Das Experiment in der Physik: Ausgewählte Beispiele aus der Geschichte

288 Pages·1984·7.259 MB·German

by  Fritz Fraunberger, Jürgen Teichmann (auth.)

Fritz Fraunberger
Jürgen Teichmann
Das Experiment
in der Physik
Physik
Facetten der
Physik hat viele
acetten: historische, technische,
soziale, kulturelle, philosophische und
amüsante. Sie können wesentliche und
bestimmende Motive für die Beschäftigung
mit den Naturwissenschaften sein. Viele
Lehrbücher lassen diese "Facetten der
Physik" nur erahnen. Daher oll
unsere Buchreihe ihnen
gewidmet sein.
Prof. Dr. Roman Sexl
Herausgeber
Eine Liste der erschienenen Bände
finden Sie auf der 3. Umschlagseite
Fritz Fraunberger
Jürgen Teichmann
Das Experiment
in der Physik
Ausgewählte Beispiele aus der Geschichte
Friedr. Vieweg & Sohn BraunschweiglWiesbaden
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Fraunberger, Fritz:
Das Experiment in der Physik: ausgew. Beispiele
aus d. Geschichte/Fritz Fraunberger; ]ürgen
Teichmann. - Braunschweig; Wiesbaden:
Vieweg, 1984.
(Facetten der Physik; Bd. 14)
NE: Teichmann, ]ürgen:; GT
1984
Alle Rechte vorbehalten
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig 1984
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Satz: Vieweg, Braunschweig
Druck und buchbinderische Verarbeitung: Lengericher Handelsdruckerei, Lengerich
ISBN 978-3-528-08544-5 ISBN 978-3-322-89449-6 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-89449-6
v
Vorwort
Von Experimenten und vom Experimentieren wird heutzutage in vielerlei
Hinsicht geredet, wenn man nicht Versuche und Versuchen sagen will. Es gibt
Versuchsanstalten hier und dort, experimentiert wird in der Musik und
Malerei, bei Film und Theater, im Schulwesen. In all diesen Beispielen geht es
um Fragen, die das Leben stellt.
Große Zeichner und Maler der Renaissance und des Barock haben phantasie
volle Einblicke in die Arbeitsräume von Alchemisten hinterlassen, die dem
Betrachter suggerieren können, hier seien die wahren Brutstätten der Experi
mentierkunst. In Wirklichkeit ging es dort um die Suche nach dem Stein der
Weisen, um die Umwandlung unedler Metalle in Gold.
Eine ganz andere Art des Experimentierens entsprang dem puren Drang nach
Erkenntnis, nennen wir ihn den faustischen, oder sagen wir nüchterner:
zweckfreie Forschung. In der Antike wurde die Notwendigkeit von Experi
menten als Stütze und Kontrolle des reinen Denkens sporadisch erwähnt,
etwa bei Plato. Sein Schüler Aristoteles hatte noch nichts dafür übrig. Er
räumte dem Verstand absoluten Vorrang ein. Er leugnete die Existenz, ja
sogar die Möglichkeit leerer Räume, Vakua, und seine Autorität ließ seine
Anhänger fast zwei Jahrtausende für wahr halten, daß Körper um so schneller
fallen, je schwerer sie sind, daß ein Stein vom hundertfachen Gewicht einer
Münze hundertmal schneller am Boden ankomme, als die aus gleicher Höhe
fallende Münze - drastisch ausgedrückt. Hatte man so viel Scheu, solches
einfach auszuprobieren? In den Klöstern des Hohen Mittelalters, wo allein
man die Schriften zu lesen verstand, regten sich erstmals Zweifel an solchen
Weisheiten, wurden auch schon Anregungen wach, die Natur selber reden zu
lassen. Wir müssen es hier bei Nennung von Namen wie Roger Bacon, Grosse
teste oder Greathead, Oresme, Albertus Magnus bewenden lassen.
Die Erfindung des Buchdrucks machte es möglich, daß das Wissen der Alten
Welt auch außerhalb der Klöster zugänglich wurde, das Zeitalter der Renais
sance war angebrochen. Bald fanden sich neue Freunde des Erkennens und
Wissens. Sie nannten sich nach antikem Vorbild ebenfalls Philosophen und ihr
Anliegen Philosophie, wobei dieses Wort noch nicht in der heutigen Veren
gung verstanden wurde, sondern unter nachdrücklicher Einbeziehung all des
sen, was die Natur als Seiendes und Werdendes umfaßt. In diesen Kreisen hat
das Experiment, wie es in unserem Buch verstanden werden soll, seinen
eigentlichen Ursprung. Dies kommt schon in den Titeln jener Bücher zum
VI
Ausdruck, die erste Ergebnisse der neuen Forschungsrichtung lieferten und
Rechenschaft darüber ablegten: Nicolo Cabeo: "Philosophia magnetica"
(1629), Christoph Sturm: "Collegium experimentale seu curiosum" (1685),
J. Theophil Desaguliers: "Course of Experimental Philosophy" (1685), Guil.
J ac. s'Gravesande: "Physices elementa mathematica, experimentis confirmata"
(1719), H. F. Teichmeyery: "Elementa philosophiae naturalis experimen
talis" (1733), Sigaud de la Fond: "Descriptions et usage d'un cabinet de
physique experimentale" (1775), und last but not least: die "Philosophical
Transactions", London ab 1665, das älteste Periodicum der Welt mit rein
mathematisch-naturwissenschaftlichen Themen.
Damit hatte sich die Physik als eine eigenständige Disziplin etabliert, mit dem
Experiment als Quelle und Prüfstein neuen Wissens. Wenn wir zwei Namen als
Pioniere dieser neuen Forschungsrichtung nennen, Galileo Galilei - diesen
insofern nicht ohne Vorbehalt, da nicht feststeht, ob er die von ihm angege
benen Experimente auch wirklich durchgeführt hat - und den Holländer
Willebrord Snellius, so tun wir dies deshalb, weil die beiden erstmals erkann
ten, daß die Einbeziehung von Maß und Zahl es ermöglicht, die Ergebnisse
mit den Mitteln der Mathematik in denkbar knapper und übersichtlicher
Weise zu formulieren; sie kamen damit zu dem, was Descartes leges naturae
nannte. Die Rede ist vom Gesetz der Brechung der Lichtstrahlen, von Snellius
um 1620 gefunden und von Descartes in der heute gebrauchten Form 1637
publiziert, und vom Gesetz des freien Falls, das Galilei in seinem Alterswerk
"Discorsi e dimostrazioni matematiche intorno a due scienze nuove" ("Un
terredungen und mathematische Beweise zu zwei neuen Wissenschaften",
Amsterdam 1638) bekanntgab. An experimentellen Hilfsmitteln brauchte
Snellius einen Maßstab, Galilei eine Art Uhr.
Endlich können wir nun eine Definition des Begriffs Experiment in der Phy
sik versuchen: Es besteht in einer Frage an die Natur - die unbelebte -, in
der Bereitstellung von Vorrichtungen, Apparaten und Instrumenten, um die
Antwort zu ermöglichen, und in der Erfassung zahlenmäßiger Daten zum
Zweck einer mathematischen Formulierung der Ergebnisse.
In diesem Buch sollen eine Anzahl von Beispielen angeführt werden, im all
gemeinen in chronologischer Reihenfolge. In der Hauptsache handelt es sich
um solche aus dem 18. und 19. Jahrhundert, bei denen die Fragen noch jeder
mann verständlich und einleuchtend und die Instrumente noch durchschau bar
sind, anders als in der Gegenwart, wo selbst im Inventar der Schulsammlungen
bereits Kästen mit Druck- und Drehknöpfen, Zeiger vor Skalen und Signal
lampen das Wesentliche verbergen. Mögen die Beispiele dartun, welch bedeu
tende Ergebnisse mit so einfachen Instrumenten zustande kamen wie der
Waage, dem Thermometer, den Prismen und Kompaßnadeln in den soge
nannten Multiplikatoren, den Urformen der Galvanometer, und wie etwa
Elektroskope und Elektrometer der Radioaktivität zum Rang einer exakten
Wissenschaft verhalfen.
VII
Ganz ohne Formeln und primitive Rechnung sollte ein der Physik gewidmetes
Buch allerdings nicht bleiben, denn nur so lassen sich die Gedanken und Über
legungen der Forscher wirklich nachvollziehen. Auch einige graphische Dar
stellungen in Form von Kurven sollten nicht fehlen, haben sie doch eine
wesentliche denkäkonomische Aufgabe. Einige der hier wiedergegebenen
Bilder dürfte im übrigen noch kein Leser gesehen haben. Sie sollen Zeuge
dafür sein, wie man in den vergangenen Zeiten dem Tun und den Erfolgen
der Naturforscher noch Respekt und Bewunderung zollte! Da und dort wird
auch Erwähnung finden, welche Rolle die Lebensumstände der Forscher, wel
che Rolle manchmal auch der Zufall spielte.
F. Fraunberger
IX
Inhaltsverzeichnis
(Die mit F bezeichneten Kapitel stammen von Fritz Fraunberger, die mit T bezeichneten
Kapitel von jürgen Teichmann)
Einleitung: Die Physik und das Experiment (T) . 1
Das Experiment in der Antike (F) .. 7
Die okkulte Kraft des Magneten (F) 17
Der freie Fall (T) ............ . 21
Das Brechungsgesetz der Lichtstrahlen (F) 31
Isaac Newton und die Farben (F) ..... . 36
Gibt es einen luftleeren Raum? (F) ..... . 42
Experiment, Allegorie, Spiel und Magie (T) . 47
Entdeckungen mit dem Thermometer (F) .. 56
Leidener Flasche und Blitzableiter (T) .... . ..... 64
Ein elektrisches Experiment mit tödlichem Ausgang (F) 78
Elektrizität und Heilkunst (F) ................. . 82
Eine neue Elektrizitätsquelle - von Galvani bis Volta und Ritter (T) 91
Experiment und Gesetz: Die Entwicklung der elektrischen Begriffe
Ladungsmenge, Spannung, Kapazität, Stromstärke, Widerstand und
ihrer Zusammenhänge bis zum Ohmschen Gesetz (T) 100
Beweise für die tägliche Bewegung der Erde (T) 113
Dreierlei Strahlen der Sonne (F) ........... . 120
Neue Instrumente - die Thermoelektrizität (F) .. 132
Das Licht als Wellenvorgang (F) . 139
Fraunhoferlinien (T) ....... . 147
Spektralanalyse (F) ......... . ....... . 160
Das Beugungsgitter, ein Göttergeschenk an die Physik (F) ........ . 167
Die Entdeckung der elektromagnetischen Induktion von 1822 bis 1831
(T) .......................... . 174
Eine Formel weiß mehr - die Balmerformel (F) 183
Die Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit (F) 189
Die Loschmidtsche Zahl (F) ........... . 195
Kathodenstrahlen und Elektron (T) ...... . 203
Die Entdeckung der Röntgenstrahlen (F) .. . 221
Die Entdeckung der Radioaktivität (F) ...... . 232
Schwarze Körper und schwarze Strahlung (F) ... . 237
Experimente zum Transistor (T) ........... . 245
Anmerkungen und Literaturverzeichnis . 260
Quellenverzeichnis zu den Bildern . 271
Farbtafeln ............... . 275
Bild 1
Die Welt wird von den Naturkündigern in drey Theile abgetheilt, welche sie Reiche nen
nen / und wird das erste den Thieren zugeeignet / in welchem der Mensch der König ist
/ das andere den Erdgewächsen, in welchem der Thau herrscht / und in dem dritten /
dem unterirdischen Metallreiche / ist dem Gold die königliche Würde zugeeignet).
Philipp Harsdörfer (1653)
Oh du herrliches Rohr, köstlicher als ein Szepter! Wer dich in seiner Rechten hält, ist
der nicht zum König, zum Herren über die Werke Gottes gesetzt!
Johannes Kepler and Galileo Galilei
Die Beschäftigung mit dem Teleskop führte Isaac Newton zur Entdeckung des Spektrums
und Wilhelm Herschel zu Auffindung des Ultrarots. Ohne Fernrohr hätten weder Olaf
Römer noch Armand Fizeau die Lichtgeschwindigkeit ermitteln können. Im Umgang mit
Glas für Linsen und Prismen zeigten sich Joseph Fraunhofer die nach ihm benannten
Linien.
F. Fraunberger
Einleitung:
Die Physik und das Experiment
Die Beziehung von Physik und Experiment wäre einer eingehenden Er
örterung wert, doch können hier nur kurz die Absichten dieses Buches erläu
tert werden. Die wichtigste lautet: Durch den Zugang zu verschiedenen Fällen
in der Geschichte soll sich der Leser eine eigene Definition des Experimentes
bilden oder besser: seine bisherige Definition ergänzen können. In der Tat ist
wohl nur die Ergänzung schon gewonnenen oder wenigstens angeregten Wis
sens möglich, denn zu beschränkt muß notwendig die Auswahl der histori
schen Fälle bleiben, um alle wichtigsten Facetten gleichberechtigt vorführen
zu können. Es wurde weder eine gleichmäßige Verteilung über die Fachgebie
te, über die historische Entwicklung, noch über die verschiedenen Experi
mententypen angestrebt. Hier spielte natürlich auch die engere Fachkompe
tenz der Autoren eine Rolle. Ein Anliegen war es, auch Leser anzusprechen,
die nicht Physik in ihrem Studium betrieben haben, seien es solche aus der
Technik oder auch aus den sogenannten Geisteswissenschaften, die sich für
grundlegende Fragen des Zusammenhangs Kultur/Naturwissenschaft anhand
konkreter Fälle interessieren. So wurden mitunter Beziehungen zur Meß
technik oder zu direkten technischen Problemen ausführlich beschrieben,
bzw. Artikel mit stark kulturellen Bezügen eingefügt.
Bezüglich des Wechselspiels Hypothese/Experiment wurde mehr der
These Kants als der - mißinterpretiertenl - These Newtons: ich ersinne kei
ne Hypothesen, gefolgt. Kants bekanntestes Zitat dazu lautet: "Als Galilei
seine Kugeln die schiefe Ebene mit einer von ihm selbst gewählten Schwere
herabrollen, oder Torricelli die Luft ein Gewicht, was er sich zum voraus dem
einer ihm bekannten Wassersäule gleich gedacht hatte, tragen ließ, oder in
noch späterer Zeit Stahl, Metalle in Kalk und diesen wiederum in Metalle ver
wandelte, indem er ihnen etwas entzog und wiedergab: so ging allen Naturfor
schern ein Licht auf. Sie begriffen, daß die Vernunft nur das einsieht, was sie
selbst nach ihrem Entwurfe hervorbringt, daß sie mit Prinzipien ihrer Urteile
nach beständigen Gesetzen vorangehen und die Natur nötigen müsse, auf ihre
Fragen zu antworten, nicht aber sich von ihr allein gleichsam am Leitbande
gängeln lassen müsse; denn sonst hängen zufällige, nach keinem vorher ent
worfenen Plane gemachte Beobachtungen gar nicht in einem notwendigen
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