Historische Vorträge III: Paul Dirac,...
Historische Vorträge III: Paul Dirac, der große Nicht-Kommunikator?
Paul Dirac war mir während meines Physikstudiums natürlich schon in körperloser Form, sprich: in Gestalt der von ihm entwickelten Gleichungen, mathematischen Objekte und Formalismen begegnet. Während des Studiums las ich dann sein Buch zur Quantentheorie, Principles of Quantum Mechanics, und war von seiner klaren Darstellung dieses notorisch schwierigen Themengebiets begeistert. Ich hatte den Eindruck, Dirac (der allerdings bereits gestorben war, während ich noch zur Schule ging, nämlich 1984) wäre jemand gewesen, mit dem ich mich gerne einmal über Quantenmechanik unterhalten hätte.
Dirac als Person — notwendigerweise aus mindestens zweiter Hand — begegnete mir erst während meiner Doktorarbeit, und zwar in den Anekdoten, wie man sie an Physiker-Mittagstischen zu hören bekommt. Leider legen Dirac-Anekdoten allesamt nahe, dass ein persönliches Gespräch recht unbefriedigend verlaufen wäre. Von einem Kollegen hörte ich beispielsweise die Geschichte des Physikers Bryce DeWitt (einigen Lesern vielleicht durch die Viele-Welten-Interpretation der Quantenmechanik bekannt): DeWitt hatte Dirac während eines gemeinsamen Spaziergangs begeistert von seinen neuesten Forschungsergebnissen erzählt, ohne dass von Dirac irgendeine Reaktion gekommen wäre. Nachdem die beiden zurückgekehrt waren, gab es endlich Anzeichen dafür, dass sich Dirac doch noch äußern würde — er räusperte sich, und der erwartungsfrohe DeWitt durfte sich dann anhören: “Wissen Sie zufällig, wo hier die Toilette ist?”
Zum wortkargen und unkommunikativen Dirac, dem jeder Smalltalk und auch andere Varianten normaler zwischenmenschlicher Kommunikation weitgehend fremd gewesen zu sein scheinen, kursieren noch eine Reihe weitererer Anekdoten, und der Wikipedia-Artikel über ihn zitiert eine Biografie, derzufolge die Kollegen in Cambridge das “Dirac” als physikalische Einheit mit dem Wert “ein Wort pro Stunde” (in anderer Version als “die minimale Anzahl von Worten, die ein Mensch binnen einer Stunde reden kann”) definiert hätten. Dementsprechend war mein Interesse geweckt, als ich in der Mediathek des Lindauer Treffens gleich auf zwei Tonaufnahmen von Vorträgen Diracs stieß, der sich ja zumindest dieser Überlieferung nach nicht als Idealkandidat für ein Treffen aufdrängt, bei dem die Kommunikation zwischen jüngeren und älteren Wissenschaftlern im Vordergrund steht.
Den ersten Vortrag, dessen Audiomitschnitt online verfügbar ist, hat Dirac auf dem Treffen 1976 gehalten. Er trägt den Titel “Basic beliefs and prejudices in physics”.
Der Vortragstitel ist aus meiner Sicht irreführend, aber ich muss zugeben, dass “Some history of physics, my own contributions, and some interesting things I heard about recently” zwar den Inhalt deutlich besser wiedergibt, aber ein wenig unhandlich sein dürfte. Vorurteile und grundlegende Überzeugungen werden jedenfalls nur ganz am Rande gestreift.
Der Vortrag beginnt als Überblick über die modernere Physikgeschichte: mit einem historischen Ausflug zu Newton und Einstein, zur Idee der Gleichzeitigkeit und zu spezieller und allgemeiner Relativitätstheorie, bevor es weitergeht zur Quantenmechanik und dann zu Diracs eigenen Arbeiten. Dirac erzählt so, dass sein Vortrag auch heutigen Anfängern im Physikstudium (oder aufgeweckten Schülern) zugänglich sein sollte.
Aus heutiger Sicht ist dies der klassische Dirac: Der Erfinder einer Gleichung für das Verhalten von Elementarteilchen wie dem Elektron, die erstmals sowohl die Prinzipien der Quantenmechanik als auch die von Einsteins Spezieller Relativitätstheorie berücksichtigt — und eine grundlegende, revolutionäre und seither tausendfach bestätigte Vorhersage macht, nämlich die Existenz von Antiteilchen. Der Dirac, der mit der heute nach ihm benannten Gleichung einen der Grundpfeiler der heutigen Teilchenphysik gesetzt hat und dafür mit ganzen 31 Jahren den Physik-Nobelpreis erhielt. So und durch einige seiner weiteren Schöpfungen (der Dirac’schen Deltafunktion mit ihrer Schlüsselrolle bei der Zerlegung von Wellen, der Fermi-Dirac-Statistik und der Bra-Ket-Notation für die Grundbausteine der Quantenmechanik) kannte ich Dirac aus dem Physikstudium: als Klassiker in mehr als einer Hinsicht.
Es gibt neben dem Klassiker aber noch einen anderen Dirac, der sich mit einer Reihe interessanter Fragestellungen beschäftigt hat, die weit weniger bekannt sind und deren Status zum Teil weit weniger klar ist.
Dieser andere Dirac war mir bereits während meiner Doktorarbeit über den Weg gelaufen: Die Arbeitsgruppe von Hermann Nicolai, in der ich am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) promovierte, sucht nach einer Antwort auf die Frage, wie eine Theorie der Quantengravitation beschaffen ist — eine Theorie, die die Quantentheorie mit Einsteins Theorie der Gravitation, der Allgemeinen Relativitätstheorie, vereint. Die meisten Kollegen gehörten dabei zu einer von zwei Fraktionen: Die einen beschäftigten sich mit der so genannten Stringtheorie, einem Kandidaten für eine Theorie der Quantengravitation, der aus der Elementarteilchenphysik kommt. Grundidee der Stringtheorie ist, dass Elementarteilchen letztlich winzige schwingende Saiten sind. Andere Kollegen forschten im Umkreis der Schleifen-Quantengravitation, deren Ansatz deutlich konservativer von der geometrischen Struktur der Allgemeinen Relativitätstheorie ausgeht. Auffällig war, dass beide Fraktionen, so sehr sich ihre Ansätze unterschieden, auf Arbeiten von Dirac zurückgriffen: Ein in der Stringtheorie jener Zeit (Ende der 1990er Jahre) brandneues Konzept war das der Branen — verallgemeinerter Verwandter der zweidimensionalen Membranen. So neu ihre Rolle in diesem Zusammenhang war, einen Teil der Vorarbeit hatte Dirac geleistet, der sich bereits 1962 mit der Frage beschäftigt hatte, wie sich solche zweidimensionalen Objekte im Rahmen der relativistischen Quantentheorie beschreiben lassen. Und auch die Kollegen von der Schleifengravitation gingen bei ihrer Formulierung von einem Formalismus aus, mit dem Dirac bestimmte Teile der klassischen Mechanik ins Reich der Quanten übertragen hatte.
Eine weitere Dirac-Idee, die nicht Teil der heutigen Standardphysik, aber hochinteressant ist, und deren Zeit durchaus noch kommen könnte, ist eine überraschende Konsequenz aus dem Elektromagnetismus. Den klassischen Modellen nach haben Magnete immer mindestens zwei Pole, nämlich einen Nord- und einen Südpol. Wer einen Magnet entzweibricht, hat anschließend nicht etwa zwei getrennte Magnetpole in der Hand, sondern hat es nunmehr mit zwei Magneten mit jeweils wieder einem Nord- und einem Südpol zu tun. Kann es isolierte Magnetpole, so genannte magnetische Monopole geben, also vereinzelte Nord- oder Südpole, ebenso, wie ja auch positive und negative elektrische Ladungen nicht notwendigerweise in Paaren auftreten? Die experimentellen Hinweise darauf sind allenfalls schwach, aber Dirac konnte zeigen, dass bereits die Existenz eines einzigen einzelnen Magnetpols irgendwo im Universum entscheidende Konsequenzen hat: Sie würde erklären, warum elektrische Ladungen in unserem Kosmos immer nur als ganzzahlige Vielfache ein und derselben Elementarladung auftreten, kurz: warum elektrische Ladungen gequantelt sind. Das ist eine so faszinierende Idee, dass mich nicht wundern würde, wenn sie uns als Teil zukünftiger Standardmodelle der Teilchenphysik wiederbegegnete, auch wenn es auf die Existenz solcher Monopole, wie gesagt, bislang keine überzeugenden Hinweise gibt. Auch von dieser Idee spricht Dirac in seinem Vortrag und äußert die (rückblickend nicht gerechtfertigte) Hoffnung, dass Monopole in zu jener Zeit gerade in der Durchführung befindlichen Experimenten nachgewiesen werden könnten.
Leider zeigt der Vortrag auch, dass nicht alles, was Dirac spannend fand, aus moderner Sicht interessant ist. Die zweite Hälfte ist Ergebnissen anderer Forscher der Florida State University, Diracs damaliger Wirkungsstätte, zu so genannten Radiohalos gewidmet, die aus heutiger Perspektive schlicht ein Sturm im Wasserglas waren. Zu Diracs Verteidigung muss man sagen, dass er dabei nicht über seine eigene Arbeit berichtet, sondern schlicht über die Arbeit von Kollegen außerhalb seines eigenen engeren Fachgebiets, die er zu jener Zeit höchst vielversprechend fand und daher den Lindauer Zuhörern vorstellen wollte. Als Lektion hat dies durchaus einen Wert, und es schadet sicherlich auch beim diesjährigen Treffen nicht, sich bewusst zu machen, dass das, was uns die Nobelpreisträger dort erzählen, durchaus visionär sein könnte — dass es in der Wissenschaft aber nun einmal keine Unfehlbarkeit gibt, und dass wir auch damit rechnen müssen, dass gerade die neuen, noch ungetesteten (und daher natürlich auch zunächst einmal sehr spannenden!) Ideen, die wir präsentiert bekommen, in ein paar Jahren schlicht überholt und allenfalls noch eine Fußnote der Wissenschaftsgeschichte sind. Die meisten Leser fahren in diesem speziellen Fall sicherlich am besten, wenn sie den letzten Teil von Diracs Vortrag (ab 33:15) schlicht auslassen.
Die Frage, ob Dirac abseits des Podiums mehrsilbiger war als in den Anekdoten, können die Vortragsmitschnitte natürlich nicht beantworten. Die Standbilder, die zum Audio-Vortragsmitschnitt eingeblendet werden, liefern faszinierende, aber notwendigerweise wenig schlüssige Zusatzinformationen. Eines davon zeigt Dirac 1959 beim “Get-Together Evening” als — nun, dem Foto nach: als Teilnehmer an einer Polonäse. Mit 57 Jahren kann man wahrscheinlich noch nicht von Altersmilde reden; jedenfalls ergibt sich ein interessanter Kontrast zu dem jungen Dirac, der den gleichalten Heisenberg verständnislos darüber ausgefragt haben soll, warum er, Heisenberg, denn mit jungen Frauen tanze. Jeder Betrachter des Fotos ist eingeladen, sich daran zu versuchen, den Gesichtsausdruck Diracs zu deuten. Möglicherweise handelt es sich um leicht amüsierte Toleranz des merkwürdigen Rituals, dessen Teilnehmer Dirac hier geworden ist. Wie dem auch sei: Ich würde liebend gerne Mitschnitte nicht nur von Diracs Vorträgen, sondern auch von seiner Interaktion mit den damaligen jungen Nachwuchswissenschaftlern hören, und wenn schon keine Mitschnitte, dann zumindest Schilderungen: Vielleicht meldet sich ja ein Alumnus, der damals dabei war und Näheres weiß?
War Dirac tatsächlich der große Nicht-Kommunikator? Letztlich muss Lindau Dirac gefallen haben, denn er besuchte jedes der ersten zehn Lindauer Treffen, die der Physik gewidmet waren — und das dürfte bedeuten, dass er auch dem Kernelement der Treffen, der lebhaften Diskussion mit Nachwuchswissenschaftlern, etwas abgewann. Auch seine Vorträge sind, den Mitschnitten nach, die Vorträge eines Mannes, der sich durchaus Gedanken dazu gemacht hat, wie er sein Thema für seine Zuhörer verständlich darstellen kann (in die gleiche Kerbe schlägt das von ihm verfasste Quantenmechanik-Buch). Allerdings sind es, auch das muss man sagen, todernste Vorträge. Diracs Bemerkungen (im ersten Vortrag ab 23:30) zu den Hemmungen, die Physiker früher hatten, neue Teilchen zu postulieren (in seinem Falle: das Anteiteilchen des Elektrons) und zu der Bereitwilligkeit, mit der Physiker zur Zeit seines Vortrags quasi bei der geringsten Provokation neue Teilchen einführten, könnten unter Umständen knochentrockener Humor sein; im Zusammenhang denke ich aber, auch sie sind ernst gemeint.
Von der anderen Seite kommend muss ich an Erfahrungen mit einigen anderen Kollegen aus der theoretischen Physik denken, die Außenstehenden vielleicht ansatzweise so fremdartig erscheinen wie Dirac einer Reihe seiner Zeitgenossen, mit denen ich aber hochinteressante (und keineswegs besonders “abgehobene”) Fachgespräche geführt habe. Insgesamt hege ich die komplett unwissenschaftliche, irrelevante, unüberprüfbare Hoffnung: Vielleicht würde sich, hätte ich auf magische Weise die Gelegenheit, mich mit Dirac über Quantenmechanik zu unterhalten, ja doch ein anregendes Gespräch ergeben.
P.S.: Der zweite verfügbare Vortrag “Does the Gravitational Constant vary?” dürfte von weniger allgemeinem Interesse sein, obwohl auch er eine durchaus interessante, weniger bekannte Dirac-Idee betrifft: Die Möglichkeit, dass die Gravitationskonstante — vereinfacht: die intrinsische Stärke der Gravitationskraft — mit der Zeit variieren und mit Ausdehnung und Masse des gesamten (beobachtbaren) Universums zusammenhängen könnte. Einen Überblick über die Theorien, um die es geht, haben wir übrigens gerade auf Einstein Online veröffentlicht: Varying Newton’s constant, verfasst von Carl Brans, einem der Wissenschaftler, die diese Idee Diracs weiterverfolgt haben.