Die Geschichte der Physik E-Book

Axel Bruns

• Herausgeber: neobooks
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 149

Veröffentlichungsjahr: 2015

Beschreibung

Die Menschheit ist immer auf der Suche nach Antworten auf die Frage, wie alles miteinander zusammen hängt, und ob sich dieses jeweils physikalisch auch beweisen läßt. Heute nehme ich Sie auf eine Art Aufflug durch die Geschichte der Physik. Genannt werden auch einige bedeutende Physiker, die die moderne Physik von heute geprägt haben, und ohne diese Physiker die derzeitige Gesellschaft sicher nicht so in der Art existieren würde, wie sie heute ist.

Leseprobe

Axel Bruns

Die Geschichte der Physik

wie es zur Physik bis heute kam

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Inhaltsverzeichnis

Titel

Die Geschichte der Physik

Die Geschichte der speziellen Relativitätstheorie

Die klassische Physik

Tests der speziellen Relativitätstheorie

Die lorentzsche Äthertheorie

Entwicklung physikalischer Idee

Die Einweg-Lichtgeschwindigkeit

Hughes-Drever-Experimente

Röntgenstrahlung

Wilhelm Conrad Röntgen

Impressum neobooks

Die Geschichte der Physik

Die Geschichte der Physik als eigenständige Naturwissenschaft begann im 16. Jahrhundert mit der Einführung der experimentellen Methode in die Erkenntnisfindung durch Galileo Galilei. Die Begründer der Physik bezogen sich dabei vielfach auf aus der Antike überlieferte Schriften. .Von der frühen Neuzeit bis ins 19. Jahrhundert entwickelte sich die klassische Physik: Isaac Newton legte den Grundstein der Mechanik, die sich mit der Bewegung und Wechselwirkung von Körpern beschäftigt. James Clerk Maxwell fand mit der Elektrodynamik eine Theorie, die alle elektrischen und magnetischen Effekte in einheitlicher Weise beschreibt. Nach und nach gelang es, fast alle damals bekannten Phänomene auf diese beiden Grundlagen zurückzuführen. Insbesondere wurde Hitze in der Thermodynamik als ungeordnete Bewegung von Teilchen und Licht in der Optik als elektromagnetische Welle verstanden. Experimentelle Befunde, darauf aufbauende Theorien sowie Erkenntnisse aus der Chemie ließen die atomistische Struktur der Materie erkennen.Ausgelöst durch die spezielle und die allgemeine Relativitätstheorie Albert Einsteins einerseits, sowie die Quantenphysik andererseits, kam es Anfang des 20. Jahrhunderts zu einem Paradigmenwechsel. Die moderne Physik führte zu einer grundlegend anderen Betrachtungsweise als die der klassischen Physik. Dennoch enthält sie vollständig deren Erkenntnisse. Mit ihr erweiterte und vertiefte sich das Wissen sowohl im mikroskopisch Kleinen (Teilchen-, Kern- und Atomphysik) als auch im astronomisch Großen (Astrophysik und Kosmologie). Vor allem mit der Festkörperphysik und Laserphysik lieferte sie außerordentlich wichtige Beiträge zur technischen Anwendung.Die Quantenphysik und die allgemeine Relativitätstheorie bilden heute die Grundpfeiler des physikalischen Weltbilds.Die griechische Naturphilosophie griff mesopotamische und ägyptische Kenntnisse auf und suchte nach grundlegenden Erklärungsprinzipien.

Einzelne Sachverhaltsbeschreibungen wurden bereits mathematisiert. Eine experimentelle Methodik war jedoch noch nicht etabliert.Die ionische materialistische Naturphilosophie eines Thales, Anaximander, Anaximenes, Heraklit erwarb Kenntnisse über Naturphänomene wie Ab- und Zunahme der Luftdichte, den Aufstieg warmer Luft, magnetische Anziehung und Bernsteinreibung.Empedokles begründete die lange Zeit maßgebliche Lehre von vier Elementen. Leukippos und Demokrit führten die von Epikur weiterverfolgte Atomhypothese ein: alles besteht aus kleinsten Teilchen, die selbst nicht teilbar oder intrinsisch wandelbar sind und deren Zusammensetzung den Wandel der Phänomene erklärt.Im heutigen Gebiet der Optik entwickelten die griechischen Philosophen Pythagoras, Demokrit, Empedokles und andere mehrere Theorien des Lichts. Euklid entwickelte sie nach dem von ihm entworfenen Ideal der Geometrie weiter und untersuchte insbesondere die Spiegelung mathematisch. Ptolemaios folgte ebenfalls diesem mathematischen Methodenideal und maß u. a. die Lichtbrechung durch Experimente. Heron von Alexandria versucht, das Reflexionsgesetz und die Lichtbrechung dadurch zu erklären, dass das Licht den kürzesten Weg zwischen zwei Punkten nimmt.Bei den in der Legende von Pythagoras in der Schmiede beschriebenen Zahlenverhältnissen von Wohlklängen handelt es sich um das erste konkret und quantitativ beschriebene Naturgesetz, ohne dass jedoch klar ist, wie man zu diesem Gesetz gelangt ist.Platon nahm immaterielle Urbilder an und versuchte, damit Bewegung und Gravitation zu erklären. Im Timaios entwickelte er Ansätze einer Kosmologie. Nach der Ontologie des Aristoteles ist die Identität und der Wandel der Objekte durch das Arrangement zweier Grundprinzipien erklärbar, Form und Materie.

Er nahm vier Ursachen an, unter welchen die Bewegungsursache nur eine ist (neben Ziel, Form und Materie). Seine Bewegungslehre ist eine Vorform der klassischen Dynamik. Auch sonst beschrieb er Naturphänomene eher materialistisch. Aristoteles hat diverse physikalische und sonstige naturwissenschaftliche Studien betrieben und Werke oder Vortragsnotizen u. a. über die Physik, den Himmel, das Wetter, Entstehen und Vergehen, Fragen der Mechanik zusammengestellt.Mit seinem Werk Physik prägte Aristoteles den Begriff "Physik" (alles natürlich Gewachsene im Gegensatz zu Artefakten); sein Werk beschreibt die Natur nicht im heutigen Sinne mathematisch.Darüber hinaus bestand ein ausgeprägtes Anwendungsinteresse, das Erfinder wie Ktesibios, Philon von Byzanz oder Heron prägte, welche hydraulische, pneumatische und mechanische Phänomene nutzten. Archimedes beschrieb um 250 v. Chr. den statischen Auftrieb und die Hebelgesetze. Er bestimmte den Schwerpunkt von Flächen und Körpern und mathematisierte nach dem Vorbild des Euklid Statik und Hydrostatik.Ab dem 2. Jahrhundert bis Ende des 6. Jahrhunderts n. Chr. werden kaum noch neue Erkenntnisse gewonnen.Diverse antike und frühmittelalterliche Kompendien überliefern die physikalischen Kenntnisse der antiken Wissenschaftler.Im arabischen Kulturraum sind u. a. die Zusammenstellungen und Kommentierungen von Avicenna und Averroes wichtig, die auch für die im 12. und 13. Jahrhundert erfolgende Rezeption antiken Wissens im lateinischen Westen bedeutsam werden.Insgesamt hat sich das bei Aristoteles stark ausgeprägte Interesse an einer Ausweitung physikalischer Einzelerkenntnisse und ihrer zusammenfassenden Systematisierung im lateinischen Westen über längere Zeit hin verloren.

Stattdessen überwiegt ein Interesse an der Natur als Zeichen für den göttlichen Willen, wie dies schon die Bibelauslegung des Augustinus kennzeichnete.Ein Interesse an der Natur im Sinne empirischer Erklärungssuche wird Anfang des 12. Jahrhunderts rudimentär greifbar, etwa bei Adelard von Bath, der die Natur nicht mehr als „Buch“ göttlicher Zeichen versteht, sondern in seinen Quaestiones naturales biologische, physiologische, kosmologische und klimatologische Phänomene beschreibt und sich nicht auf Buchwissen, sondern Beobachtung, experimentum, stützt, ohne dies freilich methodologisch auszuarbeiten.Robert Grosseteste entwickelt im Anschluss an die platonische geometrische Weltbetrachtung eine Lichttheorie, welche die quantitative, qualitative, räumliche und substantielle Bewegung auf Lichtgesetze zu reduzieren versucht (De motu corporali et luce und De lineis). Damit wird die Optik (bei Robert scientia perspectiva) eine „Modellwissenschaft“ Auch Roger Bacon will alle Naturkausalität als Wirkung energetischer Strahlung erklären. Witelo gibt der Optik einen ähnlich zentralen Rang in seiner Übertragung und Erklärung der Perspectiva von Ibn al-Haitam. Die ähnlich angelegte Perspectiva communis Johannes Peckhams wird noch von Lorenzo Ghiberti und Leonardo da Vinci verwendet.Kurz vor Mitte des 14. Jahrhunderts arbeitet Nikolaus von Autrecourt eine scharfe Kritik am Wissenschaftsstatus metaphysischer Ansprüche auf Erkenntnis und Disziplinprimat aus. Parallel erfordert und ermöglicht die merkantile und technische Entwicklung des 14. Jahrhunderts eine Quantifizierung der Natur und eine Kritik der aristotelischen Bewegungslehre, d. h. allgemein der Verursachungslehre.

Dem widmen sich etwa Franciscus de Marchie († 1320) und Johannes Buridan, der Begründer der sog. Impetustheorie, den Pierre Duhem einen „Vorläufer Galileis“ nennt. Diese Theorie bleibt langezeit maßgeblich, bis sie durch die Trägheitstheorie abgelöst wird. Nikolaus von Oresme, Albert von Rickmersdorf und Marsilius von Inghen entwickeln sie weiter, nur in Oxford begegnet man ihnen mit Zurückhaltung (Thomas Bradwardine) oder Ablehnung (Richard Swineshead). Die beiden letztgenannten gehören mit Johannes Dumbleton und William Heytesbury zu den sog. „Oxford Calculators“ am Merton College, die eine allgemeine Mathematisierung der Naturbeschreibung versuchen.Nikolaus von Oresme nimmt auch sonst viele Anregungen Buridans auf und entwickelt sie z. B. unter Berufung auf das Prinzip der Denkökonomie zu der These weiter, dass die Annahme der Erdrotation ebenso durchführbar sei, wie die überkommene Vorstellung einer Rotation der Sonne um die Erde. Ebenso wird die aristotelische Zweiteilung der Physik in eine Welt über und unter dem Mond von ihm in Frage gestellt, die Relativität aller Bewegungszuschreibungen erkannt und ein Koordinatensystem eingeführt, das quantitativ genaue Beschreibungen qualitativer Veränderungen erlaubt. Im Gefolge dieser Ansätze steht zu Anfang des 15. Jahrhunderts z. B. Biagio Pelacani da Parma, zur Mitte des 15. Jahrhunderts beispielsweise Nikolaus von Kues, dessen Versuche mit der Waage quantitative Verfahren für die Medizin beschreiben und als exemplarisch für die Interessen der Frührenaissance gelten können.Unter den Naturforschern der Renaissance hat sich der wohl bekannteste unter ihnen, Leonardo da Vinci, vor allem aus praktischen Motiven als Maler und Ingenieur für Optik, Wasserbewegungen, Kraftübertragung und Vogelflug interessiert und dabei genaue Beobachtungen der Natur durchführt.William Gilbert begründete mit seinen Experimenten die Lehre des Magnetismus und der Elektrostatik und konnte als erster zeigen, dass es sich dabei um verschiedene Phänomene handelte.

Außerdem war er der erste, der die Gestalt des Erdmagnetfeldes richtig erkannte.Die Überwindung von bisher vorherrschenden Vorstellungen begann in der Astronomie der Neuzeit mit Nikolaus Kopernikus (De revolutionibus orbium coelestium, 1543) und dem heliozentrischen Weltbild. Unterstützung fand dieses Modell, nachdem Johannes Kepler das Beobachtungsmaterial von Tycho Brahe ausgewertet hatte und insbesondere Galileo Galilei mit dem Fernrohr die beobachtende Astronomie revolutionierte.In der Mechanik war René Descartes einer der Ersten, die sich von aristotelischen Vorstellungen abwandten und versuchten, Bewegungen von Körpern allein mit der Kraft des Verstandes zu ergründen und rational zu beschreiben. Im Gegensatz zu ihm vertrat Galilei jedoch eine Schule, die ihre Schlussfolgerungen nicht nur auf logisches Schließen, sondern vor allem auch auf reproduzierbare Beobachtungen und Experimente aufbaut. Erst dadurch entwickelte sich die Physik von der Naturphilosophie zu einer modernen Naturwissenschaft. Galilei erkannte, dass sich alle Körper auf der Erde nach denselben Gesetzen bewegen, die mathematisch formuliert und experimentell überprüft werden können. Zu seinen Entdeckungen gehört das Gesetz des freien Falls, das im Widerspruch zur Lehre des Aristoteles stand, ebenso wie eine Formulierung des Trägheitsgesetzes, die Wurfparabel und das Pendelgesetz.

Galilei wirkte mit seiner Vorstellung der Physik als experimenteller Wissenschaft schulbildend, so in der Erforschung des Luftdrucks und der Natur des Vakuums (von Evangelista Torricelli über Blaise Pascal zu Otto von Guericke). Robert Boyle erforschte im 17. Jahrhundert die Gasgesetze und Christiaan Huygens baute schon von Galilei vorgeschlagene Pendeluhren, fand die Zentrifugalkraft und verwendete bei Betrachtung des elastischen Stoßes ein Relativitätsprinzip.Die Grundlagen der klassischen Mechanik wurden 1688 im Wesentlichen von Isaac Newton in seinem Hauptwerk Philosophiae Naturalis Principia Mathematica begründet und formuliert (Newtonsche Gesetze). Hauptziel war zunächst die Erklärung der Keplerschen Gesetze der Himmelsmechanik aus einem universellen Gravitationsgesetz, das sowohl auf der Erde als auch für die Himmelskörper gilt. Eine experimentelle Bestätigung im Labor sowie eine Bestimmung der Gravitationskonstante gelang jedoch erst Henry Cavendish über 100 Jahre später. Newton wandte seine Gesetze der Mechanik aber auch schon zum Beispiel auf die Theorie der Flüssigkeiten an.Newton nimmt insgesamt eine überragende Stellung in der Geschichte der Physik und in der Mathematisierung der Naturwissenschaften ein. Er leistete auch wichtige Beiträge zur Optik (Spiegelteleskop, Prisma) und vertrat im Gegensatz zu Christiaan Huygens (Wellenoptik) eine Korpuskulartheorie des Lichts.Die in der Formulierung der Mechanik benutzte, von Newton und unabhängig von Gottfried Wilhelm Leibniz erfundene Infinitesimalrechnung wurde ebenso wie die Mechanik insbesondere auf dem europäischen Kontinent ausgebaut, nachdem sich die britischen Mathematiker unter anderem in Folge des Prioritätsstreits zwischen Newton und Leibniz isoliert hatten.

Differentialgleichungen bildeten danach die Grundlage für die Formulierung vieler Naturgesetze.Mathematiker und Physiker wie Daniel Bernoulli, Jean-Baptiste le Rond d’Alembert, Leonhard Euler, Joseph-Louis Lagrange (Mécanique analytique 1788, Lagrange-Formalismus) und Pierre-Simon Laplace (dessen Werk als Höhepunkt der Entwicklung der Himmelsmechanik galt) entwickelten die Mechanik auf dem Kontinent wesentlich weiter unter anderem mit Verwendung von Variationsprinzipien (Prinzip der kleinsten Wirkung). Insbesondere Frankreich dominierte Ende des 18. Jahrhunderts auf dem Gebiet der theoretischen Physik, wobei die treibenden Kräfte vielfach noch in der theoretischen Astronomie (Himmelsmechanik) lagen und die Grenzen zwischen theoretischen Physikern und Mathematikern noch nicht so wie im späteren 20. Jahrhundert bestanden.Das 18. Jahrhundert sah auch eine vielfältige Beschäftigung mit dem Phänomenen der Elektrizität. Spannungsgeneratoren (Elektrisiermaschinen) und Kondensatoren in Form Leidener Flaschen fanden weite Verbreitung in den physikalischen Kabinetten des Barocks. Reproduzierbare quantitative Ergebnisse ergaben sich nach Einführung der Batterie durch Alessandro Volta (um 1800). Gegen Ende des Jahrhunderts formulierte Charles-Augustin de Coulomb die Gesetze der Elektrostatik.

Das 19. Jahrhundert ist insbesondere durch die Entwicklung der Gesetze der Thermodynamik und die Entwicklung des Feldkonzepts auf dem Gebiet der Elektrodynamik, gipfelnd in den Maxwellschen Gleichungen, gekennzeichnet.Die Grundlagen der Thermodynamik wurden durch Sadi Carnot 1824 gelegt, der Kreisprozesse mit idealisierten Wärmekraftmaschinen betrachtete. Dabei wurde auch das Energiekonzept und das Konzept der Energieerhaltung herausgearbeitet, unter anderem in Arbeiten von Julius Robert von Mayer, den Experimenten von James Prescott Joule (experimentelle Messung des Wärmeäquivalents von Arbeit), durch Rudolf Clausius, von dem auch Entropie-Begriff und 2. Hauptsatz der Thermodynamik stammen, Lord Kelvin und Hermann von Helmholtz. Eine mikroskopische Interpretation der Thermodynamik als statistische Theorie von Ensembles, die Gesetzen der klassischen Mechanik gehorchen, erfuhr die Thermodynamik in der statistischen Mechanik, die insbesondere von James Clerk Maxwell, Josiah Willard Gibbs und Ludwig Boltzmann begründet wurde. Max Planck und Albert Einstein, die Anfang des 20. Jahrhunderts die moderne Physik wesentlich begründeten, waren noch als Spezialisten in der Thermodynamik und statistischen Mechanik ausgebildet und machten sich zunächst auf diesen Gebieten einen Namen.Aus Betrachtungen zur Wärmeleitung gewann Joseph Fourier die für die theoretische Physik grundlegende Methode der Fourieranalyse.

Fortschritte in der Kontinuumsmechanik wurden in der Formulierung der Navier-Stokes-Gleichungen als Erweiterung der Eulergleichungen idealer Flüssigkeiten erbracht sowie in den Untersuchungen zur Turbulenz durch Osborne Reynolds. Das 19. Jahrhundert brachte auch wesentliche Fortschritte auf dem Gebiet der Technischen Mechanik, der Elastizitätstheorie und der Akustik (Wellenphänomene wie der Doppler-Effekt nach Christian Doppler).Die Grundlagen der Elektrodynamik legten Hans Christian Ørsted (Zusammenhang von Elektrizität (Strom) und Magnetismus), André-Marie Ampère und Michael Faraday (Elektromagnetische Induktion, Feldkonzepte). Zusammengefasst und in einer einheitlichen Nahwirkungstheorie wurde die Elektrodynamik von James Clerk Maxwell beschrieben. Er lieferte damit auch eine elektromagnetische Theorie des Lichts (die Wellennatur des Lichts hatte sich schon Anfang des Jahrhunderts mit Thomas Young und Augustin Jean Fresnel durchgesetzt). Wesentliche Anteile an der Ausarbeitung hatten danach Oliver Heaviside und Heinrich Hertz, der als Erster elektromagnetische Wellen nachwies. Maxwell ging – wie auch die meisten anderen Physiker seiner Zeit – davon aus, dass sich die elektromagnetischen Wellen in einem Medium ausbreiten, das den gesamten Raum ausfüllt, dem Äther. Alle Versuche, diesen Äther experimentell nachzuweisen, insbesondere das Michelson-Morley-Experiment, schlugen jedoch fehl, weshalb die Äther-Hypothese später fallen gelassen werden musste.Maxwell war einer der herausragenden Vertreter der theoretischen Physik, die im 19. Jahrhundert aus Großbritannien kamen und das Land im 19. Jahrhundert führend in der Physik machten. Zu ihnen gehörte auch William Rowan Hamilton, der eine später in der Quantenmechanik einflussreiche neue Formulierung von Mechanik und geometrischer Optik fand (Hamiltonsche Mechanik), Lord Kelvin und Lord Rayleigh (Theory of Sound).

In Deutschland war Hermann von Helmholtz in Berlin die dominierende Persönlichkeit in der Physik mit Beiträgen auf den unterschiedlichsten Gebieten.Insgesamt breitete sich gegen Ende des 19. Jahrhunderts die Vorstellung aus, die Physik wäre mehr oder weniger abgeschlossen, es gebe nichts Neues mehr zu entdecken. Im Nachhinein zeigten sich aber schon damals einige deutliche Hinweise, dass dem nicht so war. Die Erklärung der in der Spektralanalyse (Joseph von Fraunhofer, Gustav Robert Kirchhoff, Robert Bunsen) gefundenen Regelmäßigkeiten der Spektren und deren Beeinflussbarkeit durch Magnetfelder im Zeemaneffekt (ein Hinweis auf Elektronen in Atomen), Hinweise auf den atomaren Aufbau der Materie und sich daraus ergebende Regelmäßigkeiten in der Chemie (wobei es Ende des 19. Jahrhunderts auch einflussreiche Gegner des Atomismus gab), die Entdeckung des Elektrons und damit verbunden die Frage der Stabilität der Atome, die ungeklärte Frage der Herkunft der Sonnenenergie und die Entdeckung der Radioaktivität.Verborgen in der Struktur der Maxwellgleichungen war auch die Relativitätstheorie, wie sich aus Untersuchungen der Elektrodynamik bewegter Körper von Hendrik Antoon Lorentz und Henri Poincaré andeutete und die Albert Einstein im folgenden Jahrhundert in voller Tragweite erkannte.

Das 20. Jahrhundert begann mit der Entdeckung der beiden grundlegenden Säulen der modernen Physik, der Quantentheorie durch Max Planck (1900) und der Relativitätstheorie durch Albert Einstein. Beide Theorien führten zu einer grundlegenden Umgestaltung der Physik.Auf experimenteller Seite war einerseits die Entdeckung der Radioaktivität Ende des 19. Jahrhunderts (Henri Becquerel) und deren Erforschung Anfang des 20. Jahrhunderts durch Marie Curie von ausschlaggebender Bedeutung, gefolgt von der Entdeckung des Atomkerns durch Ernest Rutherford (Rutherford-Streuversuch). Als erstes Elementarteilchen war noch im 19. Jahrhundert das Elektron in Kathodenstrahlen entdeckt worden (J. J. Thomson). Ein wichtiger Fortschritt war auch die Untersuchung bisher nicht bekannter Teile des elektromagnetischen Spektrums mit der Entdeckung der Röntgenstrahlung durch Wilhelm Conrad Röntgen, mit großen Auswirkungen auf die Medizin und die mikroskopische Untersuchung von Festkörpern (Max von Laue, William Henry Bragg, William Lawrence Bragg).Die spezielle Relativitätstheorie (SRT) wurde nach Vorarbeiten von Hendrik Antoon Lorentz und Henri Poincaré durch Albert Einstein begründet. Er erkannte als erster ihre volle Tragweite. Durch die postulierte Gleichberechtigung aller Beobachter (Relativitätsprinzip) und durch die Invarianz der Lichtgeschwindigkeit, war es notwendig geworden, Raum und Zeit neu zu definieren. Beide Größen waren nach der SRT nicht mehr absolut, sondern von der Wahl des Bezugssystems abhängig. An die Stelle der Galilei-Transformation trat nun die Lorentz-Transformation.Die ebenfalls von Einstein begründete allgemeine Relativitätstheorie (ART) dehnte die Erkenntnisse der SRT auf Nicht-Inertialsysteme aus. Demnach sind Gravitationswirkungen und Trägheitskräfte zueinander vollkommen äquivalent. Daraus folgte sowohl die Gleichheit von schwerer und träger Masse als auch die Krümmung der Raumzeit.

Die noch in der klassischen Physik stillschweigend als zutreffend angesehene euklidische Geometrie des Raumes erwies sich nun als nicht mehr tragfähig. Die ART fand schon bald nach dem Ersten Weltkrieg Bestätigung in Beobachtungen (Lichtablenkung am Rand der Sonne bei Sonnenfinsternis, Arthur Eddington) und die darin formulierten Kosmologischen Modelle (Friedmann, Georges Lemaître) in der Entdeckung der Expansion des Universums (Edwin Hubble).Die Quantentheorie hat ihre Wurzeln in der Quantenhypothese, mit der es Max Planck gelang, das Spektrum der Wärmestrahlung des Schwarzen Körpers durch das Plancksches Strahlungsgesetz zu erklären: Planck nahm an, dass die Materie Strahlung nicht kontinuierlich, sondern in kleinen „Portionen“ – Quanten – absorbiert und emittiert. Albert Einstein schloss daraus auf den Teilchencharakter des Lichts (Photon) und erklärte damit den Photoeffekt, der schon im 19. Jahrhundert von Wilhelm Hallwachs entdeckt worden war. Der Teilchencharakter des Lichts stand in krassem Widerspruch zu der Wellentheorie des Lichts, die sich bisher ausgezeichnet bewährt hatte. Louis de Broglie ging später sogar noch einen Schritt weiter und postulierte, dass dieser Welle-Teilchen-Dualismus nicht nur eine Eigenschaft des Lichts sei, sondern ein Grundprinzip der Natur. Daher schrieb er auch der Materie einen Wellencharakter zu. Niels Bohr, Arnold Sommerfeld und andere entwickelten das halbklassische Bohrsche Atommodell mit quantisierten Energien, das eine erste plausible Erklärung für die Linienspektren der Atome gab. Die ältere Quantentheorie erwies sich bald insbesondere in der Erklärung komplexer Spektren als ungenügend. Um 1925 wurde durch Werner Heisenberg, Max Born (von dem die statistische Interpretation der Wellenfunktion stammt), Pascual Jordan und Wolfgang Pauli die Matrizenmechanik entwickelt. Hier wurden die Quantisierungserscheinungen durch die Nichtvertauschbarkeit der den grundlegenden Messgrößen wie Impuls und Ort zugeordneten Operatoren erklärt.