Erst Bohr hat mit seinem Welle-Teilchen-Dualismus die philosophischen Konsequenzen des Wirkungsquantums erkannt.
Im Bereich atomarer Dimensionen können sich Teilchen, wie z.B. Elektronen oder Neutronen, je nach experimenteller Situation, wie Welle oder Teilchen verhalten.

De Broglie hat dann in seiner Doktorarbeit diesen Dualismus in eine kompakte, elegante Formel gefaßt.

Wellenlänge = h / Teilchenimpuls lambda = h / mv

Dieser Sachverhalt war den Professoren seiner Zeit so fremd, daß er fast durch die Doktorprüfung gefallen wäre

Werner Heisenberg ging noch einen Schritt weiter. Er hat auf der Basis des Wirkungsquantums seine berühmte Unschärferelation formuliert :

E * t > h und p * x > h

Sie besagt, daß für das Messen immer kleinerer Zeitintervalle und immer kleinerer Raumabstände immer größere Energien und Impulse benötigt werden.

Oder kürzer gesagt, in der Physik ist es nicht möglich, beliebig genau zu messen.

Die Unschärferelation verwandelt das Vakuum in ein brodelndes Meer ständig entstehender und wieder verschwindender Teilchen und Antiteilchen, die der Beobachtung nicht zugänglich sind. Sie sind virtuell. Je kleiner die Zeitintervalle sind, die die Unbestimmtheitsrelation zuläßt, umso größer sind die Energien der virtuellen Teilchen.

Heisenberg wandte das Quantenprinzip auf die empirischen Werte der Spektren des Wasserstoffatoms an und konnte mit seiner Matrizenmechanik die Energieeigenwerte des Waserstoffatomes berechnen.

Einen eleganteren Weg zur Quantenmechanik entwickelte dann Schrödinger mit seiner berühmten Schrödinger-Gleichung, indem er die Gleichung von de Broglie auf die Energiespektren des Wasserstoffatoms anwandte. Die Elektronenwellen geben demnach die Aufenthaltswahrscheinlichkeit der Elektronen in den Elektronenschalen wieder.

Dirac verknüpfte die Quantenmechanik mit der Relativitätstheorie und entdeckte damit die Antimaterie und gab dem Spin seinen Sinn.

Anschließend wurde das Quantenprinzip auf die Elektrodynamik angewandt und in den 40-iger Jahren die Quantenelektrodynamik geschaffen , die die Berechnung von physikalischen Werten mit enormer Präzision erlaubte. Diese Theorie beruht auf der ganz neuen Sichtweise des Vakuums, als brodelndes Quantenvakuum.

Was zeichnet Männer wie Max Planck aus ?

Es ist ihr Instinkt. Sie erkennen ein Problem, wenn die Ergebnisse sorgfältig ausgeführter Experimente mit den gängigen Theorien nicht mehr übereinstimmen. Sie lassen nicht locker, eine Lösung des Problems zu finden. Dabei hilft Ihnen ihre Erfahrung und ihre Kreativität. Sie finden die Lösung in einem Augenblick der Eingebung und arbeiten mit bewundernswerter Zähigkeit und mit enormen Fleiss die Konsequenzen ihrer neuen Theorie aus. Und dann gehört noch die Standfestigkeit dazu, sich gegen Widersacher durchzusetzen.

Die Leistungen dieser Männer lassen sich meist in eine kompakte Formel packen. Denken wir nur an die Formel von Einstein E= mc² oder Heisenbergsche Unbestimmtheitsrelationen E t > h und p x > h oder die Maxwellsche Gleichung in ihrer kompakten vierdimensionalen Lagrange-Form.

Den Durchbruch von Max Planck läßt sich in die Formel fassen : h ungleich limes 0 .

Welches Problem beschäftigte die Wissenschaftler am Ende des 19.- Jahrhunderts ?

An der Berliner Reichsanstalt wurde das elektromagnetische Spektrum der Schwarzen Strahlers bei verschiedenen Temperaturen mit hoher Präzision vermessen. Es gab zwei Gesetze, die die experimentellen Daten der Strahlungsenergien bei niedrigen Frequenzen und bei hohen Frequenzen abbildeten, das Jeans-Rayleighsche Gesetz und das Wiensche Gesetz. Die Strahlungsenergien bei mittleren Frequenzen konnten nicht abgebildet werden. Man sprach damals von der Ultraviolett- Katastrophe. Das war der Widerspruch, der über einige Jahre die intelligentesten Köpfe seiner Zeit beschäftigte.

Bei der experimentell ermittelten Kurve handelte es sich um eine Kurve, die der Maxwellschen Geschwindigkeits-Gleichverteilungskurve aus der Statistischen Mechanik nahe kam. Diese Kurve wird durch eine e-Funktion wiedergegeben. Die Statistische Mechanik wurde von Boltzmann begründet. Maxwell leistete hierzu wichtige Beiträge. Boltzmanns Atomhypothese und seine Wahrscheinlichkeitsrechnungen waren lange Zeit umstritten. Auch Max Planck konnte sich mit der Theorie Boltzmanns nicht anfreunden.

Einige Jahre nach Plancks Entdeckung schickte ein gewisser Herr Bose aus Indien einen Brief an Albert Einstein. Er behandelte die thermische Strahlung als Photonengas und konnte damit mit Hilfe statistischer Gesetze die Plancksche Strahlungsformel herleiten. Einstein war begeistert und ließ die Herleitung veröffentlichen. Einstein wandte die Bose- Statistik auf einatomige Gase an und kam zu ähnlichen Ergebnissen . Er sagte bei niedrigen Temperaturen das Bose-Einstein- Kondensat voraus , das erst in letzter Zeit durch das Experiment nachgewiesen werden konnte.

Das Strahlungsspektrum des Schwarzen Körpers bekam neue Aktualität mit der Entdeckung der Hintergrundstrahlung. Als der kosmische Ursprung des Mikrowellenrauschens zweifelsfrei geklärt war, setzte man alles daran, das Frequenzspektrum außerhalb der Erdatmosphäre zu vermessen. Das Hubble- Weltraumteleskop lieferte sensationelle Ergebnisse. Das Strahlungsspektrum entsprach dem eines Schwarzen Strahlers mit einer zugehörigen Temperatur von 2.7 K. Das Weltall hat sich also seit dem Urknall bis auf diese Temperatur abgekühlt.

Und man ging einen Schritt weiter und begriff die kosmische Temperatur als eine neue 5. Dimension. Der Temperaturgradient soll Aufschluß geben über die Verteilung von Materie und Energie in Raum und Zeit. Kleinste Temperaturunterschiede wurden in Farben umgerechnet. Die Bilder mit der Verteilung der Galaxien gingen um die Welt. Das Nachfolge-Teleskop soll das Temperaturfeld noch feiner auflösen. Der Mensch erforscht die 5. Dimension .

Nach dem Wienschen Verschiebungsgesetz wird jeder Temperatur des Strahlungsspektrum die Wellenlänge mit der maximalen Strahlungsenergiedichte zugeordnet. Interessant ist, dass der Sonne mit einer Oberflächentemperatur von 5800 °K die Wellenlänge 500 nm zuzuordnen ist . Das ist grün im optischen Spektralbereich. Grün ist die Farbe des Lebens. Unser Sehsinn ist in diesem Spektralbereich hoch empfindlich und kann feinste Farb-Schattierungen unterscheiden. Pflanzen als biologische Sollarkollektoren haben in diesem Spektralbereich die höchste Effizienz , Lichtenergie in chemische Energie umzuwandeln.
Die Sonne strahlt mit ihrem Spektrum wie ein Schwarzer Körper.
Der Erde mit einer Oberflächentemperatur von 300 °K wird als Schwarzer Körper eine
Mikrowellenlänge von >15 my zugeordnet . Das ist die Größenordnung biologischer Zellen. Das Licht der Sonne, das auf die Erdoberfläche fällt , regt organische Moleküle im Wasser im Raumbereich von > 15 my zum Schwingen an , Moleküle mit Doppelbindungssystemen, die im grünen Spektralbereich Licht besonders effizient absorbieren und emittieren . Satellitenfotos in Spiegel-Online zeigen, wie sich vor der Küste Schottlands infolge von intensiver Sonneneinstrahlung grüne Algen mit enormer Geschwindigkeit ausbreiten. Die Kehrseite: Sie verbrauchen bei Ihrem orbitanten Wachstum viel Sauerstoff und bringen Vegetation und Fauna des Meeres zum Kippen.

Wir haben im System dreier Schwarzer Körper eine gewaltige Photonenmühle. Die Erde empfängt die Schwarzkörperstrahlung der Sonne. Sie hat bei 500 nm ( grün) ihre höchste Energieintensität. Sie regt das Wasser im Infrarotbereich bei >15 my zum Oszillieren an . Die Erdoberfläche hat dann die Möglichkeit , Entropie in Form von langwelliger Abfall-Strahlung an den 2.7 °K kalte Umgebung des Weltalls abzugeben. Damit begann der Kreislauf des Lebens.

Mit der Entdeckung der mathematischen Formel für das Strahlungsspektrum des Schwarzen Körpers gelang Max Planck die Synthese zwischen der Thermodynamik und der Quantentheorie, die damals erst ihren Anfang nahm. Die beeindruckende Entwicklung der Quantentheorie und ihre Umsetzung in Produkte des täglichen Bedarfs im gesamten letzen Jahrhundert hat diesen Zusammenhang aus dem Blickfeld geraten lassen. Das lag vor allem daran, daß die Quantentheorie sich unter isothermen Bedingungen entwickelte, so daß die konstante Temperatur als 5. Dimension nicht in Erscheinung trat. Computer mussten in ihrer Anfangszeit in klimatisierten Räumen auf konstante Raumtemperatur gehalten werden , damit sie ihre vielfältigen Aufgaben erfüllen konnten.

Erst wenn bei der Darstellung der Strahlungskurve des Schwarzen Körpers die Temperatur-Dimension nicht nur ansatzweise, sondern vollständig mit einbezogen wird , wird der Wissenshorizont erweitert werden. Dann wird man erkennen, daß nicht nur das Wirkungsquantum h sondern auch die Boltzmannkonstante k den Quantenprinzipien unterliegt. Beide Konstanten treten in der Exponentialfunktion der Planckschen Strahlungskurve auf, wobei der Entropiekonstanten k nur eine geringe Bedeutung zugemessen wird.

Gerade ist man dabei die kosmische Temperatur als weitere Dimension zu erkennen und zu begreifen.

Karl Trincher hat mit seinen Untersuchungen an Muskelzellen in Nährmedien diesen Zusammenhang zwischen Thermodynamik und Quantentheorie im Auge behalten. Er definierte h / k als biothermodynamische Konstante. Mit seiner Lebensformel t T = h/ k entdeckte er einen einfachen Zusammenhang zwischen der Arbeitszyklusdauer der Zelle und dem Temperaturunterschied, den die Zelle aufrechterhalten muss, damit Entropie als Abfallwärme an die Umgebung abgegeben werden kann, und Strukturen innerhalb der Zelle gegen die Wärmedissipation aufrechterhalten werden können.

Man wird dann erkennen, daß die Planckschen Strahlungkurven in der Temperaturdimension nicht kontinuierlich aneinandergereiht werden können, so dass es auch dort Sprünge an den Phasengrenzen des Vakuums geben wird, Sprünge , die ein neues Quantenprinzip offenbaren. Ein solcher Quantensprung wird mit dem Ursprung der Masse in Verbindung gebracht werden können. Die einleuchtende und nachvollziehbare Erklärung des Ursprungs der Masse ist das brennende Thema der Physik am Anfang des 21. Jahrhunderts. Mag sein, daß das Plancksche Strahlungsgesetz noch tiefgründiger ist, als es jetzt schon ist.

Die präzisen experimentellen Ergebnisse stimmten bei hohen Wellenlängen und bei hohen Temperaturen nicht mehr mit dem Wienschen Gesetz überein. Das Wiensche Gesetz musste korrigiert werden. Max Planck fügte zur Exponentialfunktion empirisch +1 hinzu und erhielt plötzlich eine genaue Übereinstimmung der experimentell ermittelten mit den berechneten Werten. Das war der Durchbruch. Er veröffentlichte die leicht modifizierte Wiensche Formel in einer englischen Zeitschrift.

Es mussten nun die philosophischen Grundlagen der neuen Gleichung gefunden werden.

In den folgenden Wochen analysierte Planck die 2 Konstanten des Wienschen Gesetzes und ersetzte sie durch die Naturkonstanten k,pi und c. Dabei musste er die Frequenz mit einer Konstanten verknüpfen, die die Dimension einer Wirkung = Energie x Zeit hatte. Aus den experimentellen Werten konnte er diese Konstante, die er h nannte, ziemlich genau bestimmen. Seine neue Strahlungsformel stellte er dann im Dezember 1900 einem breiten Fachpublikum vor.
Sie machte ihn schnell berühmt, weil er ein Jahrzehnte altes Problem auf elegante Art und Weise lösen konnte. Seine Konstante h stellte sich dann in den folgenden Jahren als eine universelle Naturkonstante heraus.