Die subtilen Ideen der Physik können in einem einfachen Bild liegen

Von allen Werkzeugen, die einem Physiker zur Verfügung stehen, ist das Zeichnen (Skizzieren) seit jeher ein weit verbreitetes, aber äußerst wirksames Werkzeug, und es genügen möglicherweise nur wenige Striche, um die Kernkonzepte der Physik wiederzugeben. Es bietet uns eine Perspektive, um die Geschichte des wissenschaftlichen Denkens zu verstehen und daraus die Entwicklung der Physik abzuleiten. Von Aristoteles vor über 2.000 Jahren bis hin zur Röntgenkristallbeugung liefert dieser Artikel mehrere interessante und tiefgründige Beispiele.

Geschrieben von Don S. Lemons (emeritierter Professor für Physik, Bethel College)

Übersetzung | Schnee

Aristoteles' Universum

Haben Sie schon einmal jemanden sagen hören: „Die Wissenschaftler werden irgendwann herausfinden, wie es geht“? Sie können „es“ durch eine eigene Frage ersetzen. So etwas wie Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit? Eine Wärmekraftmaschine mit 100 Prozent Wirkungsgrad bauen? Energie aus der kosmischen Mikrowellenhintergrundstrahlung gewinnen? Es stimmt, dass einige Dinge, die einst für unmöglich gehalten wurden, irgendwann wirklich möglich werden, aber nicht alle unsere Träume können wahr werden. Schließlich leben wir in einer Welt der Natur: Es gibt bestimmte Arten des Seins und der Anpassung, der Wahrung der Beständigkeit und der Veränderung.

Wir können die Natur verstehen und Wege finden, sie zu nutzen, aber wir haben keine Macht, die Natur der Dinge zu ändern. Francis Bacon (1561–1626) glaubte: „Um die Natur beherrschen zu können, muss man ihr gehorchen.“ Aristoteles (384–321 v. Chr.) gab uns dieses unverzichtbare Konzept der Natur, das diejenigen, die glauben, dass Wissenschaftler und Ingenieure alles können, möglicherweise unbeabsichtigt ablehnen.

Das Wort „Natur“ stammt von einer lateinischen Wurzel, deren entsprechendes griechisches Wort φύσις oder phusis ist, was auch der Ursprung der Physik ist. Die moderne Physik entstand aus der Auseinandersetzung mit einigen Ideen des Aristoteles. Aristoteles‘ Naturkonzept ist der Grundstein der modernen Physikpraxis.

Abbildung 1

Abbildung 1 zeigt das Universum des Aristoteles, das nicht dem entspricht, was die Menschen beobachten, sondern einem Zustand, der zur Vollkommenheit tendiert – gemäß der von Aristoteles vorgeschlagenen Natur. Erde und Wasser bewegen sich zum Zentrum hin, weil Erde fester ist als Wasser. Luft und Feuer bewegen sich nach oben vom Zentrum weg, da Feuer leichter aufsteigt als Luft. Daher kommt es im Bereich unter dem Mond zu einer Auf- und Abbewegung. Die Materie über dem Mond besteht aus einer fünften Substanz, der Quintessenz oder dem Äther. Die Sonne, freie Sterne und Planeten (in Abbildung 1 nicht dargestellt) befinden sich auf transparenten Kugeln und drehen sich in konzentrischen Kreisen um die Erde. Charakteristisch für die Mondregion ist die Kreisbewegung.

Aristoteles übernahm zur Beschreibung seines Universums viele Dinge von seinen vorsokratischen Vorgängern, beispielsweise die vier Elemente (Erde, Luft, Feuer und Wasser) und die Umlaufbahnen der Himmelssphären. Darüber hinaus wurde in der vorsokratischen Philosophie erstmals der Begriff der Natur vorgeschlagen. Aristoteles integrierte diese Ideen in ein geordnetes Ganzes, den Kosmos, der die Fragen seiner Zeit beantwortete und mit alltäglichen Beobachtungen übereinstimmte.

Diese letzte Aussage muss relativiert werden, da Aristoteles feststellte, dass sich sublunare Materie nicht immer nach oben oder unten bewegt. Wenn Sie beispielsweise ein Stück Erde werfen, ähnelt seine Bewegungsbahn einer Parabel: zuerst nach oben und dann nach unten, und es bewegt sich immer in die Richtung, in die es geworfen wurde. Nach der Theorie des Aristoteles erfordert Bewegung einen Beweger. Wenn dieser Beweger nicht das Wesen des bewegten Objekts ist, dann muss die Bewegung durch äußere Kräfte übertragen und aufrechterhalten werden, das heißt, sie muss „zwanghaft“ sein. Daher sind es die Hand, die den Ton wirft, und die Luft, die ihn in Bewegung versetzt, die die unnatürliche horizontale Bewegung des Tons verursachen.

Dieser Ansicht zufolge ist die Kontrolle von Objekten und die Untersuchung ihres Verhaltens – also die Durchführung von Experimenten – keine zuverlässige Methode zur Erforschung der Natur. Dies zu tun ist sinnlos und entspricht nicht seiner Natur. Beispiel: Ein Junge wirft aus einer Laune heraus auf eine bestimmte Art und Weise Schlammklumpen. Ein Naturphänomen zu manipulieren bedeutet, seine Natürlichkeit zu zerstören – so sah es zumindest Aristoteles.

Dennoch war Aristoteles ein großartiger Naturbeobachter und, wie der berühmte Wissenschaftshistoriker George Satron einmal sagte, „einer der größten Philosophen und Wissenschaftler, die je gelebt haben.“ Er entdeckte das Hebelgesetz und führte die erste systematische Studie der Meteorologie durch. Er „führte umfangreiche botanische, zoologische und anatomische Untersuchungen durch und erlangte ein klares Verständnis der grundlegenden Probleme der Biologie: Geschlecht, Vererbung, Ernährung, Wachstum und Anpassung.“ Er konstruierte die Elemente der Logik und erfand die Induktionsmethode. Aristoteles schrieb auch unsterbliche Werke zur Literaturkritik, Ethik und Metaphysik. Tatsächlich berührte Aristoteles nahezu jeden Bereich des menschlichen Wissens.

Im Jahr 335 v. Chr. gründete Aristoteles das Lyzeum, eine Schule für Philosophie und Naturwissenschaften. Diejenigen, die Aristoteles folgten, wurden Peripatetiker genannt, was bedeutet, dass sie im Laufe der Zeit lernten. Aristoteles’ berühmtester Schüler war Alexander der Große, Sohn von Philipp II. von Mazedonien, der die damals bekannte Welt eroberte.

Aristoteles glaubte, dass die Himmelskugel perfekt sei. Die Bewegung hier ist nicht wie in der nicht mondbeschienenen Welt, die natürlich und schön ist und letztlich nur durch den Wunsch nach dem Guten verursacht wird. Es ist leicht zu erkennen, warum Aristoteles‘ Ansichten über das Universum das Denken und die Literatur 2.000 Jahre lang beeinflusst haben. Schließlich ist es eine Freude und ein Segen, jeden Abend in den Sternenhimmel zu blicken und sich von seiner Vollkommenheit inspirieren zu lassen.

Leonardo da Vinci und der Erdschein

Wenn es in „Die Physik der Malerei“ ein Kapitel mit dem Titel „Wissenschaft in der Renaissance“ gäbe, wäre Leonardo da Vinci (1452–1519) das kanonische Beispiel. Obwohl Leonardo ein Mann der Renaissance war, war er nicht die Art von Gelehrtem, die von den Humanisten seiner Zeit bewundert wurde – ein Mann, der in klassischer Geschichte und Literatur bewandert war, perfekte Lateinkenntnisse besaß, rhetorisch begabt war und in der Lage war, bei öffentlichen Versammlungen selbstbewusst zu sprechen. Leonardo da Vinci hingegen verfügte über eine unvollständige Ausbildung, schlechte Lateinkenntnisse und wenig Interesse an öffentlichen Angelegenheiten. Doch Leonardo war ein aufmerksamer Naturbeobachter, ein eifriger Experimentator und jemand, den die praktische Anwendung anzog. Während der italienischen Renaissance beriefen sich klassisch gebildete Gelehrte auf Autoren, während Leonardo da Vinci sich auf Erfahrungen berief.

Leonardo ließ seine Erfahrungen in über 13.000 Seiten Notizen voller Zeichnungen und Text einfließen. Diese Skizzen bereicherten die Sprache der Visualisierung. Er machte innovativen Gebrauch von der Vogelperspektive, die in der Topographie und Kartografenkunde nützlich war, und er dachte auch daran, verschiedene Seiten desselben Objekts darzustellen, zum Beispiel die Aorta einer Kuh. Er war ein Pionier bei der Verwendung anatomischer Querschnitte und stellte fest, dass helle Objekte größer erscheinen als gleich große, aber in gleicher Entfernung weniger leuchtende Objekte.

Leonardo da Vinci beabsichtigte wahrscheinlich, aus seinen Aufzeichnungen eine reich illustrierte Enzyklopädie zu machen, die sämtliches technisches Wissen enthält. Wenn sie uns jedoch präsentiert werden, ist in den Manuskripten nur die durch die Wechselfälle seines Lebens vorgegebene Ordnung erhalten geblieben. Er schrieb in der Regel von rechts nach links, wobei die Schrift nach links geneigt war, die sogenannte Spiegelschrift. Wir wissen nicht, ob dies getan wurde, um die Privatsphäre seiner Arbeit zu schützen oder einfach, weil er Linkshänder ist.

Abbildung 2

Dennoch helfen uns die Notizen zu verstehen, warum Leonardo ein kreatives Genie war, aber wenig Einfluss auf die Entwicklung der Wissenschaft hatte. Wie Archimedes konzentrierte er sich auf unabhängige Probleme. Anders als Archimedes gelang es Leonardo da Vinci nicht, einen zusammenhängenden Gedankengang zu entwickeln, der mehr erklären würde. Es ist, als ob seine äußerst reiche intellektuelle und bildliche künstlerische Vision seine wissenschaftlichen Bemühungen untergrub und ihn so daran hinderte, kraftvolle, abstrakte theoretische Erklärungen zu entwickeln. Trotzdem sind die Fragmente seiner Gedanken faszinierend. Abbildung 2 zeigt eines davon, das Erdlicht.

Wenn sich der Mond in der Sichel- oder abnehmenden Phase befindet, weist der relativ dunkle Schattenbereich neben der Sichel ein schwaches, geisterhaftes Licht auf, wie im linken Teil von Abbildung 2 gezeigt. Auf der rechten Seite von Abbildung 2 ist Leonardo da Vincis Erklärung des Erdreflexionsphänomens dargestellt. Dabei handelt es sich um die früheste schriftliche Aufzeichnung dieses Phänomens. Seiner Erklärung zufolge wird ein großer Teil des Sonnenlichts, das auf die Erde trifft, von der Erdoberfläche reflektiert. Der Anteil des Lichts, der von der Erdoberfläche reflektiert wird (Albedo), liegt bei fast 30 %. Ein Teil dieses reflektierten Lichts gelangt zur dunklen Seite des Mondes, und ein Teil wird zur Erde zurückreflektiert, was wir als Erdschein wahrnehmen.

In Leonardos Erklärung liegt ein Detailfehler vor. Er glaubte, dass das Sonnenlicht hauptsächlich von den Ozeanen der Erde reflektiert wird, insbesondere von den Wellenkämmen der Ozeane. Tatsächlich wird von den Wolken der Erde weitaus mehr Licht reflektiert als vom Ozean. Von Orbitern aufgenommene Fotos können bestätigen, dass die hellsten Teile der Erde von Wolken bedeckte Bereiche sind. Wenn sich die Wolkenbedeckung der Erde ändert, ändert sich auch das Albedo der Erde. Im Gegensatz dazu hat der Mond keine Atmosphäre und sein durchschnittliches Albedo bleibt konstant bei etwa 12 %. Daher ist die Messung von Änderungen der Intensität des von der Erde reflektierten Lichts gleichbedeutend mit der Messung von Änderungen des Albedos der Erde. Letzterer ist zu einem wichtigen Parameter in Klimaänderungsmodellen geworden.

Als Leonardo durch die Straßen von Florenz und Mailand ging, hatte er ein Notizbuch bei sich, in das er alles skizzierte, was seine Aufmerksamkeit erregte: Menschen, Gebäude und Landschaften. Manchmal verfolgte er einen Fremden stundenlang, bis er sein Aussehen grob auf Papier skizzieren konnte. Leonardo da Vinci zeichnete viele der Dinge, die er sich vorstellte: Flugmaschinen, Kanonen, die Sprengbomben abfeuerten, Schuhe, mit denen man auf dem Wasser laufen konnte und so weiter. Er konstruierte ein Auto, das von zwei Federsätzen angetrieben wurde, die das Auto nach vorne drückten, wenn sie losgelassen wurden. Er stellte sich außerdem einen rotierenden Grill vor, der durch das Feuer angetrieben wurde, auf dem das Fleisch gegrillt wurde, und ein Bordell mit vielen Türen. Viele seiner Entwürfe waren praktischer Natur und könnten wahrscheinlich hergestellt werden. Doch niemand wollte sein Weckgerät bauen, das aus einer mechanischen Übertragung bestand, die, wenn sie durch eine Wasseruhr ausgelöst wurde, die Füße des Schlafenden in die Luft riss.

Leonardo interessierte sich auch sehr für Mathematik und fertigte Illustrationen für das Mathematiklehrbuch De Divina Proportione (1509) seines Freundes Luca Pacioli an. Leonardo ist natürlich vor allem für seine Gemälde bekannt – insbesondere „Das letzte Abendmahl“ und „Mona Lisa“ –, die lebendig sind und ausdrucksstarke Gesichter, lebensechte Hände und pyramidenförmige Strukturen aufweisen. Leonardo da Vinci verwendete in seinen Gemälden eine größere Palette von Hell und Dunkel, als man normalerweise mit bloßem Auge erkennen kann – Kunsthistoriker nennen dies Chiaroscuro. Vielleicht war der Künstler Leonardo vom Helldunkel des von der Erde reflektierten Lichts angezogen, während der Wissenschaftler Leonardo nach Erklärungen suchte.

Röntgenstrahlen und Kristalle

Am 8. November 1895 entdeckte Wilhelm Conrad Röntgen (1845–1923) bei Experimenten zufällig, dass aus dem Ende der Kathodenstrahlröhre (einer Vakuumglasröhre) einige „Strahlen“ austraten. Diese Strahlen scheinen in einer geraden Linie aus dem Ende der Röhre auszutreten, wodurch das fluoreszierende Material zum Leuchten gebracht und auf dem fotografischen Film belichtet wird. Diese Strahlen können die Haut durchdringen, aber nicht die Knochen, und Röntgen nutzte sie, um die Knochen der Hände seiner Frau zu fotografieren. Er nannte diese Strahlen Röntgenstrahlen. Röntgens Röntgenstrahlen erfreuten sich als neue Art der Fotografie sofort großer Beliebtheit. Die New York Times berichtete bereits 1896 über Röntgens Entdeckung. In diesem Jahr wurden über 1.000 Fach- und Publikumsartikel sowie mehr als 50 Bücher und Broschüren veröffentlicht, die Röntgenstrahlen beschrieben. Röntgen war jedoch mit der Publizität nicht sehr zufrieden und beschwerte sich: „Ich kann meine Arbeit in den Berichten nicht wiedererkennen.“ Aber immerhin hatte er eine neue Karriere begonnen. In diesem Frühjahr schrieb der junge Ernest Rutherford (1869–1942) an seine Verlobte: „Jeder Professor in Europa versucht, Röntgenstrahlen zu verstehen.“

Abbildung 3

Die Natur der Röntgenstrahlen wurde erst langsam verstanden, doch im Jahr 1912 deuteten immer mehr Beweise darauf hin, dass es sich bei Röntgenstrahlen um elektromagnetische Wellen mit sehr hoher Frequenz und sehr kurzer Wellenlänge handelte. Dieses Verständnis ist in der linken Hälfte von Abbildung 3 zu sehen: Die Elektronen werden auf hohe Geschwindigkeiten beschleunigt und kollidieren mit dem Ende der Vakuumglasröhre, wodurch Röntgenstrahlen mit der kurzen Wellenlänge der Kollision erzeugt werden, die die Energie und den Impuls der Elektronen transportieren. Dies überzeugte jedoch nicht alle und manche glaubten immer noch, dass es sich bei Röntgenstrahlen um Teilchen handele. (Erst später wurde den Menschen die Welle-Teilchen-Dualität bewusst.)

Max von Laue (1879–1960), ein Zeitgenosse und Freund Einsteins, schlug ein Experiment vor (siehe rechte Hälfte von Abbildung 3), dessen Ergebnisse bestätigten, dass Röntgenstrahlen Wellen sind. Schon 1912, als ihm ein Student seine Forschungen zur Wechselwirkung langwelliger elektromagnetischer Wellen mit den Atomen oder Molekülen, aus denen Kristalle bestehen, vorstellte, fragte sich von Laue: „Warum bestrahlen wir Kristalle nicht mit Röntgenstrahlen?“ Da der Abstand zwischen Atomen oder Molekülen in einem typischen Kristall (10-8 cm) nur geringfügig größer ist als die geschätzte Wellenlänge von Röntgenstrahlen (10-9 cm), sollten Röntgenwellen nach dem Durchgang durch den Kristall ein Interferenzmuster erzeugen, d. h. ein Muster konstruktiver oder destruktiver Überlagerung. Dieses Interferenzmuster sollte dem Muster ähneln, das entsteht, wenn sichtbares Licht durch ein Beugungsgitter (eine Reihe paralleler Schlitze) fällt. In beiden Fällen hängt die Entstehung von Interferenzmustern von der Natur der Welle ab – der Beugung, also der Abweichung des Lichts von der geradlinigen Ausbreitung.

Obwohl die Röntgeninterferometrie geometrisch eine kleinere Version der Interferometrie mit sichtbarem Licht ist, sind die beiden Situationen physikalisch völlig verschieden. Röntgenstrahlen durchdringen einen Kristall und passieren dabei geladene Teilchen (Atome oder Moleküle), die in ihm vibrieren. Diese Atome senden wiederum neue Wellen aus und geben die Wechselwirkung von einem Atom zum nächsten weiter, bis das letzte Atom am anderen Ende des Kristalls wie eine Reihe regelmäßig angeordneter Funksignale ausstrahlt. Sichtbares Licht kann ungehindert durch die Schlitze des Beugungsgitters gelangen und vom die Schlitze umgebenden Material absorbiert oder reflektiert werden. Von Laue überredete zwei Kollegen, Walter Friedrich (1883–1968) und Paul Knipping (1883–1935), seine Idee zu testen. Sie führten erste Experimente mit den vorhandenen Materialien und Geräten durch und hielten das in Abbildung 4 gezeigte Röntgeninterferenzmuster auf Film fest. Es besteht aus einer Anzahl dunkler Flecken, von denen jeder eine konstruktive Interferenz nach der Beugung der Röntgenstrahlen darstellt, wobei sich in der Mitte ein größerer dunkler Fleck befindet, der den Überrest der ursprünglichen Strahlen darstellt. Das Bild erregte Aufmerksamkeit und es wurden Gelder für detailliertere Experimente eingeworben, die von Laues detaillierte Analyse später vollständig bestätigten. Von Laue, Friedrich und Nepping veröffentlichten ihre ersten Ergebnisse im Juni 1912.

Abbildung 4

Von Laues Idee war brillant und seine Demonstration war vollständig. Anstatt jahrelang einer Idee nachzugehen, habe er „plötzlich erkannt, dass dieser Weg der kürzeste zum Erfolg sei, was sich später auch als richtig herausstellte.“ Das Nobelkomitee verlieh von Laue 1914 den Physikpreis für seine „Entdeckung der Beugung von Röntgenstrahlen an Kristallen“. Von Laue brauchte weniger als drei Jahre, um vom Privatdozenten (einem Junior-Fakultätsmitglied ohne festes Gehalt) zum Nobelpreisträger aufzusteigen.

Von Laue lebte lange genug, um den Nationalsozialismus und den Zweiten Weltkrieg zu überleben. Er wandte sich offen gegen die Verfolgung der Juden und die Förderung einer „deutschen Wissenschaft“ und leugnete beispielsweise die Relativitätstheorie, weil Einstein Jude war. Während des Krieges blieb er in Deutschland, wurde zu einem unverblümten Kritiker der Nazis und half seinen jüdischen Kollegen heimlich bei der Auswanderung und anschließenden Flucht. Nach dem Krieg half von Laue beim Wiederaufbau der deutschen Wissenschaftsinstitutionen. 1960 wurde er auf dem Weg zur Arbeit von einem Motorrad angefahren. In den wenigen verbleibenden Tagen verfasste von Laue seine Grabinschrift: „Er starb im Vertrauen auf die Barmherzigkeit Gottes.“

Dieser Artikel ist ursprünglich ein Auszug aus Drawing Physics: 2,600 Years of Discovery From Thales to Higgs (MIT Press, 2018), der Originaltitel lautet Drawing Physics, From Aristotle's Universe to Max von Laue's X-Ray Crystallography

Originallink:
https://thereader.mitpress.mit.edu/drawing-physics-from-aristotles-universe-to-max-von-laues-x-ray-crystallography/

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