Ein moderner Klassiker der Physik

  • 05. December 2018

Vor 150 Jahren wurde Arnold Sommerfeld geboren, einer der Begründer der modernen theoretischen Physik. Viele seiner Arbeiten sind noch immer aktuell.

„Was ich an Ihnen besonders bewundere das ist, dass Sie eine so große Zahl junger Talente wie aus dem Boden gestampft haben. Das ist etwas ganz Einzigartiges. Sie müssen eine Gabe haben, die Geister Ihrer Hörer zu veredeln und zu aktivieren“, schrieb Albert Einstein im Jahre 1922 an seinen Kollegen Arnold Sommerfeld in München. Einsteins Bewunderung war vollauf berechtigt, denn Sommerfeld ist es wie nur wenigen Physikern gelungen, schulebildend zu wirken. Zu seinen Schülern zählen Hans Bethe, Werner Heisenberg, Alfred Landé, Peter Debye oder Wolfgang Pauli. Sie alle haben wichtige Beiträge zur modernen Physik geleistet.

Sommerfeld, am 5. Dezember 1868 im ostpreußischen Königsberg geboren, begann seine akademische Karriere in der Mathematik: Er studierte an der Universität Königsberg, wo er 1886 in Mathematik promovierte; später habilitierte er sich bei Felix Klein in Göttingen. Nach Professuren für Mathematik und Mechanik in Clausthal bzw. Aachen war Sommerfeld von 1906 bis 1938 Professor für theoretische Physik an der Ludwig-Maximilians-Universität München.

Doch Sommerfelds Beitrag zur Physik lässt sich nicht allein mit seinem ausgewiesenen Lehrtalent erklären, wie der Wissenschaftshistoriker Michael Eckert in seinem Artikel in der November-Ausgabe des Physik Journals darstellt und dabei zeigt, wie aktuell viele von Sommerfelds Arbeiten noch heute sind.

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Bei einer Physikkonferenz im September 1919 im schwedischen Lund tauschten sich Arnold Sommerfeld (links) und Niels Bohr über die Fortschritte der Atomtheorie aus. (Foto: Deutsches Museum München)

Sommerfeld trug selbst entscheidend dazu bei, die „klassische“ Quanten- und Atomtheorie auf dem Weg zur Quantenmechanik auszubauen. Er reagierte sofort auf das Bohrsche Atommodell und erweiterte es, indem er Einsteins Relativitätstheorie berücksichtigte und zu einem System erweiterte, mit dem sich die Feinstruktur der Spektren und der Schalenaufbau der Atomhülle beschreiben ließen. Damit gelang ihm zwar keine befriedigende Erklärung dieser Phänomene, aber eine so genaue quantitative Beschreibung, dass auch heute noch Physiker versuchen, die exakte Übereinstimmung zwischen Sommerfelds und Diracs Ergebnissen für die Energieniveaus des relativistischen Wasserstoffatoms zu analysieren und zu erklären.

Sommerfeld fasste seine Erkenntnisse in seinem 1919 erschienenen Buch „Atombau und Spektrallinien“ zusammen, das er für die folgenden Auflagen überarbeitete und erweiterte. Das Buch wurde zur „Bibel“ einer ganzen Generation von Atomphysikern.

Sommerfeld bewies aber auch in seinen Arbeiten zur klassischen Physik ein Gespür für zukunftsweisende Themen, wie Michael Eckert anhand von Sommerfelds grundlegender Arbeit zur Theorie der Turbulenz von 1908 zeigt, die auch über hundert Jahre später immer noch relevant ist.

Eine unerwartete Aktualität erlangte Sommerfelds quantenmechanische Theorie der Bremsstrahlung, ein Begriff, den er zwanzig Jahre zuvor selbst geprägt hatte, als er Röntgen-Strahlen als elektromagnetische Strahlung deutete, die beim Abbremsen von Elektronen entsteht. Sommerfelds Theorie hat 2009 eine verblüffende Bedeutung für die Suche von schwach wechselwirkenden massereichen Teilchen (WIMPs) bekommen, die als Kandidaten für Dunkle Materie gelten.

„Von solchen Bezügen konnte Sommerfeld natürlich auch in seinen kühnsten Träumen nichts ahnen“, schreibt Eckert im Physik Journal, „Arnold Sommerfelds Werk zeigt beispielhaft, dass Physikgeschichte nicht nur ein Schaufenster in die Vergangenheit ist. So manche längst überholt geglaubte Theorie besitzt einen größeren Tiefgang, als es dem ersten Anschein entspricht.“

Arnold Sommerfeld, der von 1918 bis 1920 DPG-Präsident war, erhielt nie den Nobelpreis, obwohl er sehr oft dafür vorgeschlagen wurde. Er gehört aber zu den frühen Trägern der Max-Planck-Medaille, die er 1931 erhielt. Bis zuletzt arbeitete er an seinen fünfbändigen „Vorlesungen über Theoretischen Physik“. Er starb am 26. April 1951 mit 82 Jahren in München an den Folgen eines Verkehrsunfalls.

Alexander Pawlak

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