Das Stern-Gerlach-Experiment: Quantenphysik aus Frankfurt

Manche der wichtigsten Experimente der Physikgeschichte fanden nicht in großen Forschungszentren statt, sondern in bescheidenen Räumen. Eines davon gelang 1922 in Frankfurt – ein Versuch, so grundlegend, dass er bis heute in jedem Physiklehrbuch der Welt steht: das Stern-Gerlach-Experiment.

Silberatome im Magnetfeld

Otto Stern und Walther Gerlach, damals beide an der jungen Universität Frankfurt, wollten eine kühne Vorhersage der Quantentheorie auf die Probe stellen. Nach dem Atommodell von Niels Bohr und Arnold Sommerfeld sollten sich Atome in einem Magnetfeld nicht beliebig ausrichten dürfen, sondern nur in wenige, streng festgelegte Richtungen – eine Idee, die der Alltagserfahrung völlig widersprach. Viele Physiker hielten diese Richtungsquantelung ohnehin für eine bloße Rechengröße, nicht für etwas, das man je würde sehen können.

Der Aufbau war heikel. In einem kleinen Ofen verdampften die Forscher Silber, bis ein feiner Atomstrahl austrat. Der Ofen glühte dabei bei rund tausend Grad. Blenden formten ihn zu einem hauchdünnen Bündel, das durch eine sorgfältig evakuierte Apparatur flog – schon einzelne Luftmoleküle hätten die Silberatome aus der Bahn geworfen. Das Herzstück war ein eigens geformter Magnet, dessen Pole ein stark inhomogenes Magnetfeld erzeugten: Nur ein Feld, das sich im Raum verändert, lenkt die winzigen magnetischen Momente der Atome messbar ab. Monatelang kämpften die beiden mit Undichtigkeiten, wandernden Strahlen und einem quälend schwachen Signal, ehe die Apparatur zuverlässig lief.

Nach der klassischen Physik hätte sich auf der Auffangplatte ein einziger, verschmierter Streifen zeigen müssen – die Atome könnten in jede beliebige Richtung weisen. Stattdessen teilte sich der Silberstrahl in zwei klar getrennte Linien. Zwischen ihnen klaffte eine deutliche Lücke – kein Zufall, kein Messfehler.

Zwei feine Linien auf einer Glasplatte – mehr brauchte es nicht, um die klassische Physik zu erschüttern.

Die Redaktion

Das war eine Sensation. Der Versuch belegte, dass bestimmte Größen in der Welt der Atome keine beliebigen Werte annehmen, sondern nur ganz bestimmte – die Natur rastet gewissermaßen ein. Man nannte es Richtungsquantelung, und in den Zentren der neuen Physik, von Göttingen bis Kopenhagen, wurde das Ergebnis mit Spannung aufgenommen. Die junge Quantenphysik hatte einen ihrer ersten handfesten, mit bloßem Auge sichtbaren Belege.

Eine Frankfurter Anekdote

Zur Geschichte gehört eine Episode, die zu gut ist, um sie auszulassen. Die Silberablagerung auf der Platte sei zunächst kaum zu erkennen gewesen, so erzählte es Stern später, bis sie sich unter dem Schwefel aus seinen billigen Zigarren dunkel verfärbte – erst das Silbersulfid ließ die entscheidende Doppellinie hervortreten. Ob genau so oder nicht: Der Durchbruch gelang in den Räumen des Physikalischen Vereins, jener bürgerlichen Wissenschaftsgesellschaft, die das Forschungsleben der Stadt seit dem 19. Jahrhundert trägt. Die noch junge Frankfurter Stiftungsuniversität war erst 1914 gegründet worden.

Otto Stern erhielt für seine Forschung 1943 den Nobelpreis für Physik – gewürdigt wurde vor allem die von ihm entwickelte Molekularstrahlmethode, die schon dem Frankfurter Versuch zugrunde lag. Da forschte er längst nicht mehr in Deutschland. Wie so viele jüdische Wissenschaftler verlor Stern nach 1933 seine Stellung und emigrierte in die USA; Walther Gerlach dagegen, der nicht verfolgt wurde, blieb im Land und lehrte weiter. Das Experiment, das Frankfurt weltberühmt machte, entstand also in einer Stadt, die einen seiner Urheber, Otto Stern, gut ein Jahrzehnt später vertrieb.

Warum das bis heute zählt

Erst Jahre später wurde klar, was die zwei Linien wirklich bedeuteten. Was Stern und Gerlach gemessen hatten, war der Spin des Elektrons – eine Art Eigendrehimpuls, der nur zwei Einstellungen kennt und zu den grundlegendsten Eigenschaften der Materie gehört. Die Ironie dabei: Stern und Gerlach sahen darin zunächst eine Bestätigung des Bohr-Sommerfeld-Bildes. Dass in Wahrheit der Elektronenspin die Aufspaltung verursacht, wurde erst 1925 verstanden – die richtige Deutung folgte dem richtigen Ergebnis mit Jahren Verspätung.

Genau deshalb ist der Stern-Gerlach-Versuch nicht bloß Wissenschaftsgeschichte. Die Idee, dass sich der Zustand eines Teilchens in klar getrennte Möglichkeiten aufspaltet, steht am Anfang von Technologien, die gerade erst entstehen – von hochpräzisen Messgeräten und Atomuhren bis zu den Grundlagen des Quantencomputers. Frankfurt ist der Atomphysik verbunden geblieben: Am naturwissenschaftlichen Campus Riedberg der Goethe-Universität wird bis heute zu Atomen, Molekülen und Quantenphänomenen geforscht. Eine schlichte Gedenktafel an der Robert-Mayer-Straße erinnert an den Durchbruch, ein leicht zu übersehendes Zeugnis dafür, dass Frankfurt nicht nur Geld zählte, sondern auch einmal die Quanten sichtbar machte.

Wer das nächste Mal von Quantencomputern liest, darf also ruhig an Frankfurt denken. Hier begann, ganz handfest und mit einem Strahl aus Silberatomen, eine Physik, die die Welt bis heute nicht loslässt. ■