Josef Georg Huber WALTHER GERLACH (1889 – 1979) und sein Weg zum erfolgreichen Experimentalphysiker bis etwa 1925 Dissertation an der Fakultät für Mathematik, Informatik und Statistik der Ludwig-Maximilians-Universität München vorgelegt am 6. August 2014 2 Gutachter: 1. Gutachter: Prof. Dr. Menso Folkerts, Fak. f. Mathematik, Informatik u. Statistik 2. Gutachter: Prof. Dr. Martin Faessler, Fakultät für Physik Ausw. Gutachter: Prof. Dr. Peter Heering, Europa-Universität Flensburg Tag der mündlichen Prüfung: 15. 12. 2014 3 4 INHALT 4 Vorwort 8 1 Formung der Persönlichkeit in Elternhaus und Schule (1889 – 1908) 14 1.1 Kindheit und Familie 14 1.1.1 Intensive Förderung im Elternhaus 14 1.1.2 Namensgebung und das Verhältnis zur Religion 19 1.2 Jugend und Schule 22 1.2.1 Erste Erfahrungen an Mittelschule und Gymnasium 22 1.2.2 Probleme zwischen Eltern und Schule 25 1.2.3 Selbständigkeit und Reife 31 1.3 Person und Persönlichkeit - eine einführende Skizze 36 2 Der Weg zum Physiker (1908 – 1912) 40 2.1 Studium 40 2.1.1 Einfluss der Eltern und Rolle des Corps Borussia 40 2.1.2 Wechsel von Philosophie und Mathematik zur Physik 47 2.1.3 Prägende Lehrer und wichtige Kollegen 53 2.2 FRIEDRICH PASCHEN (1865 – 1947) - der Doktorvater 55 2.2.1 Werdegang eines Präzisionsphysikers 55 2.2.2 Herausragende Leistungen auf mehreren Gebieten 57 2.2.3 Würdigungen der Beiträge PASCHENs zur Physik 58 2.3 Promotion 62 2.3.1 Die Lage der Physik um 1910 und das Thema der Dissertation 62 2.3.2 Aufbau und Durchführung der Experimente 66 2.3.3 Beurteilung der Arbeit durch PASCHEN und Reaktion der Eltern 72 2.4 Auseinandersetzung um das Messverfahren 75 2.4.1 Einleitung und Überblick 75 2.4.2 Vorspiel: Meinungsverschiedenheit zwischen PASCHEN und KURLBAUM 76 2.4.3 Zurückweisung der Kritik VALENTINERs durch GERLACH 77 2.4.4 Kritik an der Argumentation GERLACHs durch KURLBAUM und VALENTINER 86 2.4.5 Bedenken von COBLENTZ gegen die Messmethode GERLACHs 90 2.4.6 Weitere Anwendungen der Messmethode GERLACHs 94 3 Assistentenzeit (1912 - 1916) 98 3.1 Das Leben außerhalb des Instituts 98 3.1.1 Als Student und junger Wissenschaftler in Tübingen 98 3.1.2 Eine Reise ins Ruhrgebiet 101 3.1.3 Eine Reise nach Berlin 103 5 3.2 Die Arbeit im Institut 105 3.2.1 Schwierige Anstellung 105 3.2.2 Aufgaben als Assistent 108 3.2.3 Arbeiten bei PASCHEN 111 3.2.4 Ausländische Physiker am Institut 118 4 Zwei wichtige Kollegen in Tübingen (1908 - 1916) 121 4.1 RICHARD GANS (1880 – 1954) [I. Teil] 121 4.1.1 GERLACH als Schüler von GANS 121 4.1.2 GERLACH als Ansprechpartner von GANS in Dtld. 123 [II. Teil im Anhang!] 4.2 EDGAR MEYER (1879 – 1960) [I. Teil] 127 4.2.1 GERLACH als Mitarbeiter von MEYER 127 4.2.2 Fernbeziehung und Bruch 135 [II. Teil im Anhang!] 5 Wissenschaft und Krieg (1914 – 1920) 137 5.1 Auf dem Weg zum Hochschullehrer (Habilitation) 137 5.1.1 Eine Habilitation im Wettlauf mit dem Krieg 137 5.1.2 Habilitationsschrift 141 5.1.3 Fortsetzung der Diskussion der Strahlungskonstanten 150 5.1.4 Resümee und Ausblick 158 5.1.5 Auseinandersetzung mit PASCHEN 162 5.1.6 Umhabilitation nach Göttingen 166 5.2 Als Physiker im Krieg 171 5.2.1 Kriegspsychose und Wahnsinn 171 5.2.2 Kriegsbedingte Beschäftigung mit Röntgenstrahlen 173 5.2.3 Erste Einberufung und krankheitsbedingte Entlassung 179 5.2.4 Zweite Einberufung und Einsatz bis Kriegsende 180 5.3 Unterbrechung und Wiederaufnahme wissenschaftlicher Arbeit 188 5.4 Zwischenstation in den Farbenfabriken in Elberfeld 191 6 Die Situation der Physik in Frankfurt (1920 - 1921) 198 6.1 OTTO STERN und WALTHER GERLACH 198 6.1.1 MAX VON LAUE holt OTTO STERN nach Frankfurt 198 6.1.2 GERLACH zurück an der Universität – Zusammenarbeit mit BORN 199 6.2 WALTHER GERLACH und die Quantenphysik 206 6.3 Die Atomstrahl-Methode 212 6 7 Das STERN-GERLACH-Experiment (1921 - 1922) 219 7.1 Theoretische Grundlagen 219 7.2 Versuchsidee, Vorbereitung und Finanzierung 225 7.2.1 STERN entwickelt eine Versuchsidee 225 7.2.2 STERN gewinnt GERLACH als Mitarbeiter 226 7.2.3 Programm für den Nachweis der Richtungsquantelung 234 7.2.4 Finanzierung 236 7.3 Nachweis des magnetischen Moments der Silberatome 239 7.4 Nachweis der Richtungsquantelung 249 7.4.1 Erste Beobachtung der Richtungsquantelung bei Silberatomen 249 7.4.2 Bestimmung des magnetischen Moments der Silberatome 260 7.5 Reaktionen, Interpretationen und Bedeutung des SGE 263 7.5.1 Reaktionen auf den Nachweis der Richtungsquantelung 263 7.5.2 Erwartungen an das Experiment und Interpretation des Ergebnisses 266 7.6 Fortführung und Ende der Atomstrahlversuche 272 7.6.1 Weitere Versuche in Frankfurt und Molekularstrahl-Labor in Hamburg 272 7.6.2 Nobelpreis für OTTO STERN und Würdigung für WALTHER GERLACH 277 7.7 Die Apparatur 281 7.7.1 Die gemeinsame Apparatur von STERN und GERLACH in ihrer Entwicklung 282 7.7.2 Apparatur von GERLACH für die Untersuchung weiterer Elemente 299 7.7.3 Zusammenfassender Überblick über die Apparaturen I-V 311 8 Weitere Arbeiten in Frankfurt und Ruf nach Tübingen (1922 – 1924) 314 8.1 Die Messung des Strahlungsdrucks 314 8.2 Buch über ‚Materie - Elektrizität - Energie‘ 323 8.3 Viele Angebote und die Zusage für Tübingen 332 8.4 Ausblick - weitere Arbeiten 343 ANHANG 347 I. An die Kulturwelt 347 II. Übersicht über die Arbeiten in Elberfeld 349 III. Die entscheidenden Stufen für den Nachweis der Richtungsquantelung 352 IV. Die Umstände der Entdeckung der Richtungsquantelung (Vortrag) 354 V. Erinnerungen an O. STERN (Brief von W. GERLACH an F. HERNECK) 367 VI. [4.1 RICHARD GANS (1880 - 1954)] [Fortsetzung: II. Teil] 368 4.1.3 Gemeinsame Projekte 368 4.1.4 Verfolgung und Rettung 369 4.1.5 Keine gemeinsame Zukunft 378 7 VII. [4.2 EDGAR MEYER (1879 - 1960)] [Fortsetzung: II. Teil] 380 4.2.2 Fernbeziehung und Bruch [Forts.] 380 4.2.3 Schwierige Versöhnung 380 LITERATUR 387 ABBILDUNGEN 395 TABELLEN 397 PERSONEN 398 ZUSAMMENFASSUNG 417 SUMMARY 421 DANK 425 EHRENWÖRTLICHE VERSICHERUNG 426 8 Vorwort KURZE LEBENSBESCHREIBUNG von WALTHER GERLACH WALTHER GERLACH wurde am 1. August 1889 in Wiesbaden-Biebrich geboren und ist kurz nach seinem 90. Geburtstag am 10. August 1979 in München verstorben. Nach Meinung ARNOLD SOMMERFELDS war er der „weitaus tüchtigste und aktivste unter den jüngeren Experimentatoren”1. Neben der Bestimmung der Konstanten im STEFAN- BOLTZMANN-Gesetz, die Gegenstand von Dissertation und Habilitation bei FRIEDRICH PA- SCHEN in Tübingen war, beschäftigte er sich dort mit vielen anderen Themen, wie Magne- tismus, Röntgenstrahlen, Strahlungsdruck, Spektroskopie etc. Während des I. Weltkriegs diente er meist bei der ,Technischen Abteilung der Funker- truppen‘ (Tafunk) unter der Leitung von MAX WIEN, wo er Kontakt zu einer Reihe ande- rer Physiker wie GUSTAV HERTZ, WILHELM WESTPHAL, MAX BORN, JAMES FRANCK u.a. hatte. Daneben setzte er - soweit es die Umstände erlaubten - die Beschäftigung mit früheren physikalischen Themen fort. Nach einem kurzen Ausflug in die Industrie zu den Farbenwerken in Elberfeld kehrte er 1920 an die Universität zurück, als Assistent von RICHARD WACHSMUTH in Frankfurt. Dort entwickelte sich ein enges Verhältnis zu den Theoretikern MAX BORN, OTTO STERN, ALFRED LANDÉ und ERWIN MADELUNG. 1922 gelang ihm mit OTTO STERN der Nachweis der Rich- tungsquantelung, der später als ,STERN-GERLACH-Experiment‘ bekannt wurde und an des- sen experimenteller Durchführung WALTHER GERLACH maßgeblichen Anteil hatte. 1924 erhielt er einen Ruf an die Universität Tübingen, wo er Nachfolger seines Lehrers FRIEDRICH PASCHEN wurde. Er widmete sich dort vorwiegend spektrochemischen Verfah- ren und ferromagnetischen Arbeiten. 1929 folgte er einem Ruf an die Ludwig-Maximilians-Universität München, wo er bis zu seiner Emeritierung 1957 blieb und seinen Lebensabend verbrachte. Während des II. Weltkriegs wurde er im Oktober 1943 zum ,Leiter der Fachsparte Physik im Reichsfor- schungsrat‘ ernannt und zu Beginn des Jahres 1944 ,Bevollmächtigter des Reichsmar- schalls HERMANN GÖRING für Kernphysik‘. Am Ende des Krieges wurde er zusammen mit neun anderen Wissenschaftlern bis Januar 1946 in Farm Hall (England) interniert und bis einschließlich März 1948 in der englischen Besatzungszone festgehalten. Am 1. April kehrte er auf seinen Lehrstuhl an der LMU in München zurück und hatte vom 1. Oktober 1948 bis 1. September 1951 das Rektoramt inne. Er gehörte zu den Göttinger 18, einer Gruppe von angesehenen Atomforschern der Bundesrepublik Deutschland, die sich im April 1957 mit einem Manifest erfolgreich gegen die Aufrüstung der Bundeswehr mit Atomwaffen wandten und stattdessen für eine friedliche Nutzung der Kernenergie ein- traten. Weit über seinen engeren Forschungsbereich der reinen Physik hinaus galt sein Interes- se auch der Anwendung der Physik in der Technik, der Chemie und der Medizin, wozu er wertvolle Beiträge lieferte. Er hatte zahlreiche Ämter in Wissenschaftsorganisationen inne und erhielt eine Reihe von Auszeichnungen. Nach seiner Emeritierung 1957 widmete er sich verstärkt der Geschichte der Naturwis- senschaft - hier vor allem dem Werk JOHANNES KEPLERs - und bemühte sich in zahlreichen Vorträgen und Rundfunkbeiträgen um die Popularisierung der Naturwissenschaft, die er als festen Bestandteil einer humanistischen Bildung verstanden wissen wollte. 1 Brief von SOMMERFELD an MIE vom 22.04.1924 in: Eckert/Märker Bd. 1, 2004, S. 159f. 9 STAND der FORSCHUNG und LITERATUR über WALTHER GERLACH Erstaunlicherweise gibt es bis heute keine umfassende Biographie dieser bedeutenden Persönlichkeit, die einen vollständigen Blick auf sein Leben und Wirken erlauben würde. Als bisher umfassendste Darstellung aller Aspekte seines Lebens ist der Katalog von RU- DOLF HEINRICH und HANS-REINHARD BACHMANN zur Ausstellung „WALTHER GERLACH Phy- siker – Lehrer – Organisator“2 im Deutschen Museum in München anlässlich seines 100. Geburtstages zu nennen. Einige Aspekte seines Lebens und seiner Arbeit werden im Vorwort und in den Einlei- tungen zu den einzelnen Kapiteln einer Sammlung seiner Schriften angesprochen, die HANS-REINHARD BACHMANN und HELMUT RECHENBERG3 anlässlich seines 100.