Philosophie der Naturwissenschaften

Philosophische und theoretische Grundlagen der Entstehung klassischer naturwissenschaftlicher Disziplinen

Die Grenzen mechanischer Erklärungen an der Wende zum 20. Jahrhundert

Die Grenzen des mechanischen (dynamischen) Erklärungsmodells traten in der klassischen Physik bereits in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts hervor. In der Thermodynamik, beim Studium des Verhaltens großer Gasmengen, entwickelte sich das Verständnis statistischer Gesetzmäßigkeiten. Bis dahin operierte die Physik ausschließlich mit dem Begriff des dynamischen Gesetzes, wie es in der klassischen Mechanik formuliert wurde.

Untersuchungen von Gasen und Flüssigkeiten im Rahmen der molekular-kinetischen Theorie zeigten, dass für eine Gesamtheit von Teilchen die exakte Bewegung eines einzelnen Teilchens nicht bestimmt werden kann, wohl aber der Bereich seiner möglichen Bewegung, der durch ein Verteilungsgesetz beschrieben wird. Eines der ersten statistischen Verteilungsgesetze für die Geschwindigkeiten von Gasmolekülen stellte James Clerk Maxwell (1831–1867) für Stickstoff bei 20 °C und 500 °C auf. Später wurde das Konzept des statistischen Gesetzes verallgemeinert: Es beschreibt das Verhalten einer großen Masse von Teilchen als Ganzes.

Im Gegensatz zu einem dynamischen Gesetz schreibt ein statistisches Gesetz lediglich eine bestimmte Wahrscheinlichkeit jedem möglichen zufälligen Verhalten der Teilchen einer großen Masse zu.

Die Grundlagen der statistischen Thermodynamik wurden in den Arbeiten des österreichischen Physikers Ludwig Boltzmann (1844–1906) gelegt. Er musste häufig Angriffe von Gegnern der molekular-kinetischen Theorie abwehren und schloss einen seiner Artikel mit den Worten „Und dennoch bewegen sie sich“, in Anspielung auf Galileis berühmten Ausspruch. Heute ist unbestritten, dass die thermische, innere Energie eines Körpers proportional zur Temperatur ist und die Temperatur, die den Bewegungszustand der Teilchen charakterisiert, proportional zur mittleren kinetischen Energie eines einzelnen Teilchens sein muss. Der Proportionalitätsfaktor, der die mittlere Energie eines Teilchens mit der Temperatur des Körpers verknüpft, wird als Boltzmann-Konstante bezeichnet (k = 1,38·10⁻²³ J/K).

Entsprechend dem zentralen methodologischen Prinzip des mechanistischen Determinismus wurden Untersuchungen im Bereich elektromagnetischer Phänomene durchgeführt. Eine der wichtigsten Errungenschaften der Physik des 19. Jahrhunderts war die Entwicklung der Theorie elektromagnetischer Wechselwirkungen. Ihre Grundlagen sind mit dem Namen von André-Marie Ampère verbunden, der alle beobachteten elektrischen und magnetischen Phänomene auf eine einheitliche Ursache – die Wechselwirkung zweier Stromelemente – zurückführte und den von Ørsted entdeckten Effekt (Ablenkung einer Magnetnadel in der Nähe eines stromdurchflossenen Leiters) erklärte. 1820 hielt Ampère an der Pariser Akademie der Wissenschaften eine Reihe von Vorträgen über Elektromagnetismus, in denen er zwischen statischer Elektrizität, die die Magnetnadel nicht beeinflusst, und bewegter Elektrizität unterschied, einen neuen Kreis elektromagnetischer Phänomene definierte und den Begriff elektromagnetischer Kräfte einführte. Unter den Zuhörern befanden sich die jungen Physiker Biot, Savart und der 70-jährige Laplace.

Nachdem Ampère den Zusammenhang zwischen verschiedenen Arten von Elektrizität und Magnetismus hergestellt hatte, entwickelte er die Idee eines universellen Mechanismus zur Übertragung elektromagnetischer Wechselwirkungen mittels eines Feldes. Er nahm an, dass den elektrischen und magnetischen Erscheinungen nicht Ladungen und Teilchen, sondern der Raum zwischen ihnen zugrunde liegt. Albert Einstein betrachtete die Einführung des Begriffs des elektromagnetischen Feldes in das wissenschaftliche System als die wichtigste Entdeckung seit Newton.

Die Aufzeichnung des berühmten Experiments zur Entstehung einer elektrischen Welle beim Bewegen eines Magneten erschien im Tagebuch von Michael Faraday am 17. Oktober 1831. So wurde das Phänomen der elektromagnetischen Induktion entdeckt, und der Eisenring mit zwei Wicklungen wurde zum Vorbild zukünftiger Transformatoren. Indem er die umgekehrte Aufgabe stellte – Strom aus einem gewöhnlichen Magneten und einer Drahtspule zu gewinnen – schuf er eine neue Art von Stromquelle. Indem er zwischen den Polen eines großen Magneten der Royal Society eine rotierende Kupferscheibe platzierte und über Gleitkontakte mit einem Galvanometer verband, erzeugte Faraday eine Wechselstromquelle und baute die erste Dynamo-Maschine bzw. den ersten Wechselstromgenerator. Faradays Entdeckung markierte den Beginn eines neuen Fachgebiets – der Elektrotechnik, die sich sowohl in ihren Gesetzen als auch in ihren Materialien stark von der Mechanik unterschied.

Im Jahr 1834 formulierte der junge Professor der Universität Sankt Petersburg, Emil Christianovich Lenz, nach brillanten Experimenten das allgemeine Induktionsgesetz, das in seiner modernen Form besagt: Die induzierte Spannung ist gleich der Änderungsrate des magnetischen Flusses.

Versuche, experimentelle Daten zu verallgemeinern und ein mathematisches Fundament für die Theorie elektromagnetischer Phänomene Mitte des Jahrhunderts zu schaffen, unternahmen mehrere Wissenschaftler gleichzeitig: Franz Neumann, Gustav Theodor Fechner und Wilhelm Eduard Weber. Doch erfolgreich gelang dies erst James Clerk Maxwell.

In Maxwells Theorie wird ein geometrisches Modell elektrischer und magnetischer Kräfte vorgestellt, das die Richtung dieser Kräfte berücksichtigt. Grundlegende Elemente sind nicht Teilchen oder Ladungen, sondern die Feldstärken des magnetischen und elektrischen Feldes, dargestellt als Funktionen von vier unabhängigen Variablen: drei Koordinaten und der Zeit. Maxwells theoretische Vorhersage der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen wurde 1888 von Heinrich Hertz experimentell bestätigt, der den ersten Schwingkreis mit Antenne baute. Maxwell führte den Begriff des Verschiebungsstroms ein, gleich der zeitlichen Ableitung der elektrischen Feldinduktion. Indem er den Verschiebungsstrom als ebenso real ansah wie den Leitungsstrom, nahm Maxwell an, dass gerade diese Ströme das Magnetfeld erzeugen.

So formte sich bis zum Ende des 19. Jahrhunderts die Physik als Bereich experimenteller und theoretischer Forschung materieller Prozesse, deren Grundlage vielfältige Wechselwirkungen bilden: mechanische, thermische, gravitative und elektromagnetische. Es wurde festgestellt, dass das elektromagnetische Feld Träger von Energie ist. Die Beziehung zwischen elektrischen und thermischen Phänomenen zeigte das Gesetz von Joule-Lenz. Der Bereich elektromagnetischer Strahlung umfasste sichtbares Licht sowie unsichtbare Infrarotstrahlung (Wärme), Ultraviolettstrahlung und Radiowellen.

Das Ziel der Physik bestand zunehmend darin, eine einheitliche Theorie der beobachteten Wechselwirkungen zu schaffen. Mechanische Kräfte traten in den Hintergrund, während der Begriff der elektrodynamischen Kräfte zentral wurde. Maxwell formulierte das Hauptziel der exakten Wissenschaft: „die Probleme der Naturwissenschaft auf die Bestimmung von Größen durch Rechnen mit Zahlen zu reduzieren“.

Trotz dieser herausragenden Errungenschaften traten gerade im Bereich der Elektrodynamik die Grenzen mechanischer Erklärungen so deutlich zutage, dass dies später zur Überprüfung der Universalität dynamischer Gesetze und der grundlegenden Konzepte der mechanischen Weltanschauung – Materie, Raum und Zeit – führte.

Ein Phänomen, das sich der klassischen mechanischen Erklärung entzog, war die Strahlung, die in den Untersuchungen auf überraschende Weise in Erscheinung trat und zu neuen Problemen und Entdeckungen führte. Das Rätsel der atmosphärischen Elektrizität (Blitze) beschäftigte die Wissenschaftler seit jeher. Mitte des 18. Jahrhunderts entstand die Vorstellung von Blitzen als elektrische Funken von enormer Größe. Seitdem wurden gasförmige elektrische Entladungen Gegenstand physikalischer Forschung.

Die experimentelle Untersuchung von Gasentladungen in Röhren, insbesondere der Kathodenstrahlen, deren Natur zunächst unerklärlich war, führte zur Entdeckung des Elektrons (J. J. Thomson, 1897) und der Röntgenstrahlen mit starker Durchdringungskraft (C. Röntgen, 1895). Bei der Untersuchung der Kathodenstrahlen erkannte man, dass Atome nicht unteilbare Materieteilchen sind, sondern eine komplexe Struktur besitzen. Zunächst nannte J. J. Thomson das in den Kathodenstrahlen entdeckte Teilchen (1836-mal leichter als Wasserstoff, negativ geladen wie Elektrolyt-Ionen) „Korpuskul“. Später erhielt es den Namen „Elektron“, basierend auf den theoretischen Arbeiten des niederländischen Physikers Hendrik Antoon Lorentz (1853–1928), dem Begründer der Elektrodynamik bewegter Medien.

Lorentz entwickelte seine Theorie unter der Annahme der Existenz eines Äthers – einer den Raum erfüllenden, ruhenden Substanz, in der sich Atome aus elementaren elektrischen Ladungen bewegen, wobei nach seiner Annahme die Ladungen auch getrennt von den Atomen als freie Elektronen existieren können. Die Natur des Elektrons verband Lorentz mit einer Deformation des Äthers.

Lorentz zeigte, dass der Leitungsstrom, der beim Elektrolyseprozess und in Gasentladungen beobachtet wird, nicht eigenständig ist, da er auf einem Konvektionsstrom beruht – der Bewegung von Ionen in Elektrolyten und Elektronen in Metallen. In Lorentz’ elektronischer Konzeption wurden die dielektrischen und magnetischen Eigenschaften der Körper auf Polarisation und molekulare Ströme reduziert, wodurch sie keine primären Eigenschaften des Mediums mehr darstellten.

Lorentz verlieh diesen Eigenschaften einen statistischen Charakter, indem er sie als statistisch gemittelte Größen einer großen Anzahl elektrischer und magnetischer Dipolmomente berechnete. Auf Grundlage der Vorstellung von Ladungen, die sich im ruhenden Äther bewegen, entstand die Elektrodynamik bewegter Medien. Die Kraft, die auf eine elementare Ladung (ein Teilchen) im elektromagnetischen Feld wirkt, wurde als Lorentz-Kraft bezeichnet.

Die theoretischen Ausführungen Lorentz’ zur Berechnung der Bewegung von Teilchen mit Geschwindigkeiten, die mit der Lichtgeschwindigkeit im Äther vergleichbar sind, gingen in die moderne Physik als Lorentz-Transformationen ein. Der Umstand, dass die Lichtgeschwindigkeit – identisch mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen – konstant ist, widersprach dem klassischen Gesetz der Geschwindigkeitsaddition. In der Elektrodynamik nach Maxwell galt daher nicht das klassische Relativitätsprinzip.

Zur Begründung der Maxwellschen Theorie und zur Erklärung der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit stützten sich die Wissenschaftler auf die Äther-Hypothese als lichttragender Substanz (reales Medium) und absolute Bezugsysteme. Das negative Ergebnis des Experiments von Albert Michelson (1852–1931), das zur Entdeckung des Ätherwinds durchgeführt wurde, markierte die Grenze, hinter der der Äther als physikalische Realität nicht mehr existierte. Die Äther-Hypothese war der letzte Versuch, alle Naturerscheinungen mechanisch zu erklären.