Was die Welt im Innersten zusammenhält – Zürich und die Geburt der Quantenmechanik

Um 1920 befindet sich die Physik in einer tiefen Krise: Scheinbar ewig geltende physikalische Gesetze versagen plötzlich, sobald man sie im atomaren Bereich anwendet. Das Verhalten dieser Sphären gehorcht offenbar völlig anderen, bislang unerforschten Regeln.

Die neue Physik, die bald unter dem Namen Quantenmechanik bekannt werden sollte, verlangt nach konträr denkenden, mitunter verrückt anmutenden Köpfen. Diese Physiker erarbeiten in ständigem Austausch (und häufigem Streit) die bis heute grundlegenden Konzepte der Theorie, ehe die Naziherrschaft die Gruppe auseinanderreisst.

Dass Zürich in diesem Prozess eine führende Rolle spielt, kann nicht überraschen, denn die Stadt beherbergt in ihrer Geschichte bislang 18 Physik-Nobelpreisträger. Erwin Schrödinger formuliert hier seine «Schrödingergleichung», welche 1925 die moderne Quantenmechanik mitbegründet.

Doch es sind zwei Freunde namens Wolfgang Pauli und Gregor Wentzel, die Zürich auch in den Jahren danach zu einem internationalen Zentrum der Quantenmechanik machen – Pauli an der ETH, Wentzel an der Universität.

Wolfgang Pauli

Herkunft

Der im Jahr 1900 geborene Österreicher Wolfgang Pauli zählt zu den bedeutendsten Physikern. Er entstammt einer jüdischen Prager Familie, welche sich in Wien niederlässt und ihren Sohn dort katholisch tauft. Pauli erfährt erst viele Jahre später von seiner jüdischen Herkunft.

Gregor Wentzel

Herkunft

Gregor Wentzel wird 1898 in Düsseldorf in eine gutbürgerliche, katholische Familie geboren. Gregors Physiklehrer inspiriert den Jungen dazu, ein Teleskop zu bauen und damit die Sterne und Planeten zu beobachten. Seit diesem Tag träumt Wentzel davon, selbst Astronom zu werden – zum Missfallen seiner Familie, die sich für ihren Sohn eine Zukunft als Banker oder Anwalt wünscht.

Ausbildung

Pauli gilt schon früh als Wunderkind und erhält seinen Doktortitel bereits mit 21 Jahren. Albert Einstein wird auf Pauli aufmerksam, nachdem dieser neben dem Studium einen fast 250-seitigen Artikel über seine Relativitätstheorie schreibt.

Ausbildung

Wentzel entscheidet sich für ein Physikstudium. 1921 erhält er in München den Doktortitel, 1922 die Habilitation. Hier begegnet er auch erstmals Pauli und freundet sich mit ihm an. Diese Beziehung bleibt bis an Paulis Lebensende bestehen.

Forschung

Zu Paulis bekanntesten Leistungen zählt die Hypothese von der Existenz des Neutrinos, die erst 26 Jahre später experimentell bestätigt werden kann. Sein «Pauli-Prinzip» zählt zu den wichtigsten physikalischen Gesetzen der Quantenmechanik und hat weitreichende Auswirkungen für unser Verständnis der Struktur und Stabilität von Materie.

Forschung

Wentzel entwickelt die Wentzel-Kramers-Brillouin-Näherung (WKB-Approximation), mit der man Energieniveaus und Wellenfunktionen von quantenmechanischen Systemen näherungsweise berechnen kann. Neben weiteren wichtigen Schriften verfasst er die erste umfassende Darstellung der Quantenfeldtheorie, deren englische Übersetzung sich bald darauf als Standardwerk durchsetzt und insbesondere die Hochschullehre in den USA prägt. Noch Jahrzehnte später sind viele Physiklehrstühle in der Schweiz und den USA von Wentzels Schülern besetzt.

Ehrungen

Pauli erhält Einladungen zu Konferenzen, Gastvorträgen und Gastvorlesungen in aller Welt. Er funktioniert als das «Gewissen der Physik». Viele führende Physiker, wie zum Beispiel Werner Heisenberg, trauen sich nicht, eine Arbeit zu veröffentlichen, ohne diese vorher Paulis kritischem Urteil auszusetzen. Pauli korrespondiert lebenslang mit den führenden Physikern seiner Zeit, zum Beispiel mit Niels Bohr, Albert Einstein, J. Robert Oppenheimer, Max Born, Paul Dirac, Otto Stern und Enrico Fermi.

Ehrungen

Wentzel erhält unter anderem die prestigeträchtige Max-Planck-Medaille, ein Ehrendoktorat der ETH sowie die Mitgliedschaft in der National Academy of Sciences. 1945 bis 1947 ist er Präsident der Schweizerischen Physikalischen Gesellschaft. Die Universität von Chicago verleiht bis heute jedes Jahr einen «Wentzel Research Prize» an besonders herausragende Physikstudierende.

Sonstiges Engagement

Als ausgesprochener Gesellschaftsmensch verbringt Pauli auch Abende mit Schriftstellern wie James Joyce und Friedrich Dürrenmatt. Letzterer zeigt sich von Männern wie Pauli fasziniert und lässt diese Gespräche in sein wohl berühmtestes Werk «Die Physiker» einfliessen. Pauli steht ausserdem fast 30 Jahre lang in engem Kontakt zu Carl Gustav Jung. Beide beeinflussen sich gegenseitig in ihrer Denkweise.

 

Sonstiges Engagement

Wentzel engagiert sich für die Zürcher Gymnasien und nimmt dort Prüfungen ab. Die Physikalische Gesellschaft Zürich wählt ihn schon wenige Monate nach seiner Ankunft zu ihrem Vizepräsidenten, 1930 dann einstimmig zum Präsidenten. Die Gesellschaft organisiert unter seiner Leitung mehrfach Veranstaltungsreihen, die der Öffentlichkeit eine einfache Einführung in physikalische Themen ermöglichen. Etwa 200 Menschen besuchen die Vorträge jeweils – das Vier- bis Fünffache eines regulären Treffens der Gesellschaft. Wentzels Sohn organisiert Jahrzehnte später ähnliche Kurse für Nicht-Physikerinnen und -Physiker, die bis zu 3000 Besuchende pro Jahr anziehen.

Persönlichkeit

Paulis spitze, sarkastische Bemerkungen, sein beissender Humor und sein süffisantes Lächeln sind unter Studierenden und Physiker-Kollegen gleichermassen gefürchtet. Auch zeigt er keinerlei Respekt vor Autoritätspersonen. Bereits als 19-jähriger Student soll er Einsteins Ausführungen vor versammeltem Publikum als «gar nicht so dumm» bezeichnet haben (aus seinem Mund ein seltenes Kompliment!), so Hans-Hennig von Grünberg.

Persönlichkeit

Seine zahlreichen Schüler, Mitarbeitenden und Vorgesetzten in Zürich und später den USA beschreiben Wentzel ohne Ausnahme als ausgesprochenen Gentleman und Teamplayer: angenehm im Umgang, geradlinig, seriös, freundlich, aber bestimmt, bescheiden und hilfsbereit. Gleichzeitig versteht er es durchaus, seine Wünsche bei der Hochschulleitung durchzusetzen (wie etwa mehr Lehrstunden für die Quantenmechanik).

Tod und Vermächtnis

1958 muss Pauli eine Vorlesung wegen starker Bauchschmerzen abbrechen und stirbt wenige Tage darauf an Bauchspeicheldrüsenkrebs im heute geschlossenen Rotkreuzspital an der Gloriastrasse 18. Sein Grab befindet sich in Zollikon, wo er lange wohnte.

Tod und Vermächtnis

Nach seiner Pensionierung im Jahr 1969 kehrt Wentzel hin und wieder nach Zürich zurück, um an Physikseminaren und Kolloquien teilzunehmen. Er liegt zusammen mit seiner Frau und seinem Sohn in Ascona begraben, wo er gerne seine Ferien verbrachte und im Alter auch wohnhaft war. Seine Enkelin Tania DuBeau leitet heute eine Schule in Maryland.

Obwohl Zürich die bahnbrechenden Neuerungen auf dem Gebiet der Quantenmechanik damals durchaus wahrnimmt, ist ihre praktische Anwendbarkeit noch schwer abzuschätzen. Die theoretische Physik gilt als brotlose Hilfswissenschaft der nützlichen Experimentalphysik.

Das physikalische Institut der Universität besteht in jener Zeit aus zwei Zimmern für die beiden Professoren, zwei Hörsälen für die wenigen Studierenden, zwei Praktikumsräumen, einer kleinen Bibliothek, einer Werkstatt und einigen kellerartigen Büros für die Privatdozenten. Wentzel ist allein für die theoretische Physik verantwortlich. Pauli erhält von der ETH einen Assistenten, doch dies stellt schweizweit eine Ausnahme dar.

Pauli verlangt nur Folgendes von seinen Assistenten: «Ihre Aufgabe wäre, jedesmal, wenn ich etwas sage, mir mit ausführlichen Begründungen zu widersprechen.» Links neben Pauli sitzt sein Assistent Markus Fierz. (Bild: CERN, Pauli-Archiv)

Grosser Physik-Vorlesungsaal der ETH, 1928. (Bild: ETH-Bibliothek Zürich, Bildarchiv)

Physikstudenten vor dem Physikalischen Institut der ETH, um 1920. (Bild: ETH-Bibliothek Zürich, Bildarchiv)

Physik-Anfängerpraktikum, 1930. (Bild: ETH-Bibliothek Zürich, Bildarchiv)

Die ETH und die Uni führen ihr Physik-Kolloquium und das theoretische Seminar jeweils zusammen durch.

Manche Studierenden witzeln, dass Paulis Vorlesungen nur verstehen könne, wer das Thema bereits vorher bei Wentzel behandelt habe. Dieser spricht klar, elegant und völlig frei. Er hat ein ausgesprochenes Talent dafür, komplexe Sachverhalte für alle Zuhörenden verständlich auszudrücken.

«Ich begreife gar nicht, was ich mir da überlegt habe. Na, es wird schon gehen.»

Pauli kurz vor Vorlesungsbeginn über seine Notizen, zitiert von seinem Assistenten Markus Fierz.

Paulis Unterrichtsunterlagen sind, falls vorhanden, notorisch unstrukturiert. Er möchte sich lieber seiner Forschung und dem weltweiten Austausch mit anderen Physikern und Physikerinnen widmen. Eine Vorlesung um 11 Uhr morgens zu halten, war für ihn während seiner Zeit in Deutschland eine Zumutung, sodass sein Chef regelmässig eine Haushälterin vorbeischicken musste, um Pauli rechtzeitig aus dem Bett zu kriegen.

Für die Prägnanz Zürichs als Ort der Quantenmechanik sind beide zentral: Wentzel, dessen Skripte und Organisation den Grundstein für die Lehre und Nachwuchsförderung der nächsten Jahrzehnte legt, und Pauli, dessen Geselligkeit und Ruhm die Aufmerksamkeit der Forschung auf Zürich lenkt.

Wentzel investiert sehr viel Zeit in die Vorbereitung und Durchführung seines Unterrichts. Im Bild die erste Seite seines Skripts zur Quantentheorie, 1932. (Bild: Hochschularchiv der ETH Zürich)

Ein Skript von Wentzel zur Einführung in die Quantentheorie der Wellenfelder, 1942. (Bild: ZB Zürich, Nachlass Gregor Wentzel)

Pauli toleriert keine Fehler und Ungenauigkeiten – am wenigsten bei sich selbst. Gleichzeitig zeigt er aber auch Geduld bei vermeintlich dummen Fragen («denn für Pauli waren alle Fragen dumm», so sein Assistent). (Bild: CERN, Pauli-Archiv)

Die Physik in Zürich ist bereits damals sehr international ausgerichtet. Pauli und Wentzel betreuen zum Beispiel Homi J. Bhabha, den Namensgeber der berühmtem Bhabha-Streuung und Vater des indischen Nuklearprogramms. (Bild: Credit: TIFR Archives)

Pauli und Wentzel fühlen sich in Zürich anfangs wohl. Pauli geniesst das Schwimmen im Zürichsee und isst sein Mittagessen gerne im Badeanzug zusammen mit seinem Assistenten. Seine Nachmittage verbringt er in der Sprüngli-Gelateria am Paradeplatz, gefolgt von abendlichen Konzerten in der Tonhalle.

Danach feiern Paul Scherrer, Pauli und sein Assistent in den zahlreichen Zürcher Nachtclubs und Bars. Beliebte Treffpunkte sind Mary’s Oldtimer Bar, das Odeon am Bellevue, die Schifflände-Bar am Limmatquai und das Cabaret Voltaire, der Geburtsort der Dada-Bewegung. Manchmal trinkt Pauli auch nur mit Wentzel bis um Mitternacht Schnaps.

Paulis erste Jahre in Zürich gehören dennoch nicht zu seinen glücklichsten. Seine Mutter begeht Ende 1927 Selbstmord. Obwohl Pauli die Ehe als Institution ablehnt, heiratet er überstürzt eine Tänzerin, die ihn kurz danach für einen Chemiker namens Goldfinger verlässt («Hätte sie einen Stierkämpfer genommen … aber so einen gewöhnlichen Chemiker!»). Er trinkt zu viel, gerät in Schlägereien und wird aus Bars geworfen.

In einem untypischen Moment emotionaler Offenheit erwähnt Pauli gegenüber Wentzel seine Einsamkeit und Angst, allein zu sterben. «Das ständige Selbstgespräch macht so müde.» Im darauffolgenden Jahr begibt sich Pauli in Behandlung bei Carl Gustav Jung, der ihm ein gestörtes Verhältnis zu Frauen und seinen Gefühlen attestiert.

Über Wentzels Privatleben ist wenig bekannt. Die meisten seiner Briefe wurden laut seiner Frau vernichtet. Auch verweigerte er Gesprächsaufzeichnungen. Als junger Mann nutzt er jede sich bietende Ausrede, um von Deutschland nach Paris zu seiner Freundin zu fahren (oder eher, wie es Pauli andeutet, im Moulin Rouge zu feiern). Mit 31 Jahren heiratet er. Fünf Jahre später kommt Donat Wentzel zur Welt.

Pauli beim Unterrichten mit gebrochener Schulter, die er sich zuzieht, als er betrunken die Treppe hinunterstürzt. Die offizielle Erklärung ist ein Sportunfall. (Bild: CERN, Pauli-Archiv)

Die Therapie hat Erfolg: Pauli heiratet 1934 ein zweites Mal und lebt mit seiner Frau Franca bis zu seinem Tod in kinderloser, mehrheitlich glücklicher Ehe. (Bild: CERN, Pauli-Archiv)

Paulis Mutter Bertha arbeitet vor ihrem Tod als Journalistin und setzt sich für Frauenrechte und Pazifismus ein. (Bild: © A. Huber, Wien / CERN, Pauli-Archiv)

Donat erbt Gregor Wentzels Liebe zur Astrophysik und sein Talent als Lehrer. (Bild: AIP Emilio Segrè Visual Archives, John Irwin Slide Collection)

Wentzel mit seiner Frau Anna und dem ersten japanischen Nobelpreisträger für Physik Hideki Yukawa. (Bild: AIP Emilio Segrè Visual Archives, gift of Donat Wentzel)

Wentzels einziges Laster ist das Kettenrauchen von Schweizer Stumpen (später kubanischer Zigarren). (Bild: Photograph by J. D. Jackson, courtesy of AIP Emilio Segrè Visual Archives, Jackson Collection)

Da mehrere europäische Physiker grosse Schwierigkeiten im Umgang mit J. Robert Oppenheimer bekunden, schickt ihn Paul Ehrenfest 1928 zu Pauli, der ihn «a bisserl liebevoll zurechtprügeln» soll. Jahre später ist Pauli unter ungleich ernsteren Umständen wieder mit seinem früheren Schüler konfrontiert. Oppenheimer ist nun der Leiter des Manhattan-Projekts, Pauli einer von vielen in die USA geflüchteten Juden.

Die Quantenmechanik gilt damals als «jüdische Physik». Die früh einsetzende Diskriminierung rettet vielen Forschenden das Leben, da sie Deutschland deswegen noch rechtzeitig verlassen. Von Zürich aus hilft Pauli seinen Kolleginnen und Kollegen bei der Umsiedlung nach Grossbritannien oder in die USA, bevor er 1940 mit seiner Frau selbst dorthin reist.

Die ETH betrachtet Paulis USA-Aufenthalt als eine Art Fahnenflucht. Die Hochschulen möchten seine Lehrveranstaltungen und seine ETH-Professur an Wentzel übertragen und Pauli nicht weiter beschäftigen. Wentzel weigert sich entschieden, die Professur anzunehmen, da er an die baldige Rückkehr seines Freundes glaubt. Diese Einschätzung erweist sich als richtig.

Hier ist die Welt noch in Ordnung: Pauli (links) mit Enrico Fermi (rechts), dem «Architekten der Atombombe», und Werner Heisenberg (Mitte), einem führenden Kopf des Uranprogramms der Nazis, 1927 am Comersee. (Bild: © Franco Rasetti / Cern, Pauli-Archiv)

Pauli hatte vor seiner Flucht mehrfach versucht, sich einbürgern zu lassen. Er gilt in Schweizer Augen als «unassimilierbarer Ostjude». Karikatur wohl durch den Biophysiker Eugene Rabinowitch. (Bild: courtesy of Emilio Segrè Visual Archives, Weisskopf Collection)

Der Chemie-Nobelpreisträger Leopold Ružička empfiehlt Pauli zur Einbürgerung, doch die allermeisten seiner ETH-Kollegen sind anderer Meinung. (Bild: ETH-Bibliothek Zürich, Bildarchiv)

Der ETH-Geowissenschaftler Paul Niggli ist ebenfalls bereit, für Paulis gelungene Integration zu bürgen. (Bild: Franz Schmelhaus / ZB Zürich)

Auch Wentzel beschliesst, sich um die Schweizer Staatsbürgerschaft zu bewerben. Trotz seines gebrochenen Schweizerdeutsch bewilligt man sein Gesuch. (Bild: Staatsarchiv des Kantons Zürich, StAZH Z 1139.1112)

Pauli und die «chinesische Marie Curie» Chien-Shiung Wu. Sie spielt eine wichtige Rolle im Manhattan-Projekt und nennt Oppenheimer gerne «Oppie». (Bild: AIP Emilio Segrè Visual Archives, Segrè Collection)

Pauli gehört während des Zweiten Weltkriegs zu den wenigen Physikern in Amerika, die in keiner Form in den Atombombenbau involviert sind (hier mit einigen Studierenden der Uni Michigan, 1941). (Bild: Ivory Photo, Ann Arbor, courtesy of AIP Emilio Segrè Visual Archives, Goudsmit Collection)

Paulis frühere ETH-Assistenten Victor Weisskopf, Rudolf Peierls und Felix Bloch (Nobelpreis 1952) arbeiten am Manhattan-Projekt. Rechts im Bild Victor Weisskopf im Jahr 1936. (Bild: Photograph by Paul Ehrenfest Jr., AIP Emilio Segrè Visual Archives, Weisskopf Collection)

Hans Bethe (sitzend, rechts), den Pauli als Assistenten abgelehnt hat, wird zum Leiter der theoretischen Abteilung des Manhattan-Projekts (hier mit Victor Weisskopf und Enrico Fermi in Los Alamos, stehend links und rechts). (Bild: Photo by Emilio Segrè, courtesy of AIP Emilio Segrè Visual Archives, Segrè Collection)

Als Pauli 1945 den Nobelpreis gewinnt und Princeton ihm die Stelle als Einsteins Nachfolger anbietet, lösen sich die Zürcher Einwände gegen ihn in Luft auf. Er erhält endlich das langersehnte Schweizer Bürgerrecht und bleibt an der ETH Zürich.

Zu seiner Enttäuschung verlässt Wentzel Zürich 1948 Richtung USA. Er unterrichtet in Stanford, Berkeley und am damaligen «Mekka der Physik», der Universität von Chicago, wo er mit Enrico Fermi und weiteren führenden Physikern und Physikerinnen zusammenarbeitet.

Die Quantenmechanik bringt auch in darauffolgenden Jahrzehnten revolutionäre technische Entwicklungen hervor – bis heute. Die Universität Zürich erforscht aktuell Quantenmaterialien durch Streuexperimente, für die Wentzel die ersten theoretischen Grundlagen geschaffen hat. Weitere Schwerpunkte sind Quantencomputer und das Potenzial von Quanteneffekten für die Datenspeicherung. Die ETH arbeitet zusammen mit dem Paul Scherrer Institut zu den Themen Quanteninformationsverarbeitung, Quantensimulation und Quantensensorik. Der Einfluss der Quantenmechanik auf unseren Alltag war nie grösser als heute.

Wentzel verfasst gemeinsam mit anderen Physikern eine Festschrift zu Paulis 60. Geburtstag. Da Pauli unerwartet verstirbt, wird das Geburtstagsgeschenk zum Gedenkband. Im Bild die «Salle Pauli» des CERN mit dem Gedenkband. (Bild: © CERN)

Das erste Quantencomputersystem für den kommerziellen Bereich. Es soll den Einsatz von Quantencomputern ausserhalb von Laboreinrichtungen ermöglichen. (Bild: © IBM Research / ITWM)

Einige Magnetschwebezüge benutzen Supraleiter für ihre Magnetsysteme. Supraleitung ist ein quantenmechanisches Phänomen und ein Forschungsschwerpunkt der Universität und ETH Zürich. (Bild: Chainwit / Wikimedia Commons)

Quantenkommunikation über Glasfasern könnte in Zukunft zu erheblichen Verbesserungen in der Internetsicherheit führen. (Bild: Infestor / Wikimedia Commons)

Irina Morell, Historikerin und Mitarbeiterin der Universitätsbibliothek Zürich, Naturwissenschaften
Januar 2025

Das Physik-Institut der Universität Zürich zeigt ab Juni 2025 die Ausstellung «Quantum Century – Zürich und die Geburtsstunde der Quantenmechanik».

Header-Bild: Pauli bei einem Vortrag in Kopenhagen, 1929. (© Goudsmit / CERN, Pauli-Archiv)

Nachweise

Falls nicht anders vermerkt, stammen sämtliche Zitate aus der Quellenedition «Wolfgang Pauli. Wissenschaftlicher Briefwechsel mit Bohr, Einstein, Heisenberg u.a.» und aus Markus Fierz’ «Rückblick vom Hönggerberg (April 1975)» in «Naturwissenschaft und Geschichte».

Die Autorin stützt sich ausserdem auf die Bücher «Wolfgang Pauli und sein Wirken an der ETH Zürich», «No Time to Be Brief: A Scientific Biography of Wolfgang Pauli» sowie «Einstein und Co.: Nobelpreisträger in Zürich».