Experimente: Die 10 bahnbrechendsten physikalischen Entdeckungen
Manchmal scheint der wissenschaftliche Fortschritt einen Gang zuzulegen: Da implodiert für alle unerwartet die althergebrachte Theorie im Angesicht neuer Daten. Oder man stolpert über Werte, auf die sich keiner einen Reim machen kann. Die bedeutendsten dieser herausstechenden Entdeckungen haben wir uns herausgepickt: diejenigen, die zu einem Durchbruch führten und einen bedeutenden Entwicklungsschritt für die Wissenschaft einleiteten.
Häufig war den Forschern selbst nicht klar, dass sie etwas Sensationelles beobachtet hatten. Bei anderen wiederum fieberte die Wissenschaftsgemeinde schon Jahrzehnte auf dieses eine Ergebnis hin.
Und hier sind sie: unsere zehn Favoriten für die spektakulärsten Entdeckungen in der Physik.
Im Jahr 1896 wollte Henri Becquerel gewisse Lichtphänomene untersuchen, die so genannte Fluoreszenz und Phosphoreszenz von Mineralien. Er beobachtete Seltsames: Eine im Dunkeln gemeinsam mit einem Uranmineral aufbewahrte Fotoplatte zeigte nach der Entwicklung eine deutliche Schwarzfärbung. Becquerel hatte jedoch zu keinem Zeitpunkt Licht beobachtet. Etwas anderes musste die Schwärzung verursacht haben. Er folgerte, dass von Uran eine bis dato unbekannte Strahlung ausgehen müsse.
Becquerels Entdeckungen blieben zunächst weitgehend unbeachtet. Man hatte damals noch keine Vorstellung von Atomkernen, und die tatsächlichen Ursachen konnte man dementsprechend nicht erkennen. Es war Becquerels Assistentin und spätere Nachfolgerin Marie Curie, die die Herkunft der Strahlung tiefer gehend ergründete. Sie prägte den Begriff der radioaktiven Strahlung und entdeckte weitere derartige strahlende Stoffe. Radioaktive Materialien bestehen aus Atomen, die mit der Zeit spontan zu leichteren Atomen zerfallen und dabei hochenergetische Strahlung aussenden.
Heutzutage macht man sich Radioaktivität nicht nur in der Energieerzeugung zu Nutze, sondern auch in Medizin und Altersdatierung. Wie schädlich die Strahlung ist, weiß mittlerweile jeder, Curie hingegen war sich dessen noch nicht bewusst. Sie starb im Alter von 66 Jahren an Leukämie – ausgelöst wohl durch ihre unbedarften Experimente mit diesen gefährlichen Materialien.
Am 16. Mai 1960 beleuchtete der Ingenieur Theodore Maiman mit einer Blitzlampe einen zwei Zentimeter langen Rubinkristall. Und siehe da: Im Takt der Blitzlampe fing nun auch der Rubinkristall an, Licht auszusenden. Diese roten Lichtpulse waren das erste jemals beobachtete Laserlicht. Zunächst erkannte Maiman jedoch keine Anwendung für seine Entdeckung, nannte sie eine "Lösung, die ein Problem sucht".
Bis zu diesem Zeitpunkt war der Laser nur ein theoretisches Konstrukt gewesen, dessen Existenz verschiedene Wissenschaftler nachzuweisen versuchten. Den Wettlauf hatte Maiman für sich entscheiden können, obwohl er innerhalb der etablierten Forschergemeinde ein Außenseiter war; seine Mittel waren sehr beschränkt. Erst viele Jahre später erhielt Maiman die Anerkennung, die ihm von Anfang an gebührte.
Laser produzieren Licht mit nur einer bestimmten Wellenlänge, indem sie Atome zur Aussendung von Licht anregen. Diese stimulierte Emission hatte Albert Einstein bereits 1917 vorhergesagt. Durch Spiegel und Linsen wird in modernen Lasern der Lichtstrahl schließlich verstärkt beziehungsweise fokussiert. Vor allem aber ist inzwischen klar: Probleme, die sich mit Hilfe des Lasers lösen lassen, finden sich zur Genüge.
1947 legten drei Mitarbeiter der Bell Telephone Laboratories in den USA den Grundstein für die Mikroelektronik. John Bardeen, William Bradford Shockley und Walter Houser Brattain platzierten zwei winzige Golddrahtspitzen auf einem Germaniumplättchen und schufen so den ersten funktionierenden Transistor. Die Bell-Labore, ursprünglich gegründet, um Telekommunikationstechniken weiterzuentwickeln, sind heute eine anerkannte Forschungseinrichtung und haben mehrere Nobelpreisträger hervorgebracht – darunter auch die drei genannten.
Transistoren dienen dazu, Ströme und Spannungen zu steuern und zu verstärken. Dazu nutzen sie die Eigenschaft so genannter halbleitender Materialien wie Germanium, den Strom nur unter bestimmten Umständen passieren zu lassen. Die Leitfähigkeit des Materials kann etwa durch Anlegen einer Steuerspannung oder eines Steuerstroms beeinflusst werden. Zudem kann man durch diese richtungsabhängige Leitfähigkeit festlegen, welchen Weg der Strom nimmt.
Bereits 1925 erwähnte der Physiker Julius Edgar Lilienfeld in einem Patent die Arbeitsweise von Transistoren. Dessen erste Umsetzung stellte schließlich die Vorrichtung mit den beiden Goldspitzen auf Germanium dar. Damit hatte man den Weg geebnet für den Eintritt ins Zeitalter der Elektronik: Transistoren sind heute die weitaus wichtigsten Bestandteile eines Computerchips.
Ein fader Beigeschmack bleibt indes: Die Lilienfeld-Patente wurden weder in ihren Veröffentlichungen noch in späteren Forschungsberichten jemals erwähnt, obwohl sie den Forschern der Bell Laboratories bekannt waren.
Das Michelson-Morley-Experiment hatte zum Ziel, den ominösen, lang gesuchten "Äther" endlich nachzuweisen. Streng genommen bestand es aus zwei getrennten Versuchen: Zunächst wurde es 1881 von Albert Michelson durchgeführt und sechs Jahre später dann mit erhöhter Präzision von Edward Morley. Laut der damals vorherrschenden Vorstellung war die Welt von so genanntem Äther durchdrungen. In diesem ruhenden Medium würde sich beispielsweise das Licht – ähnlich wie Wellen im Wasser – ausbreiten. Auch die Erde müsste auf Grund ihrer Eigenbewegung eine Geschwindigkeit relativ zum Äther besitzen – wie ein Schiff, das durch stehendes Gewässer fährt. Diesen "Ätherwind" wollte man nun nachweisen.
Die Experimentatoren teilten dazu einen Lichtstrahl in zwei Teile auf und ließen diese vor ihrer erneuten Vereinigung entlang verschiedener Wege laufen: einen senkrecht zur Erdbewegung, den anderen parallel dazu. Durch die Bremswirkung des Ätherwinds, so glaubten jedenfalls die damaligen Forscher, würde der parallel verlaufende Strahl ein bisschen länger unterwegs sein – was sich an einem charakteristischen Lichtmuster ablesen lassen müsste. Doch dieses blieb aus.
Der Fehlschlag erwies sich rückblickend als großer Erfolg für die Wissenschaft: Sie hatte nicht nur belegt, dass der Äther nicht existierte, sondern auch die Basis für die Relativitätstheorie von Albert Einstein geschaffen. Die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit ist ein zentraler Punkt dieser Theorie. Zwar beweist das Michelson-Morley-Experiment für sich allein diese nicht zwangsläufig, es lieferte aber erste deutliche Indizien. So können auch Experimente, die auf Grund falscher Annahmen konzipiert wurden, weit reichende Konsequenzen haben.
Ernest Rutherford und seinen Mitarbeitern war es unbegreiflich, und doch bestätigten sich ihre Ergebnisse immer wieder aufs Neue: Positiv geladene Heliumkerne (Alphateilchen), die auf eine Goldfolie geschossen wurden, durchdrangen zwar in großer Mehrheit die Barriere, eine geringe Anzahl hingegen schien auf ein massives Hindernis zu treffen. Sie prallten ab und kamen zurückgeflogen. Rutherford drückte seine Überraschung folgendermaßen aus: "Es war beinahe so unglaublich, als wenn man mit einer 15-Zoll-Granate auf ein Stück Seidenpapier schießt und die Granate zurückkommt und einen selbst trifft."
Zu Rutherfords Zeit, am Beginn des 20. Jahrhunderts, war man der Auffassung, Atome könne man sich wie winzige Kugeln vorstellen. Die Bestandteile, also die positiven und negativen Ladungsträger, seien gleichmäßig über die räumliche Ausdehnung des Atoms verteilt. Entsprechend dieser Vorstellung dürften Atome schlicht nicht massiv genug sein, um eine Hürde für die hochenergetischen Alphateilchen darzustellen.
Dass trotzdem immer wieder Alphateilchen reflektiert wurden, konnte laut Rutherfords Überlegungen nur bedeuten, dass die Atome einen sehr winzigen, massereichen Kern haben müssten. Und tatsächlich konzentriert sich fast die komplette Masse eines Atoms in einem winzigen, positiv geladenen Zentrum. Die restlichen 99,9 Prozent bestehen aus leerem Raum, in dem die fast masselosen Elektronen "kreisen". Diese zentrale Erkenntnis Rutherfords bereitete den Weg für unser modernes Verständnis vom Aufbau der Atome.
Sieht man von Raumfahrtmissionen ab, handelt es sich wohl um das aufwändigste Experiment, das die Menschheit bislang konzipiert hat. Am LHC in Genf werden in kilometerlangen unterirdischen Anlagen winzige Teilchen auf enorme Geschwindigkeiten beschleunigt, um sie dann zerschellen zu lassen. In den Trümmern fahndeten tausende Wissenschaftler nach den Grundbausteinen unserer Materie.
Die Entdeckung des Higgs-Teilchens hat zwar Probleme gelöst, aber gleichzeitig weitere Fragen aufgeworfen. Beispielsweise ist das Teilchen leichter als erwartet. Ein bisher nicht entdecktes Partnerteilchen könnte dafür verantwortlich sein. Es bleiben also genügend Rätsel, die in zukünftigen, noch leistungsfähigeren Teilchenbeschleunigeranlagen erforscht werden können.
Die Beschreibung des Versuchsaufbaus klingt ziemlich unspektakulär: Um einen massiven Eisenring wird auf zwei gegenüberliegenden Seiten ein Draht gewickelt, dazu zwei Galvanometer, verbunden mit den beiden Drähten, um den Strom zu messen. Dennoch war diese Anordnung vom Prinzip her der erste bekannte Transformator. Transformatoren sind heutzutage elementare elektronische Bauteile. Michael Faraday, ehemaliger Buchbinderlehrling ohne Studium, entwickelte und präsentierte diesen Versuch am 29. August 1831 der Öffentlichkeit: Sobald er an einem der beiden Drähte eine Batterie anschloss und dadurch einen Stromfluss erzeugte, schlug auch das Galvanometer auf der anderen Seite aus. Das bedeutete, dass auch dort – ganz ohne Quelle – ein Strom zu fließen begann. Faraday vermutete, dass sich der Strom über den Eisenring wellenförmig ausbreitete und so in dem anderen Draht den Stromfluss erzeugte. Dieses Phänomen nannte er Induktion.
Nach heutigem Wissenstand war seine Theorie nicht ganz korrekt: Zunächst ändert der Stromfluss auf der einen Seite den magnetischen Fluss im ganzen Eisenring. Dadurch wird wiederum ein Strom auf der anderen Seite des Rings im Draht induziert. Oder allgemeiner formuliert: Ändert sich die magnetische Flussdichte, entsteht ein elektrisches Feld und umgekehrt.
In nachfolgenden Experimenten erkannte Faraday weitere Phänomene elektromagnetischer Induktion. So entdeckte er, dass man einen Stromfluss erzeugen kann, indem man einen Magnet in einen gewickelten Draht (Spule) hinein- und wieder herauszieht. Die elektromagnetische Induktion ist heute fester Bestandteil fast aller elektrischen Maschinen. Zudem war diese Entdeckung die Grundlage für die Entwicklung der fundamentalen Gleichungen der Elektrodynamik – die Maxwell-Gleichungen.
Faraday vermochte zu seiner Zeit die enorme Bedeutung seiner Entdeckung nicht abzuschätzen. Sogar der Transformator – also das Bauteil, das Spannungen ineinander umwandelt – wurde erst etwa 50 Jahre später zur Einsatzreife entwickelt.
Wie kann man herausfinden, aus welchen chemischen Elementen ein Material besteht? Robert Kirchhoff und Robert Bunsen fanden auf diese Frage eine geniale Antwort. Gemeinsam forschten sie Mitte des 19. Jahrhunderts an der Universität Heidelberg und entdeckten, dass bestimmte Stoffe die Flammen eines Brenners auf besondere Weise färbten. Genauer: Jedes Element sondert beim Erhitzen eine charakteristische Strahlung ab, seine so genannten Emissionslinien. Andererseits besitzen Elemente auch Absorptionslinien; sie nehmen also nur Strahlung von gewisser Wellenlänge auf. Kirchhoff und Bunsen entdeckten, dass jedes chemische Element eine spezifische Anzahl und Anordnung solcher Linien hat – quasi einen individuellen "Fingerabdruck" bestehend aus Emissions- und Absorptionslinien.
Mit dieser Technik untersuchten sie beispielsweise das Mineralwasser einer im Jahr 1861 neu erschlossenen Quelle in Dürkheim und entdeckten darin die bis dato unbekannten Elemente Zäsium und Rubidium. Das Verfahren entwickelte sich daraufhin zu einem der wichtigsten Werkzeuge der Chemie.
Weit reichende Konsequenzen hatte ihre Entdeckung aber auch für die Astronomie. Die beiden Wissenschaftler konnten mit ihrem neu erlangten Wissen die bereits fast 60 Jahre zuvor von Joseph Fraunhofer entdeckten dunklen Linien im Sonnenspektrum erklären und damit die chemische Zusammensetzung unseres Zentralgestirns bestimmen. Schon damals zeichnete sich also ab, wie wertvoll die Technik einmal für die Astronomie sein würde. Heutzutage kann man, indem man die Strahlung eines Himmelskörpers analysiert, präzise Angaben über das Vorhandensein chemischer Elemente machen – sogar für Planeten außerhalb des Sonnensystems.
Das Doppelspaltexperiment ist eines der verblüffendsten Experimente der Physik: Feuert man ein Elektron auf zwei nah zusammenliegende Schlitze, dann schlüpft es, salopp gesprochen, durch beide gleichzeitig. Erst eine völlig neue Anschauung, die Quantenmechanik, vermochte solche physikalischen Phänomene zu beschreiben.
Der Augenarzt und Physiker Thomas Young war im Jahr 1807 der Erste, der mit einem Doppelspalt experimentierte – allerdings mit Licht. Young interessierte sich für das Muster aus hellen und dunklen Bereichen, das hinter dem Doppelspalt auf einem Schirm entsteht. Hier überlagern sich die Lichtwellen, die von jedem der beiden Spalte ausgehen, und verstärken beziehungsweise schwächen sich gegenseitig.
Seine eigentliche Bedeutung erlangte dieser Versuchsaufbau allerdings erst später: Im Jahr 1959 führte der damalige Tübinger Doktorand Claus Jönsson dasselbe Experiment mit Elektronen statt Licht durch. Nach klassischer Anschauung sind Elektronen Teilchen mit einem zugehörigen Ort und einer bestimmten Masse. Jönsson beobachtete jedoch, dass auch bei Elektronen das für Wellen charakteristische Überlagerungsmuster entsteht. Jönssons Schlussfolgerung: Auch Elektronen können sich wie Wellen verhalten.
Mehr noch, prüft man, durch welche Öffnung die einzelnen Elektronen fliegen, dann verschwindet das Überlagerungsmuster. Die Welt im Kleinen gehorcht völlig anderen Gesetzmäßigkeiten, als wir es aus unserer Erfahrungswelt gewohnt sind. Das belegt das Doppelspaltexperiment auf besonders anschauliche Art und Weise. Kein Wunder, dass es in einer Umfrage der englischen Physikalischen Gesellschaft zum schönsten physikalischen Experiment gewählt wurde. So ist es wahrlich ein Jahrhundertexperiment.
Nur ein winziger Funkenschlag zwischen zwei Drähten brachte Heinrich Hertz darauf, dass er Zeuge einer elektrischen Strahlung geworden war. Wie sehr diese Entdeckung die Welt verändern würde, konnte er freilich nicht ahnen.
An der Universität Karlsruhe unternahm der gerade mal 30-jährige Professor im Jahr 1887 Versuche zur elektrischen Entladung. Dazu unterbrach er eine stromdurchflossene Spule und erzeugte einen Funkenschlag. Das war nichts Neues und auch anderen Gelehrten bereits bekannt. Durch Zufall beobachtete Hertz aber noch etwas anderes: An einer zusätzlichen, ebenfalls unterbrochenen Spule in der Nähe funkte es ebenfalls. Just im gleichen Moment, als auch an der ersten Spule der Funken übersprang. Die zweite Spule war nicht an einen Stromkreis angeschlossen, und Hertz folgerte deshalb, dass die Elektrizität in irgendeiner Form der Strahlung von der einen zur anderen Spule übertragen worden sein musste.
In den folgenden Jahren unternahm der umtriebige Professor viele weitere Experimente, die zweifellos belegten, dass er tatsächlich elektromagnetische Wellen beobachteten, die sich im Raum ausbreiteten. Bereits 22 Jahre zuvor hatte der Physiker James Clerk Maxwell aus seinen Gleichungen geschlossen, dass es solche Wellen geben müsse; auch dass es sich etwa bei Radio-, Röntgen- oder Lichtstrahlen um unterschiedliche Ausprägungen ein und desselben Phänomens handeln müsse. Die Beweise, die Hertz schließlich erarbeitete, erlebte Maxwell allerdings nicht mehr.
Hertz konstruierte etwa einen Sender, mit dem man Wellen erzeugen konnte, und dazu einen Empfänger, der diese Signale aufnahm. Er erkannte, dass bei einem bestimmten Abstand das empfangene Signal besonders stark ist und der Empfänger gewissermaßen in Resonanz mit dem Sender stand. Zudem wies er nach, dass die elektromagnetischen Wellen reflektiert, gebrochen und fokussiert werden können – genau wie Lichtstrahlen.
Die Omnipräsenz von Smartphone, WLAN und Co. zeigt, dass eine moderne Welt ohne die Nutzung elektromagnetischer Wellen nicht vorstellbar ist. Und der Name der zugehörigen Maßeinheit erinnert uns an daran, wem wir die Erkenntnis ihrer Existenz verdanken: dem bereits mit 37 Jahren verstorbenen Genie Heinrich Hertz.
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