Alfred Landé

1888-1976

von

Azim O. Barut
Boulder, Colorado

ALFRED LANDÉ wurde am 13. Dezember 1888 in Elberfeld, Rheinland, geboren. Er ist also ein Jahr jünger als SCHRÖDINGER, und sechs Jahre jünger als sein Mentor MAX BORN. Seine Eltern waren sehr an Literatur, Wissenschaft und Politik interessiert; sein Vater war für kurze Zeit stellvertretender Regierungspräsident in Düsseldorf. Der französische Akzent in seinem Namen stammt aus dem 18. Jahrhundert als es Mode war, französisch zu gelten, wenigstens dem Namen nach. Seine erste intensive Liebe galt der Musik, er begann mit Klavierstunden im Alter von fünf Jahren, und setzte die systematische Ausbildung in Musiktheorie und Komposition bis zum 18. Lebensjahr fort. MAX BORN schrieb in Erinnerung an eine Tagung auf einem Wolgaschiff im Jahre 1928 an LANDÉ: "A night I remember particularly well was when you replaced the young noisy Russians at the piano and played Chopin on the old bad instrument so beautifully that I have never forgotten it." Das Interesse an den Wissenschaften begann schon frühzeitig, zunächst an Kosmologie, dann an der Faszination der Kristalle und Mineralien, sowie an Chemie und schließlich an der Elektrizitätslehre. Im Gymnasium war er in Mathematik und Physik seinen Mitschülern weit überlegen; seine Lehrer betrachteten ihn als ein Wunderkind. Als er aber sein Universitätsstudium begann (Marburg 1908, München und Göttingen) entdeckte er, wie er selber bescheiden sagt, daß es viele andere Wunderkinder gab und er es schwer hatte, mit denen schrittzuhalten.

Nach drei Studienjahren hatte sich noch keine deutliche Richtung seiner Arbeit oder eine persönliche Beziehung zu einem Professor abgezeichnet, so versuchte er sich zunächst in Göttingen in Experimentalphysik an Kathodenstrahlen. Aber, wie viele andere von uns es auch erlebt haben, die dauernden Vakuumlecks, die Schmutzeffekte und das Warten auf den Mechaniker, haben ihn so irritiert, daß er sich entschloß zur theoretischen Physik überzuwechseln, wohin ohnehin seine hauptsächliche Neigung ging. Er wechselte von Göttingen (wo er MAX BORNs Inauguralvorlesung, gehalten vor fünf Studenten, gehört hatte) nach München. In München war er sogleich von ARNOLD SOMMERFELD fasziniert, "dem größten Lehrer der theoretischen Physik östlich des Rheins". Er war umgeben von vielen begabten Kollegen, die später zur Prominenz gehörten, DEBYE, EPSTEIN, EWALD, VON LAUE... Das sensationellste Ereignis in dieser Zeitperiode war 1912 die Entdeckung der Beugung der Röntgenstrahlen durch MAX VON LAUE. Es gab tägliche Diskussionen nach dem Mittagessen im Hofgarten und wöchentliche Skitouren. Bezeichnend ist für die spätere Denkweise von LANDÉ, daß er in dieser Zeit schon das Quantenrätsel als eine Lücke in der klassischen statistischen Mechanik zu verstehen versuchte, während SOMMERFELD und andere "progressive" Physiker die Quantentheorie als eine absolut neue und fundamentale Theorie ansahen. So blieb LANDÉs Verhältnis zu SOMMERFELD, wie wir sehen werden, nicht immer reibungslos.

Im Jahre 1913 wurde LANDÉ Assistent von DAVID HILBERT in Göttingen. Seine Aufgabe als "HILBERT's Hauslehrer" war es, den großen Mathematiker über die Physikliteratur auf dem laufenden zu halten. Er kam dadurch auch in engen Kontakt zu MAX BORN. Es war die Zeit des BOHRschen Atom-Modells und der spezifischen Wärme bei niedrigen Temperaturen (DEBYE, BORN, VON KARMAN). Das Firmament der Göttinger Wissenschaft war zu dieser Zeit voller heller Sterne: in der Mathematik lehrten DAVID HILBERT, FELIX KLEIN, EDMUND LANDAU, CARL RUNGE, OTTO TOEPLITZ, LUDWIG PRANDTL (der Begründer der Aerodynamik), HERMANN WEYL, RICHARD COURANT, PAUL BERNAYS, GEORGE POLYA, u. a. m. In der Physik, waren es neben der klassischen Schule von WOLDEMAR VOIGT und EDUARD RIECKE, die neue Generation von MAX BORN, ERWIN MADELUNG, THEODOR VON KARMAN, ERWIN FREUNDLICH, PAUL HERTZ und VLADIMIR FOCK. NIELS BOHR und HENDRIK LORENTZ besuchten Göttingen häufig. Als Student übersetzte LANDÉ LORENTZ' "Theory of Electrons" zur eigenen Ausbildung ins deutsche, was für seine späten Arbeiten in der Strahlungstheorie wichtig werden sollte.

1914 promovierte er bei SOMMERFELD, mit einer "rather insignifanct Ph. D. thesis"^1, wie er sagt, "and almost flanked my orals with Röntgen because of a spectacular blunder in optics - did not know of phase shift upon reflection".

Knapp zwei Wochen nach seiner Promotion brach der Erste Weltkrieg aus. Die Zahl der Benutzer des Mathematischen Lesezimmers in Göttingen schrumpfte von 350 im Sommersemester 1914 auf 98 im Wintersemester 1914/15. LANDÉ verbrachte zunächst einige Jahre im Rotkreuz-Dienst an der Ostfront, kam dann als Assistent zu BORN in eine der wenigen wissenschaftlichen Sektionen der Armee, zur Artillerie-Prüfungskommission, die unter der Leitung von RUDOLF LADENBURG stand, und in der auch einige andere Physiker tätig waren. Neben Aufgaben der Schallmessung begann er mit BORN die kohäsiven Kräfte und die Kompressibilität von Kristallen zu untersuchen. Diese Arbeit führte zu dem unerwarteten Ergebnis, daß die Elektronenbahnen in Atomen nicht alle, wie die Planetenbahnen, in einer Ebene verlaufen, eine Vorstellung, an der die damalige Wissenschaft als einer fundamentalen Idee festhielt. Zwischen dem 5. und 8. November 1918, also zwischen dem Aufstand der Matrosen in Kiel und der Proklamation der Republik, "haben BORN und LANDÉ ihre eigene kleine Revolution proklamiert" [1]. LANDÉ widerfuhr zum ersten Male das Gefühl einer Innovation und eines Fortschrittes, indem man die zur Zeit allgemein gültige Meinung über windet.

Die räumliche Struktur des Atoms hat LANDÉ noch in den nächsten sieben Jahren intensiv beschäftigt. SOMMERFELD hatte 1916 begonnen, die neue Atomtheorie auf den ZEEMAN-Effekt anzuwenden und allgemeine Systeme mit mehr als einem Freiheitsgrad zu betrachten. Das Ergebnis dieser erfolgreichen Untersuchungen war, neben der berühmten SOMMERFELDschen Feinstrukturformel, auch eine allgemeine Quantisierungsregel, nämlich für mehrere Freiheitsgrade , während die koplanaren BOHRschen Bahnen nur eine Quantenzahl n aufweisen. Insbesondere folgt daraus, daß die räumliche Orientierung der Elektronenbahnen nur diskrete Werte annehmen kann, präziser gesagt, der Drehimpuls ist quantisiert. SOMMERFELD hat seine allgemeine Quantisierungsregel (die 1917 von EINSTEIN noch weiter verallgemeinert wurde) nicht weiter verfolgt. Statt dessen hat er versucht, die räumliche Orientierung aus der Bedingung der minimalen Energie abzuleiten. LANDÉs Arbeiten über kubische und tetraedrische Elektronenbahnen ("Würfelatome") fand bei SOMMERFELD, DEBYE und BOHR großes Interesse. Aber Anfang 1919 wandte sich LANDÉ der Spektroskopie zu, obwohl die Weiterführung des Studiums der räumlichen Orientierung der Atome das interessanteste Problem der Zeit war. Diese Wendung ist nicht durch Logik oder Mode zu erklären, war aber bedingt durch die Umstände des deutschen akademischen Systems. Im Herbst 1918 war bereits bekannt, daß im Sommersemester 1919 MAX VON LAUE auf ein Ordinariat in Berlin und gleichzeitig MAX BORN auf von LAUEs Lehrstuhl in Frankfurt am Main berufen würden. Es war auch geplant, daß BORN LANDÉs Habilitation in Frankfurt am Main unterstützen würde.

Hier beginnt die Frankfurter Periode ALFRED LANDÉs, vielleicht die wichtigste Periode seines Lebens vom wissenschaftlichen Standpunkt aus. Die Arbeiten aus dieser Zeit haben ihm dauernden Ruhm eingetragen und durch sie ist er besonders bekannt geworden.

In den letzten Tagen des Dezembers 1918 verließ LANDÉ Berlin, um an der Odenwaldschule, einer Privatschule etwa 60 Kilometer südlich von Frankfurt am Main und 30 Kilometer nördlich von Heidelberg an der Bergstraße, seinen Dienst als Lehrer aufzunehmen. Später erinnert er sich "Morgens hatte ich frei für die Theoretische Physik, nachmittags verdiente ich meinen Lebensunterhalt durch Musikunterricht in einer geistig sehr anregenden Atmosphäre unter Erziehern, Künstlern, Naturliebhabern u. a. Einmal nur wurde diese Tätigkeit durch einen kurzen Besuch in Kopenhagen unterbrochen."

LANDÉ konzentrierte sich auf seine Habilitationsschrift, die eine selbständige Arbeit sein sollte, unabhängig vom Thema der Zusammenarbeit mit BORN. Er wandte sich dem Problem der Atome mit mehreren Elektronen zu, insbesondere zum einfachsten Fall, dem Spektrum des Heliums. Die Spektroskopie des Heliums war experimentell gründlich von FRIEDRICH PASCHEN untersucht worden, aber es existierte keine theoretische Interpretation. Das Spektrum zeigte nichtkombinierende Singulett und Dublett (eigentlich Triplett-, wie sich später herausstellte) Terme es sah so aus als ob Helium aus zwei verschiedenen Substanzen bestünde. Heute wissen wir, daß ein Termsystem aus übergängen zwischen S = 0 - (S ist die Gesamtspinquantenzahl) Zuständen (Parahelium), und das andere System aus Übergängen zwischen S = 1 Zuständen (Orthohelium) besteht mit der Auswahlregel deltaS = 0, was die Unabhängigkeit dieser zwei Termsysteme erklärt. Wir heutigen Physiker können uns kaum noch vorstellen, wie schwierig, mühsam und langwierig es war, die Rätsel, die die komplexen Spektren aufgaben, zu lösen. Solange keine vollständige physikalische Theorie vorliegt, sind wir gezwungen, systematisch zu beobachten und verschiedene empirische Regeln miteinander zu kombinieren zu suchen. Die Periode der frühen Quantentheorie von 1913 bis 1926 erinnert uns an die heutige Elementarteilchenphysik, in der wir auch in den komplizierten Teilchenspektren und Teilchenreaktionen Gesetzmäßigkeiten, Symmetrien und Auswahlregeln aufzuzeigen versuchen.

Obwohl die He-Arbeiten von LANDÉ noch mit Fehlern behaftet waren, enthielten sie in einer expliziten und impliziten Weise mehrere neue wichtige Ideen, die später Früchte tragen sollten; unter anderem die Regel der Vektoraddition von zwei quantenmechanischen Drehimpulsen J1 und J2, die durch die Quantentheorie später bestätigt wurde. LANDÉ betrachtete diese Heliumarbeiten nur als Episode, doch sie haben ihren Zweck erfüllt, denn LANDÉ erhielt, mit BORNs Unterstützung, die venia legendi im Sommersemester 1919.

Frankfurt am Main soll damals die teuerste Stadt Deutschlands gewesen sein, und da man vom Kolleggeld allein nicht leben konnte, blieb LANDÉ an der Odenwaldschule und kam wöchentlich nach Frankfurt, um seine Vorlesung als Privatdozent zu halten, wohl auch in Erwartung eine noch zu bewilligende Assistentenstelle zu erhalten. Erst im Dezember 1920 oder Januar 1921 übersiedelte er nach Frankfurt am Main und mietete ein Zimmer bei Frau Geheimrat FREUND, der Witwe eines Professors der Chemie an der Universität.

Im Jahre 1922 heiratete er ELISABETH GRÜNEWALD. Zwei Söhne entstammen dieser Ehe. ARNOLD LANDÉ ist heute Chirurg in Minneapolis, CARL LANDÉ Professor für Politische Wissenschaften an der University of Kansas. Das brennendste Problem der Physik der damaligen Zeit war die Aufgabe, den anomalen ZEEMAN-Effekt zu erklären. Dem hatte SOMMERFELD gerade eine lange Untersuchung gewidmet, worauf sich viele junge Physiker diesem Problem zuwandten. Nach einem Besuch bei BOHR in Kopenhagen im Oktober 1920 begann auch LANDÉ im Dezember das Problem des anomalen ZEEMAN-Effektes ernsthaft zu studieren. Die kurze Zeitspanne von drei bis vier Monaten, also vom Dezember 1920 bis April 1921 in Frankfurt am Main, die mit der Entdeckung der bekannten LANDÉschen g-Formel und der Erklärung des anomalen magnetischen ZEEMAN-Effektes durch LANDÉ endete, ist physikalisch, historisch und menschlich dermaßen interessant, daß ihm der Historiker PAUL FORMAN eine längere Untersuchung widmete [1]. Sie enthält u. a. stürmische Briefwechsel über die Priorität der Publikation zwischen LANDÉ, SOMMERFELD, ERNST BACK und FRIEDRICH PASCHEN.

Es ist eine Duplizität der Ereignisse, daß zur gleichen Zeit und im gleichen Institut in Frankfurt am Main, OTTO STERN und WALTER GERLACH ihre epochemachenden Experimente über die magnetische Zerlegung von Atomstrahlen durchführten, also die Drehimpulsquantisierung im STERN-GERLACH Versuch. Daß dies mit den von LANDÉ entdeckten halbzahligen Drehimpulsquantenzahlen zusammenhängt, sollte sich erst viel später herausstellen.

LANDÉ fand die g-Formel, als er die ZEEMAN-Spektren analysierte, indem er sie in zwei ZEEMAN-Terme zerlegte und darauf das alte RYDBERGsche Kombinationsprinzip anwandte. LANDÉ schreibt dazu: "Once this was done, and a structural interpretation was suggested on the basis of orbits arranged in space (rather than sticking to the fixed idea of "planetary orbits" all in one plane), it was simple to see that each spectral term had its peculiar gyromagnetic factor g (LANDÉs factor). After this it was not a difficult puzzle to combine the various clay tablets established by BACK into a coherent language in which the strange word k(k+1), instead of k2, and the like, occured for the first time. But picking up the key, lying there for twenty years was the decisive step" [2]. Der Ausdruck k(k+1), von dem LANDÉ spricht, für den Betrag des Drehimpulses wurde auch später durch die Quantentheorie bestätigt.

In der Sprache der Quantentheorie erhält man die LANDÉsche g-Formel heute wie folgt: L sei der Gesamtbahndrehimpuls der Elektronen, S der gesamte Spinoperator, und der totale Drehimpuls. Das magnetische Moment des Systems ist gegeben durch , weil ein Spindrehimpuls doppelt soviel zum magnetischen Moment beiträgt wie ein Bahndrehimpuls. Hier ist das BOHRsche Magneton. Demnach ist nicht parallel zu , sondern präzessiert um herum, übrigens genau so wie unsere Erde. In einem äußeren Magnetfeld liefert die Komponente des magnetischen Moments in Richtung von einen Beitrag zur Energie, der gleich ist. Der g-Faktor von LANDÉ ist nun definiert durch

darin ist m_J die magnetische Quantenzahl. Eine kurze quantentheoretische Rechnung ergibt dann

Daher erscheint heute die g-Formel als eine einfache Folge der Quantenregeln. Damals war es aber ein großer Durchbruch. Wieder erinnert sich LANDÉ: "Thus, working quite alone in Frankfurt am Main without encouragement from colleagues, I found the key, the g-factor, which then opened the drawer with the g-formula in it, when whole groups of older physicists, even the great atomist SOMMERFELD, remained in the dark" ... "I cracked the magnetic code of atomic structure by the g-factor, followed its applications in the g-formula."

LANDÉ hat sich bezüglich der Publikation seiner Arbeiten vor BACK in Tübingen sehr korrekt benommen (im Gegensatz zur Meinung SOMMERFELDs), so daß er auf Drängen FRIEDRICH PASCHENs im Herbst 1922 als Extraordinarius nach Tübingen berufen wurde. Tübingen war damals das Zentrum der Spektroskopie und eine Fülle von Daten, gesammelt von ERNST BACK, warteten auf Analyse und Interpretation. In Tübingen arbeitete LANDÉ die ersten drei Jahre weiter über Spektroskopie. Ab 1925-26 begann er sich mit der Quantentheorie der Strahlung, Lichtkohärenz und spontaner und induzierter Emission zu beschäftigen. Diese (vergessenen) Arbeiten sind wohl vielleicht eine der ersten über die noch zu entwickelnde neue Theorie der Quantenelektrodynamik. Er hat sogar, zusammen mit WALTER GERLACH, eine experimentelle Arbeit über die Kohärenz der Lichtquanten von räumlich weit getrennten Bündeln publiziert, ein Experiment, das von einem anderen Theoretiker, ERWIN SCHRÖDINGER, schon im Jahre 1920 versucht worden war, jedoch ohne eindeutiges Ergebnis. In dieser Zeit entstehen auch lange zusammenfassende Handbuchartikel: Axiomatische Begründung der Thermodynamik durch Caratheodory; Optik, Mechanik und Wellenmechanik; Optik und Thermodynamik; und ZEEMAN-Effekt.

Im Herbstsemester 1929 wurde LANDÉ an die Ohio State University in Columbus eingeladen, um eine Reihe von Vorlesungen zu halten. Nach einem zweiten Aufenthalt 1930/31 in Columbus, Ohio, entschloss er sich in den USA niederzulassen, zwei Jahre vor einer möglichen Vertreibung durch die Nationalsozialisten. In den ersten Jahren in USA hat er sich hauptsächlich der Lehre und der Niederschrift von Lehrbüchern gewidmet, denn aus dieser Zeit gibt es nur relativ wenige Arbeiten z. B. über die magnetischen Momente der Nukleonen und Kerne, Versuche zur Berechnung der SOMMERFELDschen Feinstrukturkonstante, eine dreiteilige Arbeit über die endliche Selbstenergie der Elektronen, und über die Wechselwirkung zwischen Elementarteilchen, also aus Gebieten neuerer Richtungen der fundamentalen theoretischen Physik. Nach 1954 aber greift er wieder mit der ihm eigenen großen Energie das Problem der Begründung und Interpretation der Quantentheorie auf, er nennt sie seine zweite produktive Phase.

Forschungsarbeiten über die Grundlagen der Quantenmechanik werden oft von den aktiven professionellen Physikern nicht sehr hochgeschätzt. Der Grund hierfür liegt vielleicht darin, daß hier viel Philosophie in die Physik gemischt wird und viele Schriften durch semantische Schwierigkeiten und Begriffe, noch zur Verwirrung beitragen. Es werden unterschiedliche Interpretationen gegeben und es ist schwer, Wichtiges von Unwichtigem zu unterscheiden. LANDÉ war Vorläufer einer Phase der neuen Begründungen der Quantentheorie, mit denen konkrete physikalische Aussagen über experimentell nachprüfbare Fakten gemacht werden können. Dies geschah, nachdem die erste Phase der Interpretation der Theorie mit wohlbekannten Diskussionen zwischen DE BROGLIE, SCHRÖDINGER, BOHR und EINSTEIN vorläufig zugunsten der BOHRschen Auffassung zu einer Lösung zu führen schien. Unbestritten ist, daß hier ein wichtiges tiefes Problem liegt, denn sonst wären nicht stets neue Anstrengungen gemacht worden, die Natur der quantenmechanischen Wahrheit zu ergründen. Wir kümmern uns z. B. kaum um die Interpretation der klassischen Mechanik. Das erneute Interesse wurde noch verstärkt durch die vielen schönen neuen Experimente mit neuen technischen Methoden, an einzelnen Quantensystemen, einzelnen Atomen, Elektronen und Photonen.

LANDÉ folgte zuerst der üblichen Kopenhagener Interpretation in seinem Buch Quantum Mechanics (PITMAN, London, 1950) "as a faithful follower of the dualistic views of BOHR and HEISENBERG". Doch damit begann auch seine Frustration, daß er die Quantentheorie nicht mit genügender Klarheit verstanden und präsentiert hat. In den folgenden Jahren, eigentlich bis zu seinem Tode, hat sich LANDÉ dann sehr energisch gegen die übliche meistakzeptierte Interpretation der Quantentheorie gewandt.

Alfred LANDÉ, um 1940

Die großen Auseinandersetzungen über die Grundlagen der Quantenmechanik erfolgen mindestens auf drei verschiedenen Ebenen. Die Teilchen-Welle-Dualität beim Verhalten der Elektronen und Lichtquanten, der strenge Determinismus gegenüber Wahrscheinlichkeitsaussagen für das Verhalten von Teilchen, und schließlich die objektive Existenz der materiellen Dinge in der Außenwelt. LANDÉ hat die vorläufige "Lösung" des Teilchen Welle-Problems durch das BOHRsche Komplementaritätsprinzip scharf kritisiert und fand sie unannehmbar. "I regard this whole duality principle as a misleading elephant made of a nonexisting mouse". Er war aber nicht ein bloßer Kritiker. Die Kritik war konstruktiv begleitet durch seine eigenen Postulate zur Begründung und Interpretation der Theorie. In einem konkreten Vorschlag erklärt er die Beugung der Elektronen an Kristallen nicht, wie in der üblichen Welle-Teilchen Dualität, durch die Welleneigenschaften der Elektronen, sondern durch die Quanteneigenschaften des Kristalls; Elektronen sind danach nur Teilchen. Er wendet eine frühere Idee von DUANE (1923) über Röntgenstrahlen jetzt auf Elektronen an: Eine Kristallstruktur mit der Periode L kann nur solche Impulsänderungen Delta p erleiden, die ein Vielfaches von 1/L sind. Das reziproke Gitter gewinnt also eine entscheidende Bedeutung. Man erhält das gleiche Resultat wie das BRAGGsche Gesetz für Wellenbeugung.

LANDÉ hatte zwar nicht die Absicht, die Quantentheorie durch eine völlig klassische Theorie zu ersetzen, ihm ging es darum, die Grenzen, die die Kopenhagener Interpretation der theoretischen Physik setzt, zu eliminieren, z. B. "es ist im Prinzip unmöglich, das Verhalten eines einzelnen Ereignisses zu beschreiben; es sind nur statistische Aussagen möglich über wiederholte ähnliche Ereignisse". Er hat keine Erklärung für die drei fundamentalen Quantisierungsregeln von PLANCK, SOMMERFELD und DUANE für Energie, Drehimpuls und Impuls, die er als fundamentale Postulate zugrunde legt. Auch andere wahrscheinlichkeitstheoretische Postulate entstammte seiner Feder.

Durch seine sorgfältigen Arbeiten in der Entwicklung der Quantentheorie und Spektroskopie, durch seine Ideen in der Theorie der Strahlung und Elementarteilchen, und schließlich durch seinen Mut gegen die herrschende Meinung, eine neue Begründung der Quantentheorie zu wagen, bezeugt er das Bemühen eines unabhängigen Geistes. Mit seinen frühen Arbeiten hat sich LANDÉ einen bleibenden Platz in der Physik dieses Jahrhunderts gesichert. ALFRED LANDÉ starb am 30. Oktober 1976 in Columbus/Ohio.

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Literatur

[1] Paul Forman, "Alfred LANDÉ and the anomalous Zeeman Effect, 1919-1921", Historical Studies in the Physical Sciences, Vol. 2, 1970, 153-261.
[2] "Selected Scientific Papers of Alfred LANDÉ", (edited by Barut and van der Merwe), Reidel, 1988, 557 pages.
[3] Perspectives in Quantum Theory. Essays in Honor of Alfred LANDÉ (edited bei Yourgraw and van der Merwe), Dover Publ., New York, 1971.

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Fußnoten

1 "Zur Methode der Eigenschwingungen in der Quantentheorie" Inaugural Dissertation, Kgl. Ludwig Maximilian Universität zu München (Dieterichsen Univ Buchdruckerei, Göttingen, 1914). LANDÉ ist wieder bescheiden; die Dissertation ist eine erhebliche Leistung in Mathematischer Physik.

 

geändert am 12. Dezember 2008  E-Mail: Webmasterpresse@uni-frankfurt.de

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