Die erste technologische Anwendung der Quantenphysik: Als vor 75 Jahren die Atombombe zum Einsatz kam

Vor über 100 Jahren schockierte die Menschen die Totalität des ersten Weltkrieges. Niemand hatte sich bis dahin Millionen und Aber-Millionen Tote als Ergebnis einer militärischen Auseinandersetzung vorstellen können. Möglich war diese Massenvernichtung erst durch neue Technologien geworden (Flugzeuge, Maschinengewehre, Panzer, Giftgas, etc.). Schlimmer kann es nicht kommen, so dachte die Menschen. Doch tatsächlich wartete auf sie noch ein viel schlimmerer Schrecken: Eine einzige Bombe, mit der sich Hundertausende von Menschen töten lassen. Vor genau 75 Jahren, am 6. August 1945, warf das US-Militär eine erste Atombombe auf die japanische Stadt Hiroshima ab. Drei Tage später formte sich ein Atompilz über Nagasaki.

Ihre Grundlage hatte die Atombombe in einer damals neuen physikalischen Theorie, die unter Physiker bis heute ein Synonym für Unverständlichkeit darstellt: die Quantentheorie. In der Welt der Physiker hatte diese schon seit Beginn des Jahrhunderts gewaltige Furore gesorgt. Sie hatte bereits ein ganzes Weltbild, das Weltbild der klassischen Physik – und grosser Teile der klassischen Philosophie – einstürzen lassen. Mit der Beschreibung der Gesetze im Mikro- und Nanokosmos zeichneten sich zugleich aufregende neue Technologien ab, die in der zweiten Hälfte des Jahrhunderts die Welt verändern sollten (Laser, Mikroelektronik, Medizintechnik, etc.). Doch im letzten Kriegsjahr 1945 war dies der Allgemeinheit noch nicht bewusst. Zu komplex, zu bizarr und zu mathematisch war die neue Physik. Doch dann trat diese urplötzlich und völlig unerwartet auf die Bühne der Weltöffentlichkeit, und dies mit einem sehr lauten Knall: Die erste technologische Anwendung der Quantenphysik war die furchtbarste Waffe, die jemals militärisch eingesetzt wurde.

Wie war diese schreckliche Waffe entstanden? Seit dem berühmten Versuch Rutherfords von 1912, von dem heute jedes Schulkind weiss, wussten die Physiker, dass der Atomkern aus elektrisch positiv geladenen Elementarteilchen (Protonen) besteht. Doch stossen sich gleich geladene Teilchen ab. Wie ist es dann möglich, dass Atomkerne stabil sind? Die vielen Protonen im Atomkern müssten doch auseinanderfliegen. Eine weitere Kraft im Atomkern musste auf den sehr kurzen Distanzen im Atomkern weit stärker (anziehend) wirken als die elektrische Kraft. Doch was das für eine Kraft sein sollte, das wussten die Physiker nicht. Es war eines von vielen Rätseln in der Quantenwelt, in der die Physiker gerade erst begonnen hatten, sich umzuschauen.

Im Jahre 1934 begann der italienische Physiker Enrico Fermi, Uranatome mit Neutronen zu bombardieren. Seine Hoffnung war, dass einige dieser Neutronen am Atomkern haften bleiben, würden, womit neue, in der Natur nicht vorkommende Atomkerne gebildet werden könnten. Zu Fermis Überraschung entstand in seinen Experimenten eine grosse Menge radioaktiver Strahlung, deren Herkunft weder er noch andere Forscher erklären konnten. Vier Jahre später, im Sommer 1938, beobachteten Irène Joliot-Curie, die Tochter Marie und Pierre Curies, und ihr Mann Frédéric, dass bei der Bombardierung von Uran mit Neutronen ein ganz anderes Element entsteht, welches einen wesentlich kleineren Kern als Uran besitzt. Sie waren verblüfft und konnten nicht glauben, dass sich ein solch grosses Stück aus dem doch an sich unteilbaren Uranatomkern herausschiessen liess. Im Dezember des gleichen Jahres führten die deutschen Forscher Otto Hahn und Lise Meitner ebenfalls Experimente mit Urankernen durch, um die unbekannte Kraft im Atomkern genauer zu untersuchen. Auch sie beschossen Uran mit seinen 92 Protonen und – je nach Isotop – 143 oder 146 Neutronen, und die „Munition“ waren auch hier verlangsamte Neutronen. Es stellte sich heraus, dass durch den Beschuss zwei ganz andere Elemente entstehen: Barium und Krypton. Bariumatome, die sich schnell radiochemisch nachweisen liessen, besitzen eine Kernladungszahl von 56 und sind fast nur halb so gross wie Urankerne. Mithilfe theoretischer quantenphysikalischer Berechnungen kam Meitner zu dem Ergebnis, dass der Uran-Kern durch das Neutronenbombardement zum Platzen gebracht worden war. Dabei nehmen die Bruchstücke sehr viel Energie auf, weit mehr, als in jedem bis dahin bekannten Atomprozess entstanden war. Doch woher diese Energie kam, war zunächst ein weiteres Rätsel. Meitner berechnete auch, dass die beiden Kerne, die aus der Spaltung hervorgingen (plus drei Neutronen, die frei werden), in ihrer Summe geringfügig leichter waren als der ursprüngliche Atomkern des Urans plus das Neutron, das die Spaltung auslöste. Was war mit der fehlenden Masse geschehen?

Die Antwort auf beide Fragen lieferte Einsteins berühmte Formel E = mc², die dieser mehr als 30 Jahre zuvor aufgestellt hatte: Die Differenz der Massen vor und nach der Spaltung entsprach genau der Energie, die die Bruchstücke aufgenommen hatten, so Meitners Ergebnisse. Zum ersten Mal hatte sich ein Prozess manifestiert, in dem sich die von Einstein formulierte Äquivalenz von Energie und Masse direkt offenbarte. Zugleich war damit aber auch klar geworden: Im Inneren des Atoms schlummern unvorstellbare Energien! Diese Nachricht lief wie ein Lauffeuer durch die wissenschaftliche Welt (Otto Hahn, nicht aber Lise Meitner, erhielt für diese Erkenntnis den Chemie-Nobelpreis 1944; allerdings befand er sich zum Zeitpunkt der Bekanntgabe zusammen mit den führenden deutschen Atomphysikern noch in militärischer Internierung in England).

Die Physiker nannten diese Energie «Kernenergie». Bei der Spaltung des Atoms wird ein geringer Teil dieser gewaltigen Energiemenge frei, die aber immer noch millionenfach stärker ist als in konventionellen chemischen Reaktionen. Der Zufall wollte es, dass bei der durch ein Neutron hervorgerufenen Spaltung eines Urankerns drei weitere Neutronen freigesetzt werden, die ihrerseits Urankerne spalten konnten. Die Physiker erkannten, dass sich über eine Kettenreaktion in sehr kurzer Zeit eine enorme Energiemenge freisetzen liess.

Viel Energie auf engem Raum, die sich freisetzen liess – das weckte in den herrschenden Kriegszeiten schnell das Interesse der Militärs. Bereits 1939 verfasste der Neffe Lise Meitners, Otto Frisch, zusammen mit seinem britischen Kollegen Rudolf Peierls ein Memorandum, welches die technische Konstruktion einer auf Kernenergie beruhenden Bombe beschrieb. Dies liess nun auch Nicht-Physiker aufhorchen. Adolf Hitler hatte kurz zuvor Polen überfallen und den Zweiten Weltkrieg begonnen. Als führende Nation in Forschung und Technik schien das nationalsozialistische Deutschland prädestiniert, als erstes Land die Kernenergie militärisch zu nutzen und Atombomben herzustellen. Eine Bombe mit solch gewaltiger Sprengkraft in den Händen Hitlers hätte für die Welt katastrophale Auswirkungen, so dachten nicht nur die beiden Juden Lise Meitner und Otto Frisch. Der ungarische Physiker Leó Szilárd hatte wie Meitner und Frisch stark unter dem nationalsozialistischen Deutschland gelitten, und auch ihm drängte sich das Schreckensbild eines atomar bewaffneten Hitlerdeutschlands auf. Er bewog den bis dahin strikten Pazifisten Albert Einstein dazu, einen Brief an den amerikanischen Präsidenten Franklin D. Roosevelt zu schreiben und ihm darin die Anregung zu geben, den Bau einer amerikanischen Atombombe in Gang zu setzen. Dieser nahm den Anstoss auf.

Unter höchster Geheimhaltung (nicht einmal der Vizepräsident wurde eingeweiht) stellte die amerikanische Regierung ab 1941 ein Team von hochrangigen Wissenschaftlern und Ingenieuren zusammen. Das Ziel des «Manhattan Projekts», welches das bis dahin komplexeste und schwierigste Technikprojekt der Geschichte werden sollte, war der Bau einer Atombombe. Mit solchen Projekten hatte man bereits einige Erfahrung. So war der Zweite Weltkrieg bereits zu einem «Physiker-Krieg» geworden, in dem schon vor der Atombombe Technologien wie Radar, Raketenantrieb und Magnetminenabwehr entwickelt worden waren.

Der erste Schritt des Manhattan Projekts war nachzuweisen, dass sich tatsächlich eine Kettenreaktion von Neutronenfreisetzungen auslösen und aufrechterhalten liess. Dies gelang im Dezember 1942 Enrico Fermi, der aus dem mit Hitler verbündeten Italien ausgewandert war. Unterhalb eines Sportplatzes an der Universität in Chicago hatte Fermi den ersten Kernreaktor der Geschichte konstruiert. Damit war der Weg zur Bombe frei. Die Forschungsarbeiten wurden an einem Ort namens Los Alamos in der Wüste von Neu Mexiko zentriert. Der wissenschaftliche Leiter des Manhattan Projekts und daher später als «Vater der Atombombe» angesehen war Robert Oppenheimer, der seine wissenschaftliche Ausbildung unter Max Born in Deutschland erhalten hatte. Schon früh hatten sich zwei gangbare Wege abgezeichnet: ein erster mittels der Spaltung von Urankernen und ein zweiter mit Plutoniumkernen. Da sich die Physiker nicht sicher waren, welches der erfolgversprechendere Weg war, entschlossen sie sich dazu, beide Konzepte gleichzeitig zu verfolgen. Nach vier Jahren intensiver und strikt geheim gehaltener Arbeit gelang es ihnen, beide Bombentypen zu entwickeln. Im Juli 1945 hatten sie vier Atombomben fertiggestellt.

Am 16. Juli 1945 explodierte auf einem Testgelände in der Wüste von Neu Mexico die erste Atombombe der Weltgeschichte. Ihre Wucht übertraf noch die optimistischsten Erwartungen der Physiker. Doch als sich der mächtige Atompilz am Horizont abzeichnete, überkam sie ein Gefühl tiefsten Unbehagens. Robert Oppenheimer zitierte, wie er später schreib, in diesem Moment innerlich aus der „Bhagavad Gita“, einer zentralen Schrift des Hinduismus: „Jetzt bin ich der Tod geworden, Zerstörer der Welten.” Einer seiner Kollegen, der Direktor des Tests, Kenneth Bainbridge, drückte es plastischer aus: „Jetzt sind wir alle Hurensöhne.“ Das mulmige Gefühl der Physiker sollte sich als begründet erweisen. Schon drei Wochen später zeichnete sich der zweite Atompilz ab, dieses Mal über dem Himmel des Kriegsgegners Japan. Der dritte folgte nur drei Tage danach.

In einer der kontroversesten und bis heute umstrittensten Entscheidungen der US-Geschichte hatte der bis kurz zuvor bezüglich auch nur der Möglichkeit der Existenz einer Atombombe völlig ahnungslose neue Präsident Harry Truman entschieden, die Bombe gegen Japan einzusetzen. Bei den beiden Abwürfen starben 200.000 Menschen unmittelbar. Im Verlaufe der kommenden Jahre folgten durch radioaktive Spätschäden noch viele mehr. Von der wissenschaftlichen Entdeckung der Spaltbarkeit des Uran-Atomkerns bis zu den Atompilzen von Hiroshima und Nagasaki waren noch nicht einmal sieben Jahre vergangen.

Ursprünglich war die amerikanische Atombombe für Hitler-Deutschland gedacht gewesen, das jedoch bereits im Mai 1945 kapituliert hatte. Auch Deutschland hatte ein Atombombenprojekt betrieben. Doch der sogenannte Uranverein unter der Führung von Werner Heisenberg hatte weder die notwendigen Ressourcen besessen noch die notwendigen technischen Methoden entwickelt, um eine Bombe tatsächlich herstellen zu können. Bis heute gibt es unter Historikern Uneinigkeit darüber, warum die vor dem Krieg mit grossem Abstand führende Wissenschaftsnation die Atombombe nicht entwickelte. Heisenberg selbst sagte, dass er eine solche Bombe nicht in die Hände Hitlers habe geben wollen. Ob dies wirklich seine Motivation war, ist bis heute umstritten. Andere Gründe waren sicher, dass die nationalsozialistische Militärführung die Bedeutung der Atombombe schlicht nicht erkannt hatte.

Die Physiker mussten mit der Atombombe erkennen, dass ihr Wissensdrang nicht nur das herrschende Weltbild, sondern auch die Welt zertrümmern kann. Viele der Wissenschaftler, die am Projekt mitgewirkt hatten, verfolgte bis an ihr Lebensende die quälende Frage, ob sie nicht eine unmittelbare Verantwortung am Tod vieler Menschen tragen. Robert Oppenheimer plagte sein Gewissen derart, dass er später sogar vom amerikanischen Geheimdienst verfolgt wurde, der glaubte, seine Reue könne den USA im Kalten Krieg gegen die Sowjetunion schaden. Mit Los Alamos, Hiroshima und Nagasaki hat die Tätigkeit der Physiker eine Dimension gewonnen, die sie bis heute nicht mehr losgeworden ist: die der gesellschaftlichen Verantwortung.