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Bedeutende österreichische Physiker#

von Gerhard Rath

Erschienen in: Ausstellungskatalog "1000 Jahre Österreich" , Bundesrealgymnasium Keplerstraße 1, Graz 1996 (Eigenverlag)


Keine Frage - was Österreich in der Welt bekannt gemacht hat, waren nicht in erster Linie die Naturwissenschaften. Trotz vieler Arbeit im kleinen und trotz einiger hervorragender Gelehrter lag der Schwerpunkt des Interesses eher im kulturellen Bereich. Erst gegen Ende des 19. Jahrhunderts mit dem Nahen des Unterganges der Monarchie, kam es im besonderen Klima dieser Zeit geradezu zu einer kreativen Explosion, die mehrere Physiker von absoluter Weltgeltung hervorbrachte. Diese sind bei uns nicht immer so bekannt, wie es ihnen eigentlich zustünde, obwohl sie in der Welt das Bild von Österreich zurechtrücken.

Christian Doppler#

Bereits in der ersten Hälfte des vorigen Jahrhunderts wirkte in Wien ein Physiker, dessen Name auch heute international bekannt ist. Christian Doppler (1803-1853) entdeckte und beschrieb einen Effekt, der bei Bewegungen relativ zu Wellenfronten auftritt (1842). Dabei erhöht oder erniedrigt sich die wahrgenommene Frequenz je nach Bewegungsrichtung. Wir kennen diesen Effekt vom plötzlichen Tonwechsel beim Vorbeifahren eines Fahrzeugs. Doppler erklärte damit bereits die wechselnden Farben von Doppelsternen, die umeinander kreisen und war damit seiner Zeit weit voraus. Erst in unserem Jahrhundert sollte dieser Effekt auch für kosmologische Fragen wichtig werden: Die Ausdehnung des Weltalls wurde von E. P. HUBBLE aus Frequenzveränderungen (Rotverschiebungen des Lichts von Galaxien) erklärt, die sich mit Überlegungen analog zum Doppler-Effekt beschreiben lassen.
Ein bedeutender Beitrag anderer Art zur Entwicklung der Naturwissenschaften war die Gründung des ersten physikalischen Hochschullaboratoriums Österreichs durch Doppler in Wien (1848). Diese Zeit des technischen Aufschwungs vor allem in Industrie und Verkehr brachte ein steigendes Interesse an den Naturwissenschaften mit sich, was sich an der Einrichtung entsprechender Lehrstühle an den Universitäten und auch am einsetzenden Physikunterricht an den Mittelschulen zeigte.

Josef Loschmidt#

Auf dieser Basis konnte ein anderer großer Physiker bzw. Chemiker des vorigen Jahrhunderts aufbauen. Josef Loschmidt (1821-1895) gelang es als erstem, experimentell den Durchmesser von Molekülen zu bestimmen und damit zu berechnen, wie viele Teilchen in einer bestimmten Menge eines Stoffes enthalten sind. So zählt ein Glas Wasser (18 Gramm) etwa 600 000 000 000 000 000 000 000 Wassermoleküle, diese Zahl heißt bei uns „Loschmidtsche Zahl“. (In den angelsächsischen Ländern wird sie „Avogadrosche Zahl“ genannt. A. AVOGADRO stellte 1811 eine Hypothese auf, mit deren Hilfe man die Zahl der Moleküle bestimmen könnte: Gleiche Volumina von Gasen sollten gleich viele Teilchen enthalten). Auf dem Gebiet der Chemie gelang ihm die Beschreibung wichtiger Moleküle wie dem Benzol (C6-Ring) oder dem Ozon (O3). Er war eher ein Mann von genialer Begabung als von ausdauernder Arbeit, ihn interessierte das Große, Wesentliche mehr als praktische Details. So kann man verstehen, dass er zu wenig systematisch arbeitete an der Ausformung seiner vielen Ideen, weshalb ihm der ganz große Ruhm versagt blieb.
Im Jahr 1899 wurde er posthum geehrt, und einer der ganz großen österreichischen Physiker hielt eine Rede anlässlich der Enthüllung einer Loschmidt-Büste im Arkadenhof der Wiener Universität:

„ ... Nun ist Loschmidts Leib in seine Atome zerfallen; in wie viele, können wir aus den von ihm gewonnenen Prinzipien berechnen, und ich habe, damit es in einer Rede zu Ehren eines Experimentalphysikers nicht an jeder Demonstration fehle, die betreffende Zahl dort an die Tafel schreiben lassen (10 Quadrillionen = 10000000000000000000000000). Diese Zahl ist freilich nur eine runde. Das kleinste Härchen würde Billionen hinzufügen; es können zehn mal so viel oder auch zehn mal so wenig, sagen wir hundert mal so viel oder so wenig Atome sein, aber größer ist der Fehler wohl sicher nicht. ...“ ) (1)

Ludwig Boltzmann und Ernst Mach#

Dieser Mann beschäftigte sich zeitlebens mit diesen Atomen, trug Entscheidendes zur Durchsetzung der Atomhypothese bei und sollte doch an ihnen scheitern. Sechs Jahre nach obiger Ansprache nahm sich Ludwig Boltzmann das Leben, von Schicksalsschlägen und Krankheiten geschwächt und durch den Kampf um die Atomhypothese zermürbt. Er konnte ihren triumphalen Siegeszug, der wenige Jahre später begann, nicht mehr miterleben. Die Haltung der Wissenschaft gegenüber dem Atom war im 19. Jahrhundert gespalten. In der Chemie hatte sich dieser Begriff aus praktischen Gründen schnell durchgesetzt - waren doch schon die Elemente im Periodensystem geordnet und sogar neue vorhergesagt worden. Die Physiker dagegen waren in zwei Lager gespalten: Der eine Teil verwendete Atome als brauchbare (obwohl unbewiesene) Hypothese, eine starke Gruppe jedoch lehnte diesen Begriff als metaphysische Spekulation ab. Ihr prominentester Vertreter war ebenso Österreicher wie Boltzmann und ist jenem in seiner wissenschaftlichen Bedeutung gleichzustellen: Ernst Mach, der bei Diskussionen über Atome mit dem Ausspruch dazwischenfuhr: „Hab’n S’ ein’s g’sehn?“ (2)
Mach und Boltzmann hatten aber auch vieles gemeinsam. Beide waren ausgezeichnete Experimentatoren: Mach war der erste, der mehrfach belichtete Aufnahmen von fliegenden Projektilen machen konnte und dabei die nach ihm benannten Strömungskegel entdeckte (daher wurde später das Verhältnis von Bewegungsgeschwindigkeit zu Schallgeschwindigkeit Mach-Zahl genannt). Boltzmann wiederum verbrachte viele Jahre in Graz als Leiter des dortigen Instituts für Experimentalphysik, damals eines der bestausgerüsteten Europas(3).
Beide verband jedoch auch die Liebe zur Theorie bis hin zur Philosophie. In Wien war 1895 speziell für Mach ein Lehrstuhl für „Geschichte und Theorie der exakten Naturwissenschaften“ errichtet worden, den Boltzmann nach Machs Schlaganfall übernahm. Beide werden auch als hervorragende Persönlichkeiten und Lehrer geschildert, politisch zurückhaltend, aber Verehrer der Künste - beide spielten Klavier. Und beide waren zwar Wegbereiter der Physik unseres Jahrhunderts und erlebten seinen Beginn, blieben aber doch letztlich im Rahmen der „klassischen“ Physik.
Mach war der ältere von beiden. Während seiner Zeit als Privatdozent in Wien - Boltzmann besuchte noch das Gymnasium - wandte er sich medizinischen und sinnesphysiologischen Untersuchungen zu. Die Sinneserfahrung wurde für ihn Ausgangspunkt seiner Erkenntnistheorie. Alles, was sich nicht durch Erfahrung und unmittelbare Anschauung nachweisen ließ - in der Naturwissenschaft verfeinert als Experiment - versuchte er auszuschalten.(4) Mit brillanter Kritik verfolgte er unhinterfragte Begriffe der Physik, erfolgreicher als beim Atom etwa bei den auf Newton zurückgehenden Vorstellungen von absolutem Raum und Zeit, die er als spekulative Begriffe entlarvte, welche nicht messbar sind und daher in der Physik nichts verloren haben. Damit wurde er zum Wegbereiter A. EINSTEINS, aber auch für die Philosophie des berühmten „Wiener Kreises“, wo sich ein eigener neopositivistischer Verein „Ernst Mach“ bildete.
Einstein schrieb:
Es ist nicht unwahrscheinlich, daß Mach auf die Relativitätstheorie gekommen wäre, wenn in der Zeit, als er jugendfrischen Geistes war, die Frage nach der Bedeutung der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit schon die Physiker bewegt hätte.“(5)
Die Sinneseindrücke und Messdaten waren für Mach also das einzig Reale. Gesetze und Theorien der Physik sollten diese dann möglichst ökonomisch und widerspruchsfrei verknüpfen. Mit dieser Ansicht erregte er sogar Widerspruch in Russland: Für den Marxismus mit seiner Betonung des Materialismus konnte Machs Erkenntnistheorie nicht akzeptabel sein. W. I. LENIN schrieb ein eigenes Buch darüber (Materialismus und Empiriokritizismus, 1909).
„Die russischen Machisten gleichen Modenarren, die vor einem von den bürgerlichen Philosophen Europas schon abgetragenen Hütchen in Verzückung geraten“(6).

Boltzmann dagegen war fasziniert von Theorien, erdachten Welten, in denen nicht nur Beobachtungen geordnet wurden, sondern die auch Anregungen für weitere Experimente ergaben. Während vereinfacht gesagt für Mach die Sinne im Vordergrund standen, war es für Boltzmann das menschliche Gehirn.(7) Jedoch gab es in der Erkenntnistheorie der beiden großen Physiker wieder eine Gemeinsamkeit: Die Faszination für die Evolutionstheorie CH. DARWINS. Die ständige Weiterentwicklung der Physik sollte mehr Klarheit und Ökonomie in ihrer Beschreibung der Welt bringen. Für Mach lag der Schwerpunkt im Prozess der Anpassung der Gedanken an die Tatsachen(8) , Boltzmann befaßte sich mehr mit der Evolution der Theorien an sich.
Das beste Beispiel für die Fruchtbarkeit seiner Anschauung lieferte Boltzmann selbst, indem es ihm unter Einbeziehung der Atomvorstellung gelang, die bis dorthin getrennten Gebiete Mechanik und Wärmelehre zu vereinen. Mechanische Vorgänge wie etwa das Schwingen eines Pendels sind prinzipiell umkehrbar, Wärmephänomene dagegen laufen immer nur in einer Richtung ab: Wärme fließt nur vom wärmeren zum kälteren Körper. Boltzmann betrachtete die Wärme als Konsequenz der Bewegung unzähliger Teilchen und führte den Wärmeausgleich auf ein Erreichen des wahrscheinlichsten Zustandes zurück - des Zustands der maximalen Unordnung. Von selbst entsteht letztlich immer eine Gleichverteilung, die Herstellung von Ordnung braucht dagegen Energie. Das Verhältnis zwischen Unordnung und Wahrscheinlichkeit lässt sich durch eine Zahl ausdrücken, eine Naturkonstante, die seither als Boltzmann-Konstante k bezeichnet wird.
Nebenbei gelang ihm damit, die statistische Beschreibung der Natur in die Physik einzuführen. Auch sie erlebte ihren Siegeszug in unserem Jahrhundert in der Quantenmechanik.
Boltzmann liebte seine Heimat, insbesondere das ruhige Graz. Aber er war ein kritischer Patriot:
Wir Österreicher sind doch sonderbare Leute. Wenn einer von uns etwas Großes leistet, so genieren wir uns förmlich, wir getrauen uns gar nicht recht, es öffentlich zu sagen...“, klagte er im Nachruf auf Loschmidt.(9)
Dagegen lobte er den guten physikalischen Stundenplan der Gymnasien.
Diesbezüglich vernehmen wir von Mach, der sich intensiv mit der Vermittlung von Physik befasste und mehrere didaktische Schriften veröffentlichte, kritischere Töne. Er wandte sich gegen den formalen, lehrbuchhaften Unterricht, die „Kreide-Physik“.
„Ich kenne nichts Schrecklicheres als die armen Menschen, die zu viel gelernt haben. Statt des gesunden kräftigen Urteils, welches sich vielleicht eingestellt hätte, wenn sich nichts gelernt hätten, schleichen ihre Gedanken ängstlich und hypnotisch einigen Worten, Sätzen und Formeln nach, immer auf denselben Wegen. Was sie besitzen, ist ein Spinnengewebe von Gedanken, zu schwach, um sich darauf zu stützen, aber kompliziert genug, um zu verwirren . ... Ich wäre zufrieden, wenn jeder Jüngling einige wenige mathematische oder naturwissenschaftliche Entdeckungen sozusagen miterlebt, und in ihre weiteren Konsequenzen verfolgt hätte.“(10)
Diese Worte haben wohl auch heute wenig von ihrer Aktualität eingebüßt.

Lise Meitner#

Von 1902 bis 1905 saß in Boltzmanns Vorlesungen eine junge Studentin, was damals eine absolute Ausnahmserscheinung an naturwissenschaftlichen Fakultäten darstellte. Sie schilderte Boltzmanns Vortrag so:

„Er hatte eine sehr große Tafel in der Mitte, auf die er alle Hauptrechnungen schrieb, und zwei an den Seiten angebrachte Tafeln, wohin die Nebenrechnungen kamen. Alles sehr übersichtlich und klar geschrieben, so daß ich damals oft dachte, man könnte an Hand der Tafeln die ganze Vorlesung rekonstruieren. Er war selbst von allem, was er uns lehrte, so begeistert, daß man aus jeder Vorlesung mit dem Gefühl wegging, es werde einem eine ganz neue und wunderbare Welt eröffnet."(11)
Das begabte Fräulein hieß Lise Meitner, sie sollte eine der bestimmenden Physikerinnen der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts werden.
Als Frau in den Naturwissenschaften hatte man es damals nicht leicht. Um überhaupt studieren zu können, musste Meitner eine externe Matura an einem Knabengymnasium ablegen, da es in Wien damals nur solche gab. In ihren ersten Jahren in Berlin durfte sie das Chemische Institut nur durch eine Nebentür betreten und musste im Laborraum bleiben. Dabei wurde für Meitner bereits eine Ausnahme gemacht - Frauen war der Aufenthalt im Gebäude an sich verboten. Später wurde sie die erste wissenschaftliche Assistentin in Preußen und danach die erste Professorin. In Ihrer Antrittsvorlesung sprach sie über „Die Bedeutung der Radioaktivität für kosmische Prozesse“ - eine Berliner Tageszeitung berichtete: „Der Vortrag von Dr. Lise Meitner behandelte Probleme der kosmetischen Physik“(12)
Meitners Arbeitsgebiet war von Anfang an, als sie nach dem Tode Boltzmanns Wien verlassen hatte, die Erforschung jener gerade entdeckten geheimnisvollen Strahlung, der Radioaktivität. Der Franzose H. BECQUEREL hatte 1896 eher zufällig gefunden, dass von Uranerzen eine durchdringende Strahlung ausging. Gerade dieses Gebiet wurde in der Folge eine Domäne der Forscherinnen. Die erste von ihnen war die Polin MARIE SKLODOWSKA, später verheiratete CURIE, die gemeinsam mit ihrem Ehemann neue strahlende Elemente isolieren konnte (Polonium und Radium) und auf die auch das Wort „Radioaktivität“ zurückgeht. E. RUTHERFORD bestimmte die drei Arten der Strahlung (Alpha, Beta und Gamma genannt), CURIES Tochter IRENE fand gemeinsam mit ihrem Ehemann F. JOLIOT die künstliche Radioaktivität und in Berlin forschte das Team Lise Meitner - OTTO HAHN.
Die ersten Erfolge Meitners waren Arbeiten über die Beta-Strahlung. Diese stellte insofern ein Problem für die Physik dar, da die Erhaltung der Energie, einer der fundamentalsten Sätze der Physik, verletzt zu sein schien, denn: Die ausgesandten Elektronen hatten ganz verschiedene Energien und Richtungen. Einem anderen Österreicher, Wolfgang Pauli, sollte eine kühne Lösung dieses Problems gelingen, doch darüber später.
Während des ersten Weltkriegs wurde die Arbeit unterbrochen, Meitner meldete sich freiwillig zum Militärdienst und wurde als Röntgenschwester in Lazaretten der österreichisch-ungarischen Armee eingesetzt. Danach setzte die eigentliche Blüte der Forschung des kongenialen Teams Meitner/Hahn ein: Er der brilliante, genaue Chemiker, sie die geniale theoretische Physikerin. Die Entdeckung eines neuen Elements (Protactinium, Nr. 91) bringt ihnen die Nominierung für den Nobelpreis.
Sie hatte ihr Institut fest im Griff. Um die Radioaktivität unter Kontrolle zu halten, durften enge Mitarbeiter nur gelb markierte Sessel benützen, für das Berühren von Türschnalle und Telefonhörer war die Verwendung von Toilettenpapier vorgeschrieben.(13) Noch 1932, knapp vor Hitlers Machtergreifung, schilderte sie das Arbeitsklima so:
„In dieser Arbeitsgemeinschaft herrschte ein guter Geist und eine fröhliche Stimmung ... Es war ein starkes Gefühl der Zusammengehörigkeit vorhanden, dessen Grundlage gegenseitiges Vertrauen war.(14)
Nach Experimenten von E. FERMI, der Neutronen an Atomkerne anlagern konnte, suchten mehrere Forschungsgruppen nach neuen Elementen, den sogenannten „Transuranen“, also Stoffen, die im Periodensystem nach dem Uran kommen. Der Kampf um die Identifizierung dieser Stoffe war eine „Konkurrenz der Damen“(15) , JOLIOT-CURIE in Paris und Meitner, die von A. EINSTEIN oft als „unsere Madame Curie“ bezeichnet wurde, in Berlin.
Doch die Bedingungen für Meitner, die jüdischer Abstammung war, verschlechterten sich ab 1933 rapide. Viele Kollegen wie etwa EINSTEIN verließen Deutschland, sie durfte auch nur bleiben, weil sie als Österreicherin nicht unter die Rassengesetze Deutschlands fiel. Nach der Annexion Österreichs musste sie jedoch endgültig fliehen, über Holland reiste sie nach Schweden, herausgerissen aus der intensiven Erforschung der „Transurane“, die vor dem Abschluss stand. HAHN war es gelungen, die beim Beschuss des Urans entstehenden Stoffe als Elemente nachzuweisen, die leichter als das Uran waren. Er veröffentlichte das Ergebnis raschestens, um JOLIOT-CURIE zuvorzukommen, obwohl er keine theoretische Erklärung aufweisen konnte. Sollte das Atom „zerplatzen“? Meitner, die mit ihm in intensivem Briefwechsel stand, blieb es vorbehalten, diese nachzuliefern: Gemeinsam mit ihrem Neffen Otto Frisch erklärte und berechnete sie den Vorgang als eine Teilung des Urankerns, welche sie wegen der Parallelen zur biologischen Zellteilung als „fission“ (Spaltung) bezeichnete. Mithilfe der Einstein’schen Formel E=mc² konnte sie den gewaltigen Energieumsatz der Reaktion abschätzen.
Als kurze Zeit später gefunden wurde, dass bei jeder Spaltung Neutronen frei werden, die wieder Urankerne spalten können, dämmerte bereits die Möglichkeit einer Waffe, die in einer Kettenreaktion gigantische Energien freisetzen konnte - nur sechs Jahre später sollte diese Wirklichkeit werden.
Im Exil war Meitner nicht sehr glücklich, da sie miserable Arbeitsbedingungen vorfand.
„Mir geht es sehr wenig gut. Ich habe hier eben einen Arbeitsplatz und keinerlei Stellung, die mir irgendein Recht auf etwas geben würde.“(16)
Den mehrfachen Ruf, in die USA zu gehen, um an militärischen Projekten mitzuarbeiten, lehnte sie dennoch ab. Nach dem Krieg bekam HAHN den Nobelpreis für seine Arbeit, Meitner ging leer aus. Ein österreichisches Schicksal, oder eine Mißachtung der Frau in der Physik? Trotzdem wurde sie mit Ehren überhäuft, 1946 wurde sie von der amerikanischen Presse zur „Frau des Jahres“ gewählt - in der Siegeseuphorie betrachteten die Amerikaner sie als eine Art „Mutter der Bombe“. Genauso wie HAHN war sie aber schockiert von dieser Massenvernichtungswaffe und versuchte in der Folge, aufklärend gegen den Mißbrauch der Kernenergie zu wirken. Auch noch im hohen Alter besuchte sie öfters ihre Heimat, die sie sehr liebte, Berufungen nach Österreich oder Deutschland lehnte sie aber ab.

Victor Franz Hess#

Das Schicksal der Vertreibung durch die Nazis traf auch Viktor Franz Hess, dessen Name kaum geläufiger sein dürfte als der Lise Meitners, der aber der einzige gebürtige Steirer war, dem ein Nobelpreis zugesprochen wurde - der Nobelpreis für Physik im Jahr 1936, für seine Entdeckung der kosmischen (Höhen-) Strahlung.
Hess war bereits als Schüler und als Student brilliant: 1906 promovierte er „sub auspiciis imperatoris“ - in seiner ganzen Laufbahn hatte er nur Bestnoten zu verzeichnen gehabt. Sein Arbeitsgebiet war jenem Meitners verwandt - er beschäftigte sich mit der Luftelektrizität. Luft stellt an sich einen guten Isolator dar - trotzdem verliert ein geladener Körper nach und nach seine Ladung. Durch eine ionisierende Strahlung wie die Radioaktivität kann dieser Vorgang hervorgerufen werden, also war man zu Beginn unseres Jahrhunderts auf der Suche nach derartigen Ursachen. Allgemein wurde die Ansicht vertreten, dass die Radioaktivität des Erdbodens die Luftelektrizität bewirken müsse, daher wurde eine Abnahme dieser Wirkung mit der Höhe erwartet. Hess erwarb in Wien einen Ballonführerschein und führte Messungen durch, die bis in die Höhe von 5000 Metern reichten. Dabei fand er eindeutig eine Zunahme der Leitfähigkeit statt der erwarteten Abnahme. Er war der erste, der dieses Verhalten durch den Einfluss einer Strahlung erklärte, die von außerhalb der Erdatmosphäre kommen sollte:
Der einzig mögliche Weg, meine experimentellen Befunde zu erklären, war, auf die Existenz einer bisher unbekannten, sehr durchdringenden Strahlung zu schließen, die hauptsächlich von oben kommt und wahrscheinlich außerterrestrischen (kosmischen) Ursprungs ist. (17)

Durch den ersten Weltkrieg wurden diese Aktivitäten unterbrochen, Hess wandte sich mehr der Erforschung der Radioaktivität zu. Er entwickelte ein Zählgerät, das einen Vorläufer des heute gebräuchlichen Geiger-Müller-Zählers darstellt und bestimmte damit sehr genau die Strahlung von einem Gramm Radium (37 Milliarden Zerfälle je Sekunde!) - diese Zahl wurde als 1 Curie bezeichnet und stellte lange Zeit die Einheit für die sogenannte „Aktivität“ eines Stoffes dar (heute: 1 Becquerel: 1 Zerfall pro Sekunde). Dabei zog sich Hess Radiumverbrennungen an der linken Hand zu, in den dreißiger Jahren musste ihm der Daumen amputiert werden.
Das Interesse an der Höhenstrahlung erwachte bei ihm wieder, als sich der amerikanische Physiker R. MILLIKAN (er bestimmte als erster die elektrische Elementarladung) damit auseinandersetzte. MILLIKAN war eine wissenschaftliche Autorität, bei seinen ersten Messungen fand er aber Hess’ Ergebnisse nicht bestätigt. Mit anderen Forschern fand Hess später eine Erklärung dafür: Die Intensität der Höhenstrahlung hängt von der geographischen Breite ab, Ursache dafür ist das Magnetfeld der Erde. Millikan schwenkte später um und propagierte gar eine Zeitlang die Entdeckung der kosmischen Strahlung für sich - das Nobelpreiskomittee erkannte jedoch eindeutig Hess’ Priorität.
Hess wurde als fleißig, genau und pünktlich beschrieben.

Sein echt österreichisch konziliantes Wesen und seine Liebenswürdigkeit allen jenen gegenüber, die auch ihm freundlich entgegenkamen, machten ihn bei seinen Mitarbeitern und Studenten sehr beliebt.“(18)
Er war katholisch und kosmopolitisch eingestellt, weshalb ihn die politischen Machthaber 1938 fristlos und ohne Pension entließen. Durch den Eintausch seines Nobelpreises gegen Deutsche Reichschatzscheine mußte er die Mittel für seine Ausreise erwerben. Wie Meitner besuchte er nach dem 2. Weltkrieg mehrfach das Land seiner Geburt, blieb jedoch in Amerika.(19)
Vor dem Bau der großen Teilchenbeschleuniger war die von Hess gefundene Strahlung die wichtigste Quelle hochenergetischer Teilchen und führte zur Entdeckung zahlreicher Elementarteilchen wie der Mesonen und der Positronen. Woher diese seltsame Strahlung eigentlich kommt, ist auch heute nicht hundertprozentig geklärt. Nach neuesten Forschungen scheint ihr Ursprung in Supernovae (explodierten Sternen) und deren Überresten zu liegen.(20)

Erwin Schrödinger#

Erwin Schrödinger ist zur Zeit wohl der beliebteste österreichische Physiker, blickt doch sein Antlitz von jedem Tausend-Schilling-Schein. Doch auch hier steht die Kunst über der Wissenschaft - die Fünftausend-Schilling-Note wird von W. A. Mozart beherrscht.
Schrödinger war fasziniert von der griechischen Philosophie. Er vertrat die Auffassung,
... die naturwissenschaftliche Weltanschauung ist eine spezielle, von griechischen Denkern entdeckte und von ihnen auf uns gekommene geistige Einstellung.“(21)
Mit EINSTEIN verband ihn die Überzeugung, daß hinter der verwirrenden Vielfalt der Phänomene eine klare, verstehbare Realität stehen müßte, letztlich unabhängig vom erkennenden Subjekt - und doch trug gerade er dazu bei, diese Weltsicht zu erschüttern.
Er war theoretischer Physiker, sein wichtigstes Arbeitsgebiet die gerade entstehende Quantenphysik. Zu Beginn unseres Jahrhunderts fand man heraus, dass sich Strahlung in manchen Experimenten wie aus Teilchen (Energiepaketen, „Quanten“) bestehend verhielt. Ist das Licht nun eine Welle, wie die bisher erfolgreiche Theorie J. C. MAXWELLS es beschrieb, oder doch ein Teilchen? Ebenso benötigte man zur Erklärung des Atoms diskrete, „gequantelte“ Energiestufen, im Modell N. BOHRS als Elektronenbahnen verschiedener Höhe angenommen, jedoch ohne tiefere Begründung. Schrödinger gelang es 1926, vorerst diesen gordischen Knoten zu trennen, indem er wieder auf Wellenvorstellungen zurückgriff. Er beschrieb das Atom als ein schwingendes System, bei dem ähnlich zu Eigenschwingungen einer Saite oder Pfeife ganz bestimmte Schwingungen bevorzugt auftreten - diese entsprechen den beobachteten Energiestufen. Durch vergleichende Überlegungen gelangte er zu seiner berühmten „Schrödinger-Gleichung“, die bis heute die Basis zur Berechnung des Verhaltens von Atomen wie auch freier Teilchen darstellt.
So kryptisch uns diese Symbole scheinen mögen, Schrödinger erhielt dafür 1933 den Nobelpreis - völlig zu Recht. Rätselhaft blieb vorerst die physikalische Bedeutung der „Wellenfunktion“ Psi, die auch auf der 1000-Schilling-Note aufscheint. Sie kann als komplexe Funktion keine Realität beschreiben, jedoch steht sie in Zusammenhang mit der Wahrscheinlichkeit des Antreffens des entsprechenden Objekts, mag man es nun als Teilchen oder als Welle sehen. Und dies war die Konsequenz: Schrödinger hatte ein funktionierendes System gefunden, mit dem man mathematisch das Atom beschreiben konnte, aber: Wir erhalten nur mehr Wahrscheinlichkeitsaussagen, und: Wir können uns nicht vorstellen, was hier eigentlich schwingt.
Diese Interpretation wurde durch BOHR und W. HEISENBERG weiter ausgearbeitet und wird heute „Kopenhagener Deutung“ der Quantenphysik genannt. Ihre Grundannahme lautet: Die Mikrowelt ist dermaßen verschieden zu der unsrigen, daß unsere Vorstellungen wie „Teilchen“ oder „Welle“, die ja aus unserer „großen“ Welt stammen, nicht mehr anwendbar sind. Wir dürfen uns kein Bild machen, obwohl die Formeln zutreffende Ergebnisse liefern. Was bleibt, sind Meßwerte, verknüpft durch Beziehungen wie die Schrödinger-Gleichung. Es gibt keine Realität „hinter“ diesen Messungen, die Wirklichkeit entsteht erst durch den Vorgang der Messung.
Auf diesen Punkt musste eingegangen werden, um Schrödingers berühmten Gegenangriff verständlich zu machen.
„Wenn es doch bei dieser verdammten Quantenspringerei bleiben soll, so bedauere ich, mich überhaupt jemals mit der Quantentheorie abgegeben zu haben.“(22)
Wie EINSTEIN konnte er diese Deutung nicht akzeptieren, beide versuchten, sie zu Widersprüchen zu führen. Schrödinger ersann ein teuflisches Gedankenexperiment, das bis heute nicht befriedigend erklärt ist. Er verglich das Atom mit einer Katze, um zu zeigen, wie sinnlos die Kopenhagener Deutung ist. Diese Katze ist von außen unsichtbar in einem Behälter eingeschlossen, aber mit Nahrung usw. versorgt. Weiters befindet sich im Käfig ein Tötungsmechanismus, der völlig zufällig auslöst - die Katze kann also nach einer Sekunde sterben, aber genauso erst nach einem Jahr. Nach Bohr ist sie erst tot oder lebendig, nachdem man den Käfig geöffnet hat, vorher kann man keine Aussage über ihren Zustand treffen, sie ist weder tot noch lebendig. Dies widerspricht völlig unserer Alltagslogik, denn wir wissen ganz genau, dass die Katze entweder tot oder lebendig ist, einer dieser beiden Zustände muss real sein.
Nach diesen Gefechten um die Quantentheorie in den frühen dreißiger Jahren zog sich Schrödinger aus deren Diskussion zurück und wandte sich anderen Fragen zu. Ebenso wie Hess wurde er aus Graz vertrieben. Betrogen um Hab und Gut flüchtete er letztlich nach Irland, wo in Dublin eigens für ihn ein Institut gegründet wurde. Dort verfasste er das bedeutende Buch „Was ist Leben?“(23) . Darin knüpfte er an Boltzmanns Idee an, das Leben sei ein Prozess, der sich im wesentlichen von Ordnung „ernährt“, also dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik entgegenarbeitet. Schrödinger gelang es, diesen Gedanken weiter auszuführen und mit den aktuellen genetischen Forschungen zu verknüpfen. Er postulierte die Gene als Moleküle, wie sie später durch J. D. WATSON entdeckt wurden. In dieser Zeit gegen Ende des Zweiten Weltkriegs, als in den USA gerade die Atombombe gebaut wurde, wurde dieses Buch eines der Väter der Quantentheorie zu einer Herausforderung für eine Generation junger Wissenschafter.
Obwohl er in Dublin beste Bedingungen vorfand, kehrte er 1956 nach Österreich zurück - als erster der vertriebenen Nobelpreisträger. Zuvor hatte man sich als Witz erzählt, dass Österreich das gesündeste Land für Nobelpreisträger sein müsse - Pro Kopf der Bevölkerung wurden die meisten geboren, jedoch war noch kein einziger in Österreich gestorben. Schrödinger starb in Wien und wurde in Alpbach begraben, inmitten der von ihm geliebten Berge.

Wolfgang Pauli#

Auch der letzte der hier beschriebenen Physiker war ein Freund der österreichischen Berge. Von den Nobelpreisträgern war Hess der Praktiker, Schrödinger der Theoretiker, Wolfgang Pauli der „Über-Theoretiker“. Als er nach 100 Fahrstunden den Führerschein erworben hatte, gab er das Autofahren gleich wieder auf.(24) Seine Ungeschicklichkeit war so bekannt, dass man im Scherz sagte, Pauli und eine funktionierende Maschine könnten sich nicht zugleich in einem Raum aufhalten, in Anspielung auf sein berühmtes Ausschließungsprinzip.
Dies versuchten japanische Wissenschafter zu einem Spaß zu nutzen: Anlässlich der Eröffnung eines Forschungsinstituts war Pauli eingeladen. Man baute eine Maschinenattrappe, die nur die Funktion hatte, sich beim ersten Einschalten unter Getöse selbst zu zerstören. Pauli, der davon natürlich nichts wusste, hielt die Eröffnungsrede und wurde gebeten, die Anlage in Betrieb zu nehmen, indem er die Jux-Maschine einschaltete. Er drückte auf den Knopf - doch nichts geschah. Die Maschine hatte nicht funktioniert!
Pauli wurde im Wien des Fin-de siècle geboren, sein Taufpate war Ernst Mach, der sich später regelmäßig über die Fortschritte des „Wunderkindes“ informieren ließ. Bereits während der Schulzeit in Wien-Döbling befaßte er sich mit der ganz neuen und großteils unverstandenen allgemeinen Relativitätstheorie EINSTEINS und publizierte kurz nach der Matura seine erste wissenschaftliche Arbeit über dieses Thema.
Das Studium in München schloss er in der kürzest möglichen Dauer ab und ging anschließend zu BOHR nach Kopenhagen, dem Zentrum der gerade entstehenden Quantentheorie. Eines der Probleme, mit denen er sich dort beschäftigte, brachte ihn wenige Jahre später zur Entdeckung, die ihm den Nobelpreis einbringen sollte: Im Periodensystem der Elemente gab es eine fundamentale Ordnung, bestimmte Eigenschaften der Atome wiederholten sich - niemand konnte erklären, warum. Warum ordnen sich die Elektronen so um die Atomkerne an, dass mit steigender Zahl (also schwereren Atomen) immer komplexere Strukturen entstehen? Paulis Antwort lautete, einfach gesagt: Keine zwei Elektronen in einem Atom können gleich sein. Sie werden durch vier „Quantenzahlen“ beschrieben und müssen sich in mindestens einer davon unterscheiden. Dieses „Pauli-Prinzip“ ermöglichte nicht nur, baukastenmäßig das ganze Periodensystem aufzubauen, sondern erwies sich später als fundamentales Prinzip der Natur: Materieteilchen (Elektronen, Quarks, ...) gehorchen diesem Prinzip, Feldteilchen (Photonen, ...) dagegen nicht. Die letzte physikalische Ursache für das Entstehen der Komplexität der Natur aus sehr wenigen elementaren Teilchen ist das Pauli-Prinzip.
Bereits erwähnt wurde der zweite große Wurf Paulis, von ihm selbst vorerst nicht als solcher angesehen. Es ging um die vermeintliche Verletzung des Energieerhaltungssatzes beim Beta-Zerfall. 1930 schrieb Pauli an die „Radioaktiven Damen und Herren“ eines Kongresses, an dem er nicht teilnehmen konnte:
„Ich traue mich vorläufig aber nicht, etwas über diese Idee zu publizieren, und wende mich erst vertrauensvoll an Euch, liebe Radioaktive, mit der Frage, wie es um den experimentellen Nachweis eines solchen Neutrons stände, ...“ (25)

Er hatte es gewagt, zur Lösung der Probleme die Existenz eines neuen Teilchens (später Neutrino genannt) zu postulieren, obwohl er überzeugt war, daß man dieses niemals messen werde können. In diesem Punkt irrte er jedoch: 1955 gelang F. REINES der experimentelle Nachweis, was mit dem Nobelpreis 1995 belohnt wurde. Heute wird intensiv um dieses seltsame Teilchen geforscht: Neutrinos sind die häufigsten Teilchen des Universums, jede Sekunde durchdringen uns Billionen von ihnen, die aus der Sonne stammen, auch in der Nacht: Für sie ist selbst die Erde durchsichtig. Und doch wissen wir bis heute nicht, ob diese Teilchen überhaupt eine Masse besitzen.
Paulis scharfer Verstand und sein kritischer Geist machten ihn zum „obersten Richter“ in der theoretischen Physik, seine Kritik war zugleich geschätzt und gefürchtet. „Schon öfters habe ich etwas Richtiges als falsch erklärt, aber noch nie etwas Falsches als richtig“, soll er ironisch über sich selbst gesagt haben.(26) Wie Mach und Boltzmann beschäftigte er sich intensiv mit philosophischen und wissenschaftshistorischen Fragen, insbesondere mit Erkenntnistheorie. In den dreißiger Jahren hatte er in Zürich C. G. JUNG kennengelernt und war von seiner Lehre der Archetypen fasziniert, machten doch diese unterbewußten Bilder der Vorstellung etwa Paulis beständiges Festhalten an den Erhaltungssätzen verständlich. Er versuchte eine Brücke zu schlagen zwischen den Sinneswahrnehmungen auf der einen und den im Denken geformten Begriffen auf der anderen Seite, in gewissem Sinne also eine Brücke zwischen den Auffassungen Machs und Boltzmanns. Der Vorgang des Verstehens der Natur schien ihm „auf einer Entsprechung von präexistenten inneren Bildern mit äußeren Objekten und ihrem Verhalten zu beruhen.“(27)
Ein typisches Beispiel für den Einfluss von Ideen auf die Forschung war Johannes Kepler, der übrigens selbst bereits solche Urbilder als „archetypisch“ bezeichnet hatte. Pauli war von Keplers Vorgehen, aus „durch Gott der Seele eingeprägten“ Bildern (insbesondere geometrischen) ausgehend die Welt zu erklären, fasziniert und veröffentlichte eine Arbeit darüber.(28)
Mit 58 Jahren starb Pauli an einer heimtückischen Krankheit. Die Trauerrede in Zürich hielt sein Schüler Viktor Weißkopf, wie Pauli gebürtiger Österreicher und Kosmopolit. (Als Mitglied der Pugwash-Bewegung erhielt Weißkopf den Friedensnobelpreis 1995).

„Es ist zu einem ganz großen Maße Paulis Verdienst, wenn in unserer Weltgemeinde der Physiker noch etwas Einfaches, Naives und Gesundes vorzufinden ist, trotz aller Politik, Zeitungspublizität und Öffentlichkeits-Getue, das heute in die Wissenschaft einbricht, und dem Pauli so sehr fremd war. Möchte es uns gelingen auch ohne ihn etwas von seinem Stil zu bewahren.“(29)

Quellen#

(1) L. Boltzmann: Zur Erinnerung an Josef Loschmidt. In: plus lucis 1/95, S. 8 ff
(2) E Broda: Ludwig Boltzmann. Wien 1955, S. 84
(3) P. Urban: Ludwig Boltzmann in Graz. In: Physikalische Blätter 38/1982, S. 259 ff
(4) K. Seeger: Ernst Mach. In: plus lucis 3/93, S. 27 ff
(5) A. Einstein: Ernst Mach. In: Physikalische Zeitschrift, 17/1916, S. 101 ff
(6) Zitiert nach: R. Sexl: Was die Welt zusammenhält. Wien 1984, S. 120
(7) E. Oeser: Boltzmann und die evolutionäre Erkenntnistheorie. In: plus lucis 2/94, S. 14 ff
(8) A. Hohenester: Die Außenwelt und die Innenwelt. In: Physikalische Blätter 4/81, S. 215 ff
(9) E. Broda: Ludwig Boltzmann. S. 7
(10) E. Mach: Über den relativen Bildungswert der philologischen und der mathematisch-naturwissenschaftlichen Unterrichtsfächer der höheren Schulen. In: Populärwissenschaftliche Vorlesungen. Wien 1987, S. 344
(11) L. Meitner: Briefliche Mitteilung. In: E. Broda: Ludwig Boltzmann. S. 11
(12) O. Hahn: Lise Meitner 70 Jahre. In: Zeitschrift für Naturforschung 3/1948, S. 425
(13) D. Grieser: Köpfe - Portraits der Wissenschaft. Wien 1991, S. 130
(14) W. Stolz: Otto Hahn - Lise Meitner. Leipzig 1983, S. 34
(15) J. Herbig: Kettenreaktion - das Drama der Atomphysiker. München 1976, S. 66
(16) W. Stolz , a.a.O.... S. 57
(17) Zitiert in: P. Urban: Die Geschichte des Physikalischen Instituts der Universität Graz, unveröffentlichtes Manuskript (Inst. f. Experimentalphysik, Graz)
(18) Zitiert in P. Urban, a.a.O.
(19) K. Seeger: Viktor F. Hess. In: plus lucis 2/94, S. 35 ff
(20) Astronomie und Raumfahrt 2/1996, S. 14
(21) E. Schrödinger: Besonderheit des Weltbilds der Naturwissenschaft. In: Was ist ein Naturgesetz? München 1962, S. 31
(22) Zitiert nach: K. Simonyi: Kulturgeschichte der Physik. Frankfurt a. Main 1990, S. 451
(23) E. Schrödinger: What is Life? London 1944
(24) K. Seeger: Wolfgang Pauli. In: plus lucis 3/94, S. 37 ff
(25) H. Pietschmann: Der Nachweis des Neutrinos. In: plus lucis 3/95, S. 14
(26) K. v. Meyenn: W. Pauli, Physik und Erkenntnistheorie. Braunschweig 1984, S. XVIII
(27) K. v. Meyenn, S. XXII
(28) W. Pauli: Der Einfluß archetypischer Vorstellungen auf die Bildung naturwissenschaftlicher Theorien bei Kepler. In: C.G. Jung, W. Pauli: Naturerklärung und Psyche, Zürich 1952
(29) V. Weißkopf: Trauerrede für Wolfgang Pauli. In: K. v. Meyenn, S. XXVI


Der Artikel stammt aus 1995, einiges ist schon veraltet:
Den Schrödinger-Tausender gibt es nicht mehr...
Und inzwischen haben die Neutrinos eine Masse.

-- Rath Gerhard, Samstag, 9. März 2013, 21:16