Ein Geist im Wasser und eine Blume beendeten die zweitausendjährige Atomdebatte

Autor: Tian Dawei

Atome: Fantasie oder Realität?

Die Kernenergie, auch als Atomenergie bekannt, begann mit der Erforschung von Atomen und Kernenergie durch den Menschen. Doch bis vor fast 100 Jahren glaubten viele Wissenschaftler nicht an die Existenz von Atomen.

Tatsächlich glaubte der antike griechische Gelehrte Demokrit vor mehr als 2.000 Jahren, dass alle Materie aus unteilbaren kleinen Teilchen, den sogenannten Atomen, besteht[1].

Demokrit glaubte jedoch, dass die Atome unendlich seien und viele Formen hätten, darunter konkave, konvexe, brillenförmige und hakenförmige. Sie unterschieden sich stark von den Atomen, über die wir heute sprechen, aber seine Ansicht wurde zu einer wichtigen ideologischen Quelle der antiken griechischen Atomtheorie[2].

(Es gibt natürlich auch eine andere Aussage, die besagt, dass Leukipp, der Lehrer von Demokrit, der erste war, der die Atomtheorie vorschlug. Es gibt jedoch keine eindeutigen Belege dafür, sodass man im Allgemeinen davon ausgeht, dass Demokrits Theorie bekannter war.)

Allerdings sind Atome zu klein und niemand hat je Atome oder Moleküle gesehen. Daher war die Atomtheorie, wie auch andere Theorien über den Ursprung der Materie, lange Zeit nur eine Hypothese und Spekulation.

Erst mehr als 2.000 Jahre später rückte John Dalton die Atomtheorie erneut in den Vordergrund. Dalton glaubte auch, dass alle Materie aus Atomen besteht und dass Atome unteilbar sind und nicht zerstört werden können.

Anders als Demokrit kam Dalton nicht aus der Luft auf diese Idee. Durch die Untersuchung von destilliertem Wasser entdeckte er, dass jedes Wasserteilchen gleich ist wie jedes andere Wasserteilchen und dass jedes Wasserstoffteilchen gleich ist wie jedes andere Wasserstoffteilchen.

Darüber hinaus bestimmte er experimentell die Elementmassen von sechs Elementen und erstellte ein Atommodell. Dennoch bleiben die Zweifel an der Atomtheorie bestehen. Dies sind lediglich Schlussfolgerungen. Niemand hat je Atome gesehen. Wie können wir also beweisen, dass es sich um reale Dinge handelt?

Damals war es jedoch nicht möglich, sie direkt zu sehen. Wenn man ihre Existenz also beweisen wollte, musste man andere Wege finden. Diese Methode entstand durch eine zufällige botanische Beobachtung.

Geist versteckt sich im Wasser

Der erste Mensch, der den Verbleib der Atome entdeckte, war ein schottischer Botaniker namens Robert Brown.

Brown beobachtete 1827 Pollen von Clarkia pulchella unter einem Mikroskop. Er stellte fest, dass die kleinen Partikel im Pollen ohne äußere Krafteinwirkung von selbst zitterten. Dieses Phänomen wurde als Brownsche Bewegung bekannt.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass in vielen populärwissenschaftlichen Inhalten davon die Rede ist, Brown habe das Zittern des Pollens gesehen. Tatsächlich ist die Partikelgröße des Pollens jedoch zu groß, um einer Brownschen Bewegung zu unterliegen. In Browns Originaltext hieß es „winzige Partikel aus den Pollenkörnern von Blumen“. [3] Es sind also die kleineren Partikel im Pollen, die vibrieren.

Zunächst dachte man, dass es sich bei diesem Phänomen um eine Art Lebensaktivität handeln müsse, dass sich etwas im Inneren des Pollens zu verändern beginne, wenn dieser mit Wasser in Berührung käme. Das Problem besteht jedoch darin, dass der von Brown beobachtete Pollen vor 20 Jahren gesammelt wurde und eigentlich tot sein sollte, sich aber dennoch wie frischer Pollen bewegte.

Brown spekulierte, dass diese Bewegung nichts mit alltäglichen Aktivitäten zu tun haben sollte. Dies ließ sich leicht überprüfen, und Brown fand eine Vielzahl anorganischer Substanzen, von Glasfragmenten bis hin zu Pulver aus der Sphinx.

Als ich all diese Dinge ins Wasser legte, begannen sie alle zu zittern. Dies zeigt, dass die Antriebskraft dieser kleinen Partikel nicht mit Lebewesen in Verbindung gebracht werden kann. Doch was damals die wirkliche treibende Kraft dahinter war, wusste Brown nicht, er hielt die Ergebnisse lediglich in seinem Beobachtungsprotokoll fest.

Aufgrund dieser Aufzeichnungen ist es für Atome unmöglich, dem Schicksal der Entdeckung zu entgehen.

Denn für diejenigen, die an die Existenz von Atomen und Molekülen glaubten, war die Brownsche Bewegung eine bemerkenswerte Entdeckung. Sie glauben, dass diese Bewegung das Ergebnis von Kollisionen zwischen den Partikeln und Wassermolekülen ist.

Bereits in den 1870er Jahren begannen einige Leute, die Brownsche Bewegung mit der zufälligen Bewegung von Molekülen zu erklären. Doch ein Problem konnten die Menschen damals nicht lösen: Die Partikelgröße von Partikeln war viel größer als die von Wassermolekülen, genauso wie ein kleiner Ping-Pong-Ball einen großen Ball von der Größe eines Stadions nicht wegschieben konnte.

Endlich, 78 Jahre nachdem Brown die Brownsche Bewegung entdeckt hatte, kam die Antwort.

Einsteins Wunder

Es war Einstein, der dieses Problem löste. Darüber hinaus war das Jahr, in dem dieses Problem gelöst wurde, auch „1905, Einsteins Wunderjahr“, in dem Einstein seinen großen Durchbruch hatte.

In diesem Jahr veröffentlichte Einstein vier Arbeiten, darunter „Die Bewegung von Teilchen in einer statischen Flüssigkeit, die für die kinetische Wärmetheorie erforderlich ist“, in der er das Problem der Brownschen Bewegung löste.

Einsteins Argument war, dass eine einzelne Kollision zwar keinen Stoß hervorrufen würde, Milliarden zufälliger Kollisionen pro Sekunde jedoch einen ausreichend starken Effekt hätten, um unter dem Mikroskop sichtbar zu sein.

Noch wichtiger ist, dass Einstein theoretisches Wissen über Viskosität und Diffusionsrate sowie experimentelle Daten nutzte, um die Brownsche Bewegung vorherzusagen. Bei einem Partikel mit einem Durchmesser von 1/1000 mm, der in reines Wasser bei 17 °C gegeben wird, beträgt seine durchschnittliche Verschiebung innerhalb einer Minute 6 Mikrometer.

Darüber hinaus gab Einstein in seinem Artikel auch eine klare Methode zur Messung der Größe von Atomteilchen an. Dies ist eine äußerst spezifische, überprüfbare Vorhersage.

Schon bald, nur drei Jahre später, bestätigte der französische Wissenschaftler Jean-Baptiste Perrin Einsteins Vermutung und bewies, dass Atome existieren. Für diese Forschung erhielt Perrin 1926 auch den Nobelpreis für Physik.

An diesem Punkt ist die Frage, ob Atome existieren, endgültig geklärt. Doch sowohl Demokrit als auch Dalton haben eines falsch vermutet: Atome sind teilbar. Darüber hinaus werden Wissenschaftler bei der weiteren Zerlegung von Atomen Kräfte entdecken, die alles in ihrer Welt zerstören können.

Quellen:

[1] Kenny, Anthony (2004). Antike Philosophie. Eine neue Geschichte der westlichen Philosophie. rollen. 1. Oxford, Großbritannien: Oxford University Press. Seiten 26-28. ISBN 0-19-875273-3.

[2] Bernard Pullman (1998). Das Atom in der Geschichte des menschlichen Denkens. Oxford, Großbritannien: Oxford University Press. Seiten 31-33. ISBN 978-0-19-515040-7.

[3] Robert Brown: „Ein kurzer Bericht über mikroskopische Beobachtungen, die in den Monaten Juni, Juli und August 1827 an den im Pollen von Pflanzen enthaltenen Partikeln und an der allgemeinen Existenz aktiver Moleküle in organischen und anorganischen Körpern durchgeführt wurden.“ In: Philosophisches Magazin. Band 4, 1905, S. 161–173.

Dieser Artikel wurde vom Science Popularization China-Starry Sky Project (Erstellung und Kultivierung) erstellt. Bei Nachdruck bitten wir um Quellenangabe.