie kontinuierlicher Spektren. Aus dieser Arbeit entstand nicht nur seine erste wissenschaftliche Veröffentlichung, sie markierte auch den Beginn seiner Karriere als theoretischer Physiker.

Als Max Born (1882 bis 1970, Physik-Nobelpreis 1954) im Sommer 1926 das Cavendish-Labor besuchte und Oppenheimer anbot, seine Forschungen an der Universität Göttingen – einem Zentrum der theoretischen Physik – fortzusetzen, nahm er gerne an. "Ich fühlte mich gänzlich befreit von der Verpflichtung, ins Labor zurückzugehen", sagte er 1963 in einem Interview dem amerikanischen Wissenschaftshistoriker und -theoretiker Thomas S. Kuhn.

In Göttingen nahm Oppenheimer erstmals die Probleme wahr, welche die europäischen Physiker beschäftigten. "Die Wissenschaft ist [hier] viel besser", schrieb er im November 1926 an Fergusson. Zu dieser Zeit erarbeiteten dort Born, Werner Heisenberg (1901 bis 1976, Nobelpreis 1932) und Pascual Jordan (1902 bis 1980) die Matrizen-Formulierung der Quantenmechanik. Born, ein herausragender Lehrer, machte Göttingen zu dem Ort, an dem man die Feinheiten der neuen Theorie besser als irgendwo sonst erlernen konnte. Und Oppenheimer lernte schnell: Im Dezember 1926, lediglich vier Monate, nachdem er sich in Göttingen formell beworben hatte, reichte er den Aufsatz "Über die Quantentheorie kontinuierlicher Spektren" bei dem führenden deutschen Fachjournal, der "Zeitschrift für Physik", ein. Dieser Artikel war im Grunde eine Kurzfassung seiner späteren Dissertation.

Nachdem er im Mai 1927 in Göttingen promoviert hatte, verbrachte er je ein Jahr als Stipendiat des Nationalen Forschungsrats der USA in den Vereinigten Staaten sowie bei Ehrenfest in Leiden und bei Wolfgang Pauli (1900 bis 1958, Nobelpreis 1945) in Zürich. Während dieser Zeit profitierte Oppenheimer sehr von seinen Verbindungen zu den führenden europäischen Physikern. "Sie gaben mir einigen Verstand und ... einen gewissen Sinn für die Physik", sagte er zu Kuhn. Die theoretischen Probleme, die er erforschte, suchte er sich allerdings im wesentlichen noch immer selbst aus.

Später, in den dreißiger Jahren, arbeitete Oppenheimer – vielleicht aufgrund seiner eigenen Laborerfahrung – eng mit Experimentalphysikern zusammen. Viele von ihnen erkannten an, daß er ihre Meßergebnisse besser zu interpretieren wußte als sie selbst.


Atome und Moleküle

Die Beobachtung, daß Atome bei Übergängen zwischen Energiezuständen diskrete, linienförmige Spektren abstrahlen, hatte erste Hinweise darauf geliefert, daß die bisherige – klassische – Physik unzulänglich war. Atome und Moleküle boten sich somit an, um an ihnen die neue Theorie der Quantenmechanik zu testen. Oppenheimers erster wesentlicher Beitrag dazu bestand 1927 darin, daß er eine Möglichkeit fand, die Analyse von Molekülspektren zu vereinfachen.

Aus solchen Spektren leiten die Physiker Struktur und Eigenschaften der Moleküle ab; jedoch wird die exakte quantenmechanische Beschreibung selbst eines einfachen Moleküls durch den Umstand erschwert, daß die Atomkerne und Elektronen, aus denen es besteht, sich alle gegenseitig beeinflussen. Oppenheimer erkannte nun, daß wegen der großen Unterschiede in den Massen von Kernen und Elektronen deren Wechselwirkungen sich näherungsweise separieren lassen, weil der schwere Atomkern auf sie so träge reagiert, daß er erst einen Bruchteil eines Vibrations- oder Rotationszyklus mitgemacht hat, wenn die Elektronen ihn bereits mehrmals umrundet haben.

Während eines Urlaubs verfaßte Oppenheimer einen kurzen Artikel darüber und schickte ihn Born. Dem sagte die Kürze des Entwurfs überhaupt nicht zu, und er verfaßte ein 30-Seiten-Papier, in dem er ausführlich begründete, daß Vibration und Rotation der Kerne getrennt von den Bewegungen der Elektronen behandelt werden können. Diese Born-Oppenheimer-Näherung liefert ein anschauliches Modell der Bewegungszustände in Molekülen, was deren Analyse wesentlich erleichtert.

Später berechnete Oppenheimer die Wahrscheinlichkeit, mit der ein Atom ein Elektron eines anderen einfängt. Unter Beachtung der Born-Oppenheimer-Näherung zeigte er, daß der Wert unabhängig von dem Potentialverlauf zwischen den Kernen der beiden Atome ist.

Im Jahre 1928 entdeckte Oppenheimer einen weiteren quantenmechanisch definierten Vorgang, den Tunneleffekt. Dieser tritt unter vielen theoretischen Bedingungen auf. So vermag ein Elektron aus einem umgrenzten Aufenthaltsraum, den es nach der klassischen Physik nicht verlassen könnte, zu entkommen, wenn es sich nicht wie ein infinitesimaler Billardball verhält, sondern räumlich verschmiert ist.

Ein bekanntes anderes Beispiel für dieses Phänomen ist das Entweichen eines Alpha-Teilchens aus dem Urankern bei dessen radioaktivem Zerfall. Innerhalb des Kerns ist die Bewegung des Alpha-Teilchens sowohl durch Kern- als auch durch elektrostatische Kräfte eingeschränkt. Nach der klassischen Theorie könnte es diesen durch eine Potentialbarriere umgrenzten Bereich niemals verlassen. Der Quantenmechanik zufolge vermag es jedoch mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit zu entkommen, indem es die Barriere durchtunnelt.

Im Sommer 1928 erklärten George Gamow (1904 bis 1968) in Rußland sowie – unabhängig von diesem – der Amerikaner Edward U. Condon (1902 bis 1974) und der Brite Ronald W. Gurney (1899 bis 1953) als erste den Alpha-Zerfall als Tunneleffekt. Heutige Verfasser von Lehrbüchern erkennen dies an, implizieren jedoch fälschlicherweise, daß diese Wissenschaftler das Phänomen auch entdeckt hätten. Oppenheimer indes hatte bereits im März 1928 einen Artikel bei den "Proceedings of the National Academy of Sciences" eingereicht, in dem er die Wirkung eines elektrischen Feldes auf ein Atom untersuchte. Der klassischen Theorie gemäß könnte nur ein starkes Feld die Ladungen eines Atoms trennen; aus der Sicht der Quantentheorie hingegen vermag bereits ein schwaches Feld der Hülle ein Elektron zu entreißen, weil dieses durch die umgebende Potentialbarriere hindurchtunneln kann. Oppenheimer wies nun nach, daß ein schwaches elektrisches Feld Elektronen aus der Oberfläche eines Metalls herausziehen kann. Auf der Grundlage dieses von ihm entdeckten Effektes entwickelten Gerd Binnig und Heinrich Rohrer vom IBM-Forschungslabor Zürich in Rüschlikon 54 Jahre später das Raster-Tunnelmikroskop, für das ihnen 1986 der Physik-Nobelpreis verliehen wurde (Spektrum der Wissenschaft, Oktober 1985, Seite 62, sowie Dezember 1986, Seite 14).


Teilchen und Felder

Die letzten Monate seines Europa-Aufenthalts, Januar bis Juni 1929, verbrachte Oppenheimer am Institut von Pauli an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich, um seine mathematischen Kenntnisse zu vervollkommnen. Nach dieser Lehrzeit wandte er sich von Anwendungen der Quantenmechanik ab und grundlegenderen Fragen der Physik zu.

Der Zeitpunkt für eine solche Umorientierung war optimal. In jenem Frühjahr erhielt er Angebote vom California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena und von der Universität von Kalifornien in Berkeley. Beide Einrichtungen widmeten sich intensiv der physikalischen Grundlagenforschung: Am Caltech arbeitete Robert A. Millikan (1868 bis 1953), der 1923 für seine Präzisionsmessungen der elektrischen Elementarladung und des Planckschen Wirkungsquantums den Nobelpreis bekommen hatte; in Berkeley erforschte Ernest O. Lawrence (1901 bis 1958), der 1930 das erste Zyklotron entwickelte, Fragen der Kernphysik. Oppenheimer nahm beide Positionen an und verbrachte in der Regel das Wintersemester in Berkeley und das Sommersemester in Pasadena. An beiden Institutionen zog er herausragende Studenten an, die später dazu beitrugen, die physikalische Forschung in den USA auf Welt-Spitzenniveau zu bringen.

Eine der heftigsten Debatten zu Beginn der dreißiger Jahre wurde über eine Theorie von Dirac geführt. Am 2. Januar 1928 hatte der Herausgeber der "Proceedings of the Royal Society" von dem britischen Physiker ein Manuskript mit dem Titel "The Quantum Theory of the Electron" erhalten. Dieser Artikel und seine einen Monat später erscheinende Fortsetzung stellen vermutlich die bedeutendste Leistung Diracs dar. Die von ihm darin formulierte relativistische Wellengleichung zur Beschreibung des Elektrons – welche die nichtrelativistische, von dem Österreicher Erwin Schrödinger (1887 bis 1961, Physik-Nobelpreis 1933) aufgestellte Wellengleichung zu hohen Elektronenenergien hin erweiterte – begeisterte die Physiker, weil sich daraus zwanglos Spin und exaktes magnetisches Moment dieses Teilchens ergaben.

Doch warf diese Veröffentlichung auch heftig umstrittene Fragen auf. Heisenberg schrieb am 31. Juli 1928 an Pauli, daß "die Dirac-Theorie das traurigste Kapitel der modernen Physik ist und bleibt". Das grundsätzliche Problem von Diracs Wellengleichung war, daß sie stationäre Lösungen sowohl für positive als auch für unendlich viele negative Energiezustände ergab. Wenn das zutreffen sollte, müßten der Quantenmechanik zufolge die Elektronen in diese negativen Energiezustände springen können – mit der Folge, daß letztlich alle Elektronen dort enden würden und mithin gar nicht existieren dürften.

Um diesen Widerspruch zur Realität zu umgehen, stellte sich Dirac vor, die negativen Energiezustände seien von unendlich vielen Elektronen besetzt. Einige wenige unbesetzte Zustände wären dann gleichsam positive Löcher in einem Meer negativer Ladungen. In einer im März 1930 erschienenen Veröffentlichung behauptet Dirac, diese Löcher seien Protonen, also die positiv geladenen Kernteilchen.

Oppenheimer jedoch, der Diracs Arbeit vor Erscheinen gelesen hatte, argumentierte in einem Brief an die Zeitschrift "Physical Review", der noch im selben Monat erschien, dies träfe nicht zu: Falls die positiven Löcher in Diracs Theorie Protonen wären, so betonte er, dann müßten Elektronen und Protonen sich gegenseitig vernichten – was bedeutete, daß gewöhnliche Materie jeweils nur etwa 10-10 Sekunden existieren könnte. Des weiteren führte er aus, daß die von Dirac postulierten positiven Teilchen dieselbe Masse wie Elektronen haben müßten.

Tatsächlich handelt es sich dabei um positive Ladungsträger: Positronen, die Antiteilchen der Elektronen. Aber 1930 waren diese Partikel noch unbekannt und für das physikalische Weltbild nicht erforderlich. Vielleicht deshalb verfolgte Oppenheimer seine Vorstellungen im wissenschaftlichen Wettstreit mit Dirac nicht so weit, ihr Vorhandensein explizit vorherzusagen.

Aber selbst als der Experimentalphysiker Carl Anderson (1905 bis 1991) am Caltech 1932 das Positron schließlich entdeckte, wofür ihm vier Jahre später der Nobelpreis verliehen wurde, löste dies nur eines der Probleme mit der Diracschen Theorie. Was viele Physiker wie Heisenberg, Pauli und auch Oppenheimer, die an einer relativistischen Feldtheorie zur vollständigen Beschreibung der Wechselwirkungen zwischen Ladungen und elektromagnetischen Feldern – der sogenannten Quantenelektrodynamik (QED) – arbeiteten, stark an den Grundfesten der Quantentheorie zweifeln ließ, war die unendliche Selbstenergie des Elektrons. (Weil ein Elektron Masse und Ladung, aber offenbar keine räumliche Ausdehnung hat, wird rechnerisch die Energie des durch die Ladung erzeugten elektrischen Feldes um das punktförmige Elektron herum unendlich groß.) Selbst als Oppenheimer 1930 mit der relativistischen Dirac-Gleichung für das Elektron und der 1929 von Heisenberg und Pauli aufgestellten Formulierung der Quantenfeldtheorie rechnete, ergab sich wieder eine unendlich hohe Selbstenergie des Elektrons. Oppenheimer wies nach, daß dadurch selbst die Berechnung der Quantenzustände des Wasserstoffatoms (das aus einem Proton im Kern und einem Elektron in der Hülle besteht) keine physikalisch sinnvollen Ergebnisse erbringen konnte: Die Spektrallinien müßten zu unendlich hohen Energien verschoben sein. Damit war offenbar jede Anwendung der Theorie auf Atome unmöglich.

Oppenheimers Skepsis gegenüber der QED wurde die dreißiger Jahre hindurch weiter genährt durch Unstimmigkeiten in seiner Arbeit über kosmische Strahlen – bedingt waren sie durch das Myon und andere damals noch unbekannte hochenergetische Teilchen. Hätte er bereits über die von seinem Studenten Willis E. Lamb erst 1947 experimentell gewonnenen Erkenntnisse über die Verschiebung der Linien im Spektrum des Wasserstoffatoms verfügt, könnte er das vertrackte Problem der unendlichen Energie möglicherweise gelöst haben. (Lamb erhielt 1955 für seine Arbeiten den Physik-Nobelpreis.)

Im Jahre 1931 suchte Oppenheimer eine Gleichung für das Photon aufzustellen, die der Dirac-Gleichung für das Elektron entsprochen hätte. Dies gelang ihm nicht; er vermochte aber im Laufe seiner Bemühungen zu zeigen, daß sich Teilchen mit halbzahligem Spin (wie das Elektron) und solche mit ganzzahligem (wie das Photon) grundsätzlich unterscheiden. Später wurde dies die Grundlage für Paulis formalen Beweis einer Beziehung zwischen Spin und statistischem Verhalten von Teilchen.

Der Quantenmechanik zufolge ist – im Rahmen der Erhaltungssätze von Energie und Impuls – sowohl die Vernichtung als auch die Erzeugung von Materie möglich. So kann sich ein Gammaquant (ein Photon sehr hoher Energie) während eines Stoßprozesses in ein Elektron-Positron-Paar umwandeln. Seltsamerweise stammt zwar nicht die Idee dieser Paarerzeugung von Oppenheimer; er legte jedoch 1933 mit seinem Studenten Milton S. Plesset die erste korrekte Beschreibung dieses Vorgangs vor.

Ein Jahr später entwickelte Oppenheimer zusammen mit seinem Assistenten Wendell H. Furry die Elektron-Positron-Theorie im wesentlichen in ihrer heutigen modernen Form. Sie zeigten, daß die beobachtete Ladung des Elektrons nicht mit ihrem eigentlichen Wert übereinstimmt, und nahmen so das Verfahren der Ladungs-Renormierung vorweg, das dann dazu beitrug, einige der früheren Schwierigkeiten mit unendlichen Größen in der QED zu beseitigen.

Kernreaktionen

In den dreißiger Jahren wurden die meisten Experimente zur Hochenergiephysik nicht wie heute mittels Teilchenbeschleunigern, sondern in der Erdatmosphäre durchgeführt. Dort kollidieren schnelle Partikel kosmischen Ursprungs (mit Energien von einigen Milliarden Elektronenvolt) mit Molekülen der Luft und lösen dabei ganze Ketten von Reaktionen aus. Es war während einer Untersuchung solcher kosmischer Strahlen mit einer Nebelkammer (einem Nachweisgerät für Spuren elektrisch geladener Teilchen), daß Anderson 1932 am Caltech das Positron entdeckte. Befindet sich in der Nebelkammer eine Platte etwa aus Blei, vermag ein einzelnes Höhenstrahlungsteilchen, das auf den Kern eines Metallatoms trifft, eine Vielzahl von Spuren auszulösen. Oppenheimer und sein Student J. Franklin Carlson wiesen nach, daß diese Schauer, die in der Regel aus Photonen, Elektronen und Positronen bestehen, in einer Kaskade von Elektron-Positron-Paarbildungsprozessen erzeugt werden.

Sie beobachteten außerdem, daß eine 20 Zentimeter dicke Bleiplatte die gesamte von auftreffenden Photonen und Elektronen herrührende Strahlung im experimentell beobachteten Energiebereich absorbiert. Weitere Messungen enthüllten jedoch durchaus größere Eindringtiefen der Höhenstrahlungsteilchen. Die beiden Wissenschaftler schlossen daraus, daß es noch "eine andere Komponente der kosmischen Strahlung gibt".

Wenige Monate später, im Jahre 1937, entdeckten Forschungsgruppen am Caltech und an der Harvard-Universität nahezu gleichzeitig tatsächlich ein neues, schweres Teilchen. Oppenheimer und sein Kollege Robert Serber in Berkeley hielten es sofort für jenes, das der Japaner Hideki Yukawa (1907 bis 1981, Physik-Nobelpreis 1949) aufgrund theoretischer Überlegungen 1935 als Vermittler der starken Kraft zwischen den Nukleonen – den Bestandteilen der Kerne – vorhergesagt hatte. Indes erwies sich das neu entdeckte Teilchen als Myon; das von Yukawa vorausgesagte wurde erst später, 1947, nachgewiesen und Pion genannt.

Während seiner Aufenthalte in Berkeley beteiligte sich der Theoretiker Oppenheimer auch an den kernphysikalischen Forschungen, die sein experimentell arbeitender Freund Lawrence durchführte. Diesem war es 1931 mit dem von ihm entwickelten Zyklotron gelungen, Protonen auf hohe Energien zu beschleunigen und als künstliche Geschosse für Kernreaktionen zu verwenden. Im Frühjahr 1933 begann Lawrence erstmals mit der Beschleunigung von Deuteronen, die aus je einem Proton und Neutron bestehen, und setzte sie zur Bombardierung schwerer Kerne ein. Das Neutron hatte der Brite James Chadwick (1891 bis 1974) erst im Jahr zuvor als weiteres neues Teilchen entdeckt (wofür er 1935 mit dem Physik-Nobelpreis ausgezeichnet wurde), woraufhin man erkannte, daß Atomkerne nicht – wie bis dahin angenommen – aus Protonen und Elektronen, sondern aus Protonen und Neutronen aufgebaut sind.

Lawrence fand heraus, daß Deuteronen schwere Atomkerne effektiver zertrümmern können als Protonen. Binnen kurzem vermochten er und seine Mitarbeiter Alpha-Teilchen (gleichbedeutend mit Heliumkernen aus je zwei Protonen und Neutronen) als Produkte der von ihnen ausgelösten Kernreaktionen zu beobachten.

Dann ergab sich ein rätselhafter Befund: Bei Kollisionen hochenergetischer Deuteronen mit jeder Art von Target-Kernen wurden Protonen freigesetzt, die alle nahezu dieselbe Energie aufwiesen. Oppenheimer und Melba N. Phillips aus seiner Arbeitsgruppe, die daraufhin derartige Kernreaktionen untersuchten, konnten zeigen, daß beim Zusammenprall der schwere Kern das Neutron des Deuterons einzufangen und so das Proton freizusetzen vermag. Dieser nun als Oppenheimer-Phillips-Prozeß bekannte Vorgang erklärte die merkwürdigen, von Lawrence beobachteten Ergebnisse.


Neutronensterne und Schwarze Löcher

Heute allgemein als Endstufen der Sternentwicklung angesehen, wurden Neutronensterne und Schwarze Löcher in den dreißiger Jahren aufgrund theoretischer Überlegungen postuliert. Oppenheimer und zwei seiner Studenten, George M. Volkoff und Hartland S. Snyder, waren wesentlich an diesen Arbeiten beteiligt.

Oppenheimer und Volkoff interessierten sich für die von Walter Baade (1893 bis 1960) und Fritz Zwicky (1898 bis 1974) 1933 geäußerte Vermutung, daß ein ausreichend massereicher Stern, der seinen Vorrat an thermonuklearem Brennstoff verbraucht hat, einen aus Neutronen bestehenden Kern bilden könnte. Um diese These zu überprüfen, machten sie sich daran, die Entstehung eines solchen Gebildes mathematisch zu beschreiben. Dabei untersuchten sie den Gravitationskollaps sowohl für den klassischen Fall gemäß der Newtonschen Theorie als auch für den relativistischen, den Einsteins allgemeine Relativitätstheorie beschreibt.

Mit der von ihnen aufgestellten Gleichung, die den Druckgradienten innerhalb eines Sterns angibt, vermochten sie zu zeigen, daß sich im relativistischen Fall der Druck im Kern des Sterns mit zunehmender Tiefe stärker erhöht als nach der klassischen Theorie erwartet. Somit sagte das Oppenheimer-Volkoff-Modell auch stärkere Gravitationskräfte voraus als die Theorie Newtons.

Oppenheimer und Volkoff führten zudem die ersten detaillierten Berechnungen über die Struktur eines Neutronensterns durch und legten so die Grundlage für die allgemeine Relativitätstheorie des Sternaufbaus. Kurz bevor 1939 eine Veröffentlichung beider Wissenschaftler zu diesem Thema erschien, schrieb Oppenheimer seinem Freund George E. Uhlenbeck (1910 bis 1988), einem theoretischen Physiker an der Universität von Michigan in Ann Arbor, der gemeinsam mit seinem Kollegen Samuel A. Goudsmit (1902 bis 1978) den Elektronenspin entdeckt hatte: "Wir haben ... an statischen und nicht-statischen Lösungen für sehr schwere Massen gearbeitet ... alte Sterne vielleicht, die zu Neutronenkernen kollabiert sind. Die Ergebnisse sind ausgesprochen merkwürdig..."

Tatsächlich wurden die Ergebnisse sogar noch seltsamer. Bereits im gleichen Jahr veröffentlichten Oppenheimer und Snyder eine heute als klassisch anzusehende Arbeit mit dem Titel "On Continued Gravitational Contraction". Sie stellten fest, daß das endgültige Schicksal eines massereichen Sterns, dessen Kernenergievorrat erschöpft ist, davon abhängt, wieviel Masse er abstoßen kann – entweder durch Strahlungsdruck oder durch Fliehkräfte infolge schneller Rotation. Der verbleibende masseärmere Kern wird durch Gravitationskräfte zusammengehalten. Falls denen kein durch thermonukleare Reaktionen im Inneren hervorgerufener Strahlungsdruck mehr entgegenwirken kann, stürzt der Kern immer weiter in sich zusammen.

Mit diesem Kollaps verbunden ist eine Rotverschiebung des vom Kern ausgestrahlten Lichts, wodurch sich dessen Wellenlänge vergrößert. Des weiteren nimmt die Raum-Zeit-Krümmung und mithin die Lichtablenkung zu, bis jeder ausgesandte Lichtstrahl wieder zurückgebogen wird (vergleiche Spektrum der Wissenschaft, Mai 1995, Seite 56). Übrig bleibt ein Objekt, das sich nur durch ein starkes Gravitationsfeld bemerkbar macht, von außen aber nicht mehr beobachtet werden kann. Mit dieser Formulierung legten Oppenheimer und Snyder die erste Berechnung vor, mit der sich die Bildung eines Schwarzen Loches erklären ließ.

Oppenheimers Beitrag zur Physik dieses Jahrhunderts war umfassend, tiefgreifend und dauerhaft. Die Born-Oppenheimer-Näherung, das Tunneln von Elektronen durch Potentialbarrieren, die Theorien von kosmischen Teilchenschauern, Neutronensternen und Schwarzen Löchern sind grundlegende und fortwirkende Bestandteile moderner Physik.

Oppenheimer erlag 1967, in dem Jahr, als die ersten Neutronensterne entdeckt wurden, in Princeton einem Krebsleiden. Hätte er länger gelebt, wäre ihm vielleicht noch die Anerkennung seiner vor dem Zweiten Weltkrieg geleisteten Forschungsarbeit zuteil geworden, die von der Leitung des Manhattan-Projekts und seiner Nachkriegsprominenz überschattet wurde.

Literaturhinweise

- Three Tributes to J. Robert Oppenheimer. Von Hans A. Bethe. Institute for Advanced Study, Princeton 1967.

– J. Robert Oppenheimer, 1904 – 1967. Von Hans A. Bethe in: Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society, Band 14, Seiten 391 bis 416, 1968.

– Oppenheimer. Von I. I. Rabi, Robert Serber, Victor F. Weisskopf, Abraham Pais und Glenn T. Seaborg. Charles Scribner's Sons, 1969.

– The Oppenheimer Case: Security on Trial. Von Philip M. Stern. Hart-Davis, 1971.

– J. Robert Oppenheimer: Letters and Recollections. Von Alice Kimball Smith und Charles Weiner. Harvard University Press, 1980.

– J. Robert Oppenheimer. Schöpfer der ersten Atombombe. Von Klaus Hoffmann. Springer, 1995.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 10 / 1995, Seite 44
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