Sternstunden der Physik

Bereits im alten Griechenland stellte man sich die Frage: "was ist die kleinste Einheit unserer Materie"? Der griechische Philosoph Leukipp prägte bereits um das Jahr 400 vor Christus den Begriff des Atoms. Sein Schüler Demokrit griff die Idee der Unteilbarkeit der kleinsten Einheit auf und wies ihr bereits gewisse Eigenschaften zu, die sich teils im 19. Jahrhundert erst mathematisch bestätigen ließen. Leider wurde der bereits richtig eingeschlagene Weg Demokrits, durch die "vier Elemente Hypothese" Aristoteles', wieder verworfen. Danach tat sich fast 2300 Jahre lang in punkto Elementarphysik so gut wie nichts. Erst die Fallgesetzte Galileo Galileis zeigten auf, dass eine noch unbekannte Kraft alle Gegenstände im Vakuum mit gleicher Geschwindigkeit zur Erde fallen lässt.
Somit war die erste Grundkraft der Natur entdeckt - die Gravitation.
Die katholische Kirche veranlasste den Wissenschaftler Galilei zum Widerruf seiner Erkenntnisse und verzögerte somit weiteren Fortschritt in der Forschung damaliger Zeit. Dies sollte sich erst im Jahre 1687 ändern.

Sir Isaak Newton

Mit der Philosophiae Naturalis Principia Mathematika aus dem Jahre 1687 legte Sir Isaak Newton den Grundstein der klassischen Mechanik. Dieses Werk beschreibt die Bewegungsgesetzte in Bezug zur Gravitation und gilt heute noch als unentbehrliches Werk zur Berechnung der Bahnen von Himmelskörpern und Raumfahrzeugen. Dadurch wurde es erstmals möglich, die Kepler'schen Gesetze der Planetenbewegungen auch mathematisch zu bestätigen, womit Newton das Bild der Naturwissenschaft der kommenden 200 Jahre prägen sollte und indirekt das Konzept des Determinismus (absolute Zeit, absoluter Raum) schuf. Das Weltbild des Determinismus der damaligen Zeit wurde erst durch die Allgemeine Relativitätstheorie Einteins und der Unschärferelation Heisenbergs widerlegt.

Eine weitere grundlegende Erkenntnis erwarb sich Newton in Bezug zum Lichtbrechungsverhalten von Linsenteleskopen. Er entdeckte, dass die Aufspaltung des Lichts in die Spektralfarben an einem Glasprisma, auch das Lichtbrechungsverhalten eines Linsenteleskopes beeinflusst (siehe chromatische Aberration). Um diesen Effekt zu umgehen, entwickelte er ein Teleskop auf Basis eines Sammelspiegels - das Newton Spiegelteleskop (siehe Reflektor) war geboren. Er schuf damit ein weiteres unentbehrliches Hilfsmittel für die Astronomie.

Abgesehen von seinen überragenden Leistungen in Physik und Astronomie war er auch an vielen mathematischen Berechnungsgrundlagen, z.B. der Infinitesimalrechnung, beteiligt.
Sir Isaak Newton zählt somit zu den wichtigsten Wissenscharftlern die je gelebt haben und leutete den Startschuss ein, der die Wissenschaft aus dem Dunkel des Mittelalters in die Moderne führte.

Sir Isaak Newton (1643-1727)

Michael Faraday

Faraday, geboren 1791, zählte zu den begabtesten Experimentalwissenschaftlern überhaupt.
Nachdem der Chemiker Ørsted das Phänomen des Elektromagnetismus entdeckte, beschäftigte sich Faraday eingehend mit diesem Thema. Das Resultat zahlreicher Experimente war die Entdeckung der Elektromagnetischen Induktion, d.h. der Erzeugung magnetischer Kraftfeldlinien, durch elektrischen Strom. Somit war der Weg für weitere Entwicklungen geebnet, die unsere heutige technisierte Welt erst möglich machten. Dazu zählen beispielsweise die Entwicklung des Dynamos und des Elektromotors. Der berühmte Faradaysche Käfig dürfte wohl zu den bekanntesten Entwicklungen in Zusammenhang mit seinem Namen zählen.

Weitere wichtige Grundlagen schuf Michael Faraday im Bereich der Chemie. Er entwickelte beispielsweise rostfreie Stahllegierungen, die Grundlagen der Elektrolyse und die Verflüssigung von Gasen unter Druck.

Michael Faraday (1791-1867)

James Clerk Maxwell

Albert Einstein beschrieb das Werk Maxwells als "das Tiefste und Fruchtbarste, das die Physik seit Newton entdeckt hatte". Im Falle Maxwells ist es wirklich unglaublich wie eine einzelne Person den Lauf der Geschichte derart verändern kann.

Er beschäftige sich, auf Grundlage der Entwicklungen Faradays, Ampères und anderer Wissenschaftler, mit dem Elektromagnetismus. Hier bestimmte er die Geschwindigkeit Elektromagnetischer Wellen mit dem Faktor 3x10⁸m/s, was der Lichtgeschwindigkeit entspricht. Weiterhin stellte er fest, dass das Licht eine Erscheinung elektromagnetischer Wellen ist. Dazu veröffentlichte er seine berühmten Maxwellgleichungen, die die Wechselwirkung zwischen elektrischen und magnetischen Feldern mit der Materie erklären. Diese Erkenntnisse veranlassten Einstein schließlich auch zu seiner Formulierung der Speziellen Relativitätstheorie.

Aus den Veröffenlichungen Maxwells im Bereich der Farbblindheit, resultierten später die Entwicklung der Farbfotographie und des Farbfernsehers.

Sogar im Bereich der Kosmologie konnte Maxwell einen wichtigen Beitrag leisten. Zu seiner Zeit nahm man an, dass die Saturnringe aus fester oder flüssiger Materie bestehen müssten. Er konnte nachweisen, dass es sich dabei um eine Ansammlung kleiner Materieteilchen handelt.

Weitere bahnbrechende Erfolge erzielte Maxwell in der Erfoschung der Kinetischen Gastheorie. Diese Theorie befasst sich mit der Wärmeentwicklung und der Entstehung von Druck in Gasen.

James Clerk Maxwell (1831-1879)

Ernest Rutherford

Rutherford, der in Neuseeland geboren wurde und 1919 in Cambridge als Direktor tätig war, gilt als Vater des Atoms. Er zählt, zusammen mit Michael Faraday, zu den bedeutendsten Experimentalphysikern überhaupt.

Nachdem Antoine Henri Becquerel 1896 die Radioaktivität endeckt hatte, begann Rutherford sich eingehend mit dem radioaktiven Zerfall zu befassen. Er untersuchte die ionisierte Wirkung radioaktiver Strahlung auf Gase und entdeckte dabei die Alpha- und Beta-Strahlung. Die fruchtbare Zusammenarbeit mit seinen Kollegen Thomas Royds und Hans Geigers (der Entwickler des Geigerzählers) führte schließlich zu den Gesetzen des radioaktiven Zerfalls.

Der Beschuss dünner Materieschichten mit Alphastrahlung ließ Rutherford erkennen, dass ein Atom vorwiegend aus leerem Raum besteht. Das Rutherfordsche Modell des Atoms mit Kern war das Ergebnis dieser Forschung, aus der sich wiederum später die von Niels Bohr entwickelte Atomtheorie ergab.

1919 gelang Rutherford der Nachweis zur künstlich erzielten Kernumwandlung. 1932 bestätigte James Chadwick, ein Schüler Rutherfords, das von seinem Mentor lange Zeit bereits vermutete Neutron im Atomkern.

Ernest Rutherford (1871 - 1937)

Max Planck

Max Planck dürfte wohl jedem durch zahllose Institute in Deutschland, die nach ihm benannt wurden, geläufig sein. Das hat auch sicherlich seinen Grund, da er als genialer Mathematiker und Physiker der Begründer der heutigen Quantenphysik ist.

Planck hat für bedeutsame Entwicklungen und Entdeckungen die Grundlagen gebildet und erstmals mathematisch aufgezeigt, dass in der Welt der Quanten sehr wohl der Zufall eine Rolle spielt. Er stellte damit die Weltanschauung des Determinismus in Frage, die von einer Vorhersagbarkeit der Naturgesetzte ausging. Eine Folge dieser Erkenntnis war die sogenannte Unbestimmbarkeitsrelation (siehe Heisenberg), die voraussagt, dass man den Ort und die Geschwindigkeit eines Teilchens nicht gleichzeitig berechnen kann und sich dies nur rein statistisch bestimmen lässt.

Als Planck begann, sich mit der Schwarzkörperstrahlung zu befassen, war die Quintessenz seiner Forschung das Plancksche Wirkungsquantum "h". Dieses stellt eine fundamentale Größe in der Welt der Physik dar, vergleichbar mit den Bewegungsgesetzten Newtons oder der Relativitätstheorie Einsteins.

Dadurch ließen sich erstmals die Farben eines glühenden Körpers erklären, d.h. warum leuchtet Eisen mit zunehmender Temperatur erst rot, dann weiß und schließlich blau?.
Zur Erklärung: Wenn die Atome eines glühenden Körpers Energie in Form von Licht abgeben, so können sie dies nur in kleinen Portionen oder Quanten tun. Anstatt von Lichtteilchen zu sprechen, kann man sich das ausgesandte Licht auch als Welle vorstellen. Die Energie E der Quanten (oder Lichtteilchen oder auch Photonen) hängt mit der Frequenz f dieser ausgesandten Lichtwelle über die berühmte Gleichung E = h · f zusammen.
Unterschiedliche Frequenzen wiederum werden vom Auge als verschiedene Farben wahrgenommen. Je nach Experiment muss man sich zur Erklärung der Phänomene für das Wellen- oder das Teilchenbild entscheiden. Dass die Natur Quanten-Sprünge macht und damit eine körnige Struktur besitzt, hat Planck noch viele Jahre beschäftigt. Er bemühte sich jedoch vergeblich, seine Erkenntnis mit den Gesetzen der klassischen Physik in Einklang zu bringen.

Tatsächlich würde die Welt in ihrer heutigen Form nicht existieren, wenn das Plancksche Wirkungsquantum einen anderen Wert hätte (siehe Anthropisches Prinzip). Nicht nur die Farbe der Sonne wäre anders, sondern auch die Eigenschaften der Atome und Moleküle. Es ist fraglich, ob unter solchen Umständen überhaupt Leben hätte entstehen könnte.

Max Planck (1858 - 1947)

Albert Einstein

Man muss wohl nicht erwähnen, dass es sich bei Albert Einstein um den bekanntesten und beliebtesten Physiker handelt, der je gelebt hat. Seine Karriere begann vor genau 100 Jahren, als er mit einer Reihe von wissenschaftlichen Artikeln unser Weltbild revolutionierte. Das Lebenswerk Einsteins ist größer als seine Person selbst. Zur damaligen Zeit konnte er wahrscheinlich nicht ansatzweise erahnen, wie sehr er mit seinen Grundlagen unsere Welt verändern würde.

Im März 1905 erklärte Einstein den so genannten Photoeffekt damit, dass man sich Licht zuweilen als aus Paketen zusammengesetzt vorstellen müsse. Dies war ein bedeutender Meilenstein auf dem Weg zur Quantentheorie, zu deren Ausformulierung es noch rund 20 Jahre dauern sollte. Seinen Nobelpreis erhielt Einstein 1921 genau für diese Arbeit. Im Mai 1905 veröffentlichte Einstein in einem weiteren Artikel einen experimentellen Test der Wärmetheorie und der Existenz von Atomen. In zwei weiteren Artikeln (Juni und September 1905) legte Einstein dann auch noch das Fundament für die Relativitätstheorie. Ohne Quanten- und Relativitätstheorie gäbe es beispielsweise weder Computer, Fernseher oder das Navigationssystem GPS.

Albert Einstein (1879 - 1955)

Niels Bohr

Der dänische Phyiker Bohr, ein ehemaliger Schüler Rutherfords, war ausschlaggebend an der Weiterentwicklung des Atommodells seines Lehrers beteiligt. Er erhielt dafür 1922 den Nobelpreis für Physik.

Bevor sich Bohr mit der Thematik des Atomaufbaus befasste, wusste man lt. Rutherford, dass die Anzahl der Elektronen, die den Atomkern umkreisen, ausschlaggebend für die Eigenschaften der chemischen Elemente sind. Schwierigkeiten mit diesem Modell traten erst auf, als man den Elektronen verschiedene Bahnen zuwies, auf denen sie sich bewegen.
Lt. der Elektrodynamik- und Mechanik und den Experimenten Rutherfords, würden die Elektronen dabei allerdings instabil sein, ständig Energie abstrahlen und in den Atomkern stürzen.
Die Gesetzte der klassischen Physik versagen also im Falle des Atoms.

Erst Niels Bohr entwickelte 1913 sein eigenes Atommodell dahingehend, als dass er den Elektronen nur bestimmte Bahnen zuwies, auf denen sie sich bewegen können und die Übergänge zwischen diesen Bahnen nur in Sprüngen möglich sind. Diese Theorie konnte bis zur Entwicklung der Quantenmechanik nur rein experimentell bestätigt werden.
Bohr stellte sich die Elektronen noch als kleine Kügelchen vor. Im modernen Orbitalmodell sind die Elektronen nicht länger lokalisierte Teilchen, sondern nur noch verschmierte Wahrscheinlichkeitswolken, deren Verteilung sich aus der Lösung der quantenmechanischen Schrödingergleichung ergibt.

Werner Heisenberg

Heisenberg, der mit gerade mal 26 Jahren bereits Professor in Leipzig wurde, war maßgeblich an der Entwicklung der Quantenmechanik beteiligt.

Ausschlaggebend dazu war die enge Zusammenarbeit mit seinem Lehrer Bohr in Kopenhagen aus der die Kopenhagener Deutung der Quantentheorie hervorging.
Diese bildete letztlich die Gundlage zur Entwicklung der Heisenbergschen Unschärferelation die besagt, dass der Ort und der Impuls eines Teilchens nicht gleichzeitig bestimmt werden kann. Prinzipiell heißt dies nichts anderes, als dass sich die Natur, bei näherer Betrachtungsweise durch den Menschen, einer rationellen Erklärung entzieht.
Diese Erkenntnis bedeutete eine völlig neue Auffassung der physikalischen Realität und eine endgültige Abkehr vom Determinismus (Berechenbarkeit der Natur). Bis dahin feste physikalische Einheiten waren laut Unschärferelation nur noch statistisch mögliche Größen, womit der Zufall in der Natur eine übergeordnete Rolle spielt und im Grunde nichts berechenbar ist.

Eine weitere bahnbrechende Arbeit verfasste er nach der Entdeckung des Neutrons durch James Chadwick im Jahre 1932 über den Aufbau des Atomkerns.

Wie auch Albert Einstein und zahllose Physiker nach ihm, scheiterte er an der Entwicklung einer großen vereinheitlichten Feldtheorie.

Werner Heisenberg (1901 - 1976)

Ernico Fermi

Fermi verschrieb sich bereits im Alter von 17 Jahren der Kernphysik. Eine seiner ersten Arbeiten war die Streuung von Röntgentrahlen an Kristallen.
Inspiriert durch die Arbeit des Ehepaars Joliot-Curie in Bezug auf die Kern-umwandlung mit Alphastrahlen, befasste sich Fermi nun ausschließlich mit der Atomphysik.

Nach der Entdeckung des Neutrons begann Fermi Urankerne mit Neutronen zu beschießen. Durch Zufall entdeckte er, dass, wenn man Neutronen vor dem Auftreffen auf den Atomkern zuvor durch Paraffin leitet, eine Kernumwandlung wesentlich effektiver abläuft, da sie abgebremst werden (thermische Neutronen). Er stellte dabei die ersten künstlich erzeugten Isotope her - die Transurane.

Nach dem Bau seines zweiten Kernreaktors 1942 in Chicago, gelang es ihm die erste sich selbst erhaltende nukleare Kettenreaktion in Gang zu setzten.
Nach dieser Entwicklung wurde er nach Los Alamos zitiert, um zusammen mit Robert Oppenheimer an der Entwicklung der ersten Atombombe mitzuwirken. Der Ausgang dieser Zusammenarbeit dürfte wohl jedem bekannt sein und hatte für die ganze Welt weittragende Folgen - das Atomzeitalter nahm seinen Anfang.

Enrico Fermi (1901 - 1954)

Elise "Lise" Meitner

Lise Meitner würde ich persönlich als die gute Seele der Atomphysik bezeichnen. Da Frauen es zur damaligen Zeit besonders schwer hatten, sich in einer von Männern dominierten, wissenschaftlichen Welt zu behaupten, verdankt sie es ihrer ausgesprochenen Beharrlichkeit 1901 einen Studienplatz in Wien zu bekommen. Hier war sie allerdings hervorragend aufgehoben, da an dieser Universität auch der berühmte Ludwig Boltzmann lehrte, der ihre Talente schon sehr bald erkannte und sie förderte. In diesem hochqualifizierten Umfeld befasste sie sich bereits in den ersten Jahren mit der Erforschung der Radioaktivität. Ihr Studium schloss sie 1906 mit einer Arbeit über die Wärmeleitung in inhomogenen Stoffen ab.

Im Jahre 1907 ging sie nach Berlin und lernte dort den jungen Otto Hahn kennen, mit dem sie die nächsten 30 Jahre eine wissenschaftliche Partnerschaft eingehen sollte. Da in Preussen erst im Jahre 1909 Frauen an Universitäten zugelassen wurden, arbeitete sie unentgeltlich in einer Experimentierwerkstatt der Universität als Gastdozentin und entdeckte in dieser Zeit den radioaktiven Rückstoß bei der Aussendung von Alpha-Strahlen. Da sie ihr Leben ausschließlich der Wissenschaft verschrieben hatte, wurde sie für viele ihrer Kollegen zu einer unentbehrlichen Ansprechpartnerin, die jedem mit Rat und Tat zur Seite stand.

Elise Meitner lieferte grundlegende Kenntnisse zum Verständnis des Aufbaus von Atomkernen und der theoretischen Deutung der Kernspaltung. Da sie einer jüdischen Familie entstammte, musste sie 1938 nach Schweden fliehen und bekam eine Anstellung am Nobel-Institut für Physik. Von dort aus konnte sie ihrem Kollegen Otto Hahn nur noch beratend per Briefverkehr zur Seite stehen. Diese beratende Tätigkeit führte allerdings zur Entdeckung der Kernspaltung und brachte lediglich Hahn 1944 den Nobelpreis ein. Einen wesentlichen Beitrag leistete Ilse Meitner zudem in der Enwicklung von verschiedenen Kernspaltungstechniken.

Nach dem 2. Weltkrieg setzte sie sich wie viele ihrer Kollegen für die friedliche Nutzung der Atomenergie ein und wurde mit zahlreichen Titeln und Ehrungen ausgezeichnet. Den Nobelpreis erhielt sie allerdings nie.

Lise Meitner (1878-1968)

Wolfgang Pauli

Mit der zusammenfassenden Darstellung über die Relativitätshtheorie für die Enzyklopädie der Mathematischen Wissenschaften, verdiente sich Pauli mit gerade mal 21 Jahren seine erste große Anerkennung in der Physik.

Er zählte in der damaligen wissenschaftlichen Welt zu den brillantesten Köpfen überhaupt und beeinflusste durch seine beratende Tätigkeit und sehr kritische Haltung gegenüber seinen Kollegen einige bahnbrechende Entdeckungen maßgeblich.
Da Pauli sehr wenige Publikationen veröffentlichte, blieb sein Einfluß auf die Quantenphysik der breiten Öffentlichkeit verborgen, wobei eine Vielzahl seiner Ideen lediglich im Briefwechsel mit seinen Kollegen und Freunden Werner Heisenberg und Niels Bohr erscheinen.

Die Krönung seiner Arbeit im Bereich der Quantenphysik stellt das Ausschließungsprinzip oder auch Pauli-Prinzip dar, das besagt, dass sich zwei Fermionen (siehe Teilchenphysik) nie im gleichen von vier möglichen Quantenzuständen (Spins) befinden können.
Dadurch ergibt sich, dass ein Atom ab einer Anzahl von zwei Elektronen aus mehreren Bahnen besteht. Im Bereich der Kosmologie hat dieses Prinzip seine Bedeutung darin, dass beispielsweise ein Neutronenstern, sofern er eine bestimmte kritische Masse nicht überschreitet, aufgrund seiner eigenen Gravitation nicht kollabieren kann.

Diese Erkenntis Paulis, zusammen mit der Unschärferelation Heisenbergs hat die Welt der Quanten wesentlich überschaubarer gemacht und viele experimentelle Unstimmigkeiten, die sich bis dahin nicht erklären ließen, gelöst.

Wolfgang Pauli (1900-1958)