Naturwissenschaften in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts

Im Jahre 1860, anlässlich einer wissenschaftlichen Tagung über die Entwicklung der Lebewesen, richtete am Ende der Diskussion der englische Bischof Samuel Wilberforce an den Biologen Thomas Henry Huxley die polemische Frage, ob er lieber großmütterlicher- oder großväterlicherseits vom Affen abstammen möchte. Huxley, einer der engagiertesten Verteidiger von Charles Darwins neuer Lehre, konterte, er würde lieber vom Affen abstammen als von einem Mann, der seine Fähigkeiten nur dazu benutze, eine ernsthafte wissenschaftliche Diskussion ins Lächerliche zu ziehen. Der Streit war eröffnet; und es sollte nicht nur bei Polemik bleiben; allen möglichen Ideologen des 19. und 20. Jahrhunderts schien Darwins Lehre bestens geeignet, ihre teilweise abartigen Ideen zu untermauern. Dabei war die Überzeugung, die in Charles Robert Darwin (* 1809, † 1882) auf seiner Expedition nach Südamerika und zu den Galapagos-Inseln von 1831-1836 heranreifte, nur zum Teil neu. Darwin und die Abstammung des Menschen
Dass eine Entwicklung der Arten im Tier- und Pflanzenreich stattgefunden haben musste, eine »Evolution«, war um die Zeit von vielen anerkannt. Neu war, dass Darwin eine »natürliche Zuchtwahl« als Grund für die Veränderung der Arten angab. Tierzüchter wissen, dass sich die Tiere jeder Generation von der vorhergehenden und untereinander leicht unterscheiden. Unter dem Druck der Umwelt, speziell der Übervölkerung, sollten nach Darwin beim »Kampf ums Dasein« nur die »Tüchtigsten«, nur die am besten der Umwelt angepassten Individuen überleben. Zur Unterstützung seiner Thesen hatte der gewissenhafte Darwin in jahrelanger Arbeit Beobachtung für Beobachtung zusammengetragen, bis er 1859 endlich sein Jahrhundertwerk »Über die Entstehung der Arten durch natürliche Zuchtwahl, oder das Fortbestehen begünstigter Rassen beim Kampf ums Leben« und 1871 »Die Abstammung des Menschen« herausgab. Hier wurden entsprechende Thesen auch für die Menschheitsentwicklung aufgestellt, nach denen Menschen wie Affen, wie auch die anderen Tiere, von einem gemeinsamen Ursprung aus sich allmählich entwickelt haben sollen und Endpunkte der Zweige eines gemeinsamen Stammbaumes seien. Dass der Mensch seine Sonderstellung verlieren sollte, konnten viele nicht so leicht hinnehmen, zumal ja auch die biblische Schöpfungslehre allzu buchstabengetreu ausgelegt wurde. Und doch war durch die Knochenfunde vom »Neandertalermenschen« (1856) und vom »Pithecanthropus erectus« aus Java (1894) eine Veränderung des Menschen nachgewiesen. Auch in Deutschland tobte der Kampf um die neue Lehre. Der Biologe Ernst Haeckel (* 1834, † 1919) verschmolz dann die Ergebnisse der deutschen Embryologie mit der Abstammungslehre, schoss aber in vielem wohl über das Ziel hinaus. Er war es, der den Darwinismus erst richtig bekannt machte, aber mit seinen materialistischen Anschauungen auch stärksten Widerspruch herausforderte. Wie das häufig bei noch reifenden naturwissenschaftlichen Erkenntnissen der Fall ist, wurde Darwins Lehre vorschnell von Laien aufgegriffen; es entstand der sogenannte »Sozialdarwinismus«, der u.a. allen Ernstes verkündete, dass Alte und Kranke sich selbst überlassen werden sollten, da sie auf Dauer für die menschliche Rasse schädlich seien. Er wollte auch die kapitalistischen Methoden des wirtschaftlichen Wettbewerbs rechtfertigen. Im Rahmen einer »Eugenik« genannten Lehre entstanden Überlegungen, wie man die menschlichen Rassen durch geeignete »Zuchtwahl« »verbessern« könnte, und mit den Ansichten des Franzosen Graf Gobineau (* 1816, † 1882) in Frankreich und des Engländers Houston Steward Chamberlain (* 1855, † 1927) in Deutschland wurden die geistigen Grundlagen für die rassistischen Verbrechen des Nationalsozialismus und Dritten Reiches gelegt. Mendels Vererbungslehre
Das entscheidende Manko Darwins und seiner irregeleiteten Nachfolger lag darin, dass der Mechanismus der Vererbung noch nicht verstanden war. Der Fortschritt hätte schon um 1866 kommen können, als der Augustinerabt Gregor Johann Mendel (* 1822, † 1884) aus Brünn (Mähren) die Erkenntnisse seiner langjährigen Kreuzungsversuche mit Erbsen veröffentlichte. Er fand, dass jedes Individuum Paare von »Erbanlagen« jeweils von beiden Eltern besitzt. Eine Erbanlage eines Paars könnte »dominant« (vorherrschend) oder »rezessiv« (zurücktretend) sein, und wenn ein Individuum beide hätte, würde die Dominante die Eigenschaften des Individuums bestimmen. Die unmittelbaren Nachkommen von zwei »reinstämmigen« Erbsenpflanzen, einer hochstämmigen und einer niedrigstämmigen, würden danach ausschließlich hochwüchsig sein, weil alle zumindest eine Erbanlage für hohen Wuchs hätten. Aber einige von deren Nachkommen könnten auch von niederem Wuchs sein, wenn sie zufällig zwei Erbanlagen der niedrigstämmigen Großmutter erworben hätten. Der »Biologiepapst« von Nägeli verhinderte aber, dass die Arbeit Mendels anerkannt wurde. Erst als im Jahr 1900 der Holländer Hugo de Vries (* 1848, † 1935), der Österreicher Erich Tschermak von Seysenegg (* 1871, † 1962) und der Deutsche Carl Correns (* 1864, † 1933) erneut diese Entdeckung machten, konnten sich die »Mendelschen Gesetze« durchsetzen. Dass zur Entstehung des Lebens bei der Befruchtung sich eine weibliche Ei- und eine männliche Samenzelle vereinigen müssten, war schon länger vermutet worden, aber erst 1879 von dem Schweizer Hermann Fol (* 1845, † 1892) bei den Riesenzellen des Seeigels beobachtet worden. Mit den neuen organischen Farbstoffen konnten jetzt Teile der Zellen angefärbt werden. Der deutsche Zellforscher Walter Flemming (* 1843, † 1906) entdeckte so unter dem Mikroskop die Chromosomen (die Träger der Erbanlagen: eine Deutung, die erst 1902 dem Amerikaner Walter S. Sutton [* 1876, † 1919] gelang) und beobachtete, dass die Chromosomen stets paarweise auftraten; bei der Zellteilung verdoppelte sich der Chromosomensatz, sodass beide Tochterzellen wieder einen vollständigen (doppelten) Satz enthielten. Nur bei den Geschlechtszellen sind nach dem belgischen Zellforscher Edouard van Beneden (* 1846, † 1910) die Chromosomensätze einfach; erst bei der Befruchtung entsteht wieder ein vollständiger Satz mit Erbanlagen beider Eltern. So war um die Jahrhundertwende ein wesentlicher Teil der Vererbungsgesetze verstanden. Der Mensch ist, was er isst? Fortschritte in der Medizin
Lange hatte man geglaubt, dass sich Lebewesen von der unbelebten Materie durch eine fiktive »Lebenskraft« unterschieden. Zweifel kamen nach Wöhlers Harnstoffsynthese auf, seit auch andere organische Verbindungen aus anorganischen Substanzen erzeugt werden konnten, als sich – unter Mitwirkung Liebigs – herausstellte, dass auch der Körper des Menschen wie seine Nahrung im wesentlichen aus Kohlehydraten, Fetten, Eiweißen und Wasser bestand. Stoffwechselvorgänge wie Verdauung und Atmung und auch die Gärung stellten sich als chemische Reaktionen heraus, die zwar unter Umständen durch organische Stoffe, die Enzyme, als Katalysatoren beschleunigt werden, die aber auch außerhalb des Körpers bzw. der Zellen ablaufen können. Um die Jahrhundertmitte war mit vielen Enzymen die Chemie der Verdauung im Wesentlichen bekannt. Es setzte sich die Überzeugung durch, dass die stofflichen Vorgänge in allen Lebewesen allein den Gesetzen der Chemie und der Physik genügen. Damit begann man auch die Ursachen von Krankheiten besser zu verstehen, vor allem, nachdem der französische Biologe und Chemiker Louis Pasteur (*1822, † 1895) Mikroorganismen als Ursache der Seidenraupenpest erkannt und Robert Koch den Erreger des Milzbrands gefunden hatte. Der deutsche Botaniker Ferdinand Julius Cohn (* 1828, † 1898) veröffentlichte 1872 ein dreibändiges Werk über die neuentdeckten Bakterien und wurde einer der Begründer der Bakteriologie. Seiner Förderung ist es zu verdanken, dass der deutsche Arzt Robert Koch (* 1843, † 1910) 1882 auch den Erreger der Tuberkulose entdecken konnte. Weitere Krankheitsursachen wurden bis um die Jahrhundertwende erkannt, z. B. Vitaminmangel und die Erreger von Malaria, Diphtherie, Pest und Syphilis. Gegenmaßnahmen konnten getroffen werden: Impfungen, Desinfektionen zur Vermeidung des Kindbettfiebers und von Wundinfektionen bei Operationen, aber auch die Bekämpfung der Anophelesmücke als Malariaüberträger. Der Arzt und Gesundheitspolitiker Rudolf Virchow (* 1821, † 1902) trat für hygienische Maßnahmen ein, und Paul Ehrlich (* 1854, † 1915) begründete die Chemotherapie zur Krankheitsbekämpfung. Robert KochRobert Koch, Begründer der modernen Bakteriologie, Entdecker des Tuberkelbazillus und des Choleraerregers, mit Reichstagsabgeordneten in Entebbe (Ostafrika), wo er sich der Erforschung der Schlafkrankheit widmete (1906). Wie weit trägt die mechanistische Physik?
Endgültige Durchsetzung des »Energieerhaltungssatzes«

Auch Hermann von Helmholtz (* 1821, † 1894) war ursprünglich Arzt. 1847 trat er mit der Arbeit »Über die Erhaltung der Kraft« an die Öffentlichkeit, in der er in voller Allgemeinheit eine der bedeutendsten physikalischen Entdeckungen formulierte, den »Energieerhaltungssatz« für alle Bereiche der Naturwissenschaften: »In einem abgeschlossenen System kann Energie weder erzeugt noch verbraucht, sondern nur umgewandelt werden.« Die Arbeit entfachte einen Sturm der Entrüstung. Hatte nicht wenige Jahre zuvor, 1842, Julius Robert Mayer (* 1814, † 1878) ganz ähnliches, allerdings nur für die Mechanik, Wärmelehre und Chemie behauptet? Helmholtz wurde geistiger Diebstahl unterstellt, aber bei seiner Redlichkeit ist zu glauben, dass ihm weder die Arbeit Mayers, noch die des Engländers Joule, noch die anderer Vorläufer bekannt war. Helmholtz hatte allerdings noch angenommen, die gesamte Natur könne mithilfe der Mechanik verstanden werden, welch’ aussichtsloses Ziel! In einem Jahrzehnt setzte sich der »Energieerhaltungssatz« in allen Zweigen der Naturwissenschaften durch. Mit riesigen Kalorimetergefäßen, die auch Menschen aufnehmen konnten, wurde er sogar in der Biologie bestätigt. Zunächst profitierte die Wärmelehre am meisten vom Energiebegriff. Seit 1851 hat, darauf aufbauend, der Physiker Rudolf J. E. Clausius (* 1822, † 1888) eine geschlossene Theorie der Wärme entwickelt, die »Thermodynamik«. Aus seinen zwei »Hauptsätzen« ließ sich in ihr eine Fülle von Gesetzmäßigkeiten für die verschiedensten thermischen Eigenschaften wie Gasdruck oder Wärmeausdehnungszahl ableiten, merkwürdigerweise ohne dass man Annahmen über die Natur der Stoffe machen musste. Insbesondere kam man dabei sehr wohl ohne die immer noch verrufene »Atomhypothese« aus. Der Leipziger Chemiker Wilhelm Ostwald (* 1853, † 1932) wollte ganz auf mechanische Modelle verzichten, wie sie der junge Helmholtz noch gefordert hatte, und ließ in seiner »Energetik« nur die Energie als physikalisch wirklich zu. Ganz ähnlich verlief die Entwicklung in der Elektrizitätslehre. Der schottische Physiker James Clerk Maxwell (* 1831, † 1879) hatte zwar für Michael Faradays elektrische und magnetische Felder mathematische Gleichungen aufgestellt, hatte diese aber auch zunächst mechanisch gedeutet als Folge eines abenteuerlich komplizierten Systems rotierender »Ätherröhren«. Indem er dann seit 1872 völlig auf eine mechanische Veranschaulichung verzichtete und den Inhalt seiner Theorie allein in ihrer mathematischen Struktur und den Folgerungen aus dieser sah, wurde Maxwell wohl zum bedeutendsten Physiker des 19. Jahrhunderts. Mathematische Folgerungen waren es, die das physikalische Weltbild und die Technik gründlich veränderten: Es sollte »elektromagnetische Wellen« geben, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten! Könnte dann nicht Licht selbst eine solche Welle sein? Helmholtz in Berlin -er war inzwischen völlig von der Physiologie, in der er bedeutende Beiträge zu den Hör- und Sehvorgängen geleistet hatte, zur theoretischen Physik übergewechselt – regte die Untersuchung bei seinem Studenten Heinrich Hertz (* 1857, † 1894) an; in Karlsruhe gelang diesem schließlich die Erzeugung und der Nachweis solcher Radiowellen. Hertz konnte dann bestätigen, dass diese Strahlung sich nur durch die Wellenlänge vom sichtbaren Licht unterscheidet. Die »Maxwellsche Lichttheorie«, und damit eine der fruchtbarsten Theorien überhaupt, die schließlich zur Modelltheorie für die »relativistische Quantentheorie« des 20. Jahrhunderts werden sollte, war so bestätigt. Zwei »phänomenologische« Theorien wurden so im 19. Jahrhundert entwickelt und abgeschlossen, die Thermodynamik und die Elektrodynamik, die die Erscheinungen (Phänomene) gesetzmäßig verknüpfen, ohne zu sagen, wie die Phänomene Zustandekommen. Der österreichische Physiker und Philosoph Ernst Mach (* 1838, † 1916) behauptete in seiner »positivistischen« Erkenntnislehre sogar, dass Naturwissenschaft ganz allgemein nur Größenbeziehungen zwischen Sinneserscheinungen, Phänomenen, feststellen könne. MotorradDie stürmische Entwicklung der Technik verändert die Welt: Daimlers Motorrad von 1886. Die »Atomhypothese« lebt wieder auf
Ganz haltbar war Machs Ansicht wohl nicht, denn die »Atomhypothese« (Materie besteht aus kleinsten unteilbaren Teilen) bewährte sich gerade, indem sie viele Aussagen der phänomenologischen Thermodynamik deuten konnte. Rudolf J. E. Clausius hatte seit 1857 die Idee weiterverfolgt, dass Wärme mit der Bewegung der vermuteten Atome zusammenhängen könnte. Dass man viel zu wenig wusste, um – wie der »Laplacesche Dämon« – alle Atome eines Gases rechnerisch verfolgen zu können, war selbstverständlich. Man lernte aber von Maxwell, dass man auf mathematischer Basis Wahrscheinlichkeitsaussagen für die Mittelwerte sehr vieler Teilchen machen konnte. Insbesondere auch der unglückliche Österreicher Ludwig Boltzmann (* 1844, † 1906) entwickelte in Graz, München, Leipzig und Wien so eine umfassende »Statistische Mechanik« der Gase, die »kinetische Gastheorie«. (Am Unverständnis seiner Kollegen gegenüber seiner atomistischen Theorie zerbrach er aber und nahm sich schließlich das Leben.) Er hatte aufgrund seiner Forschungen deuten können, warum sich auch aus der Thermodynamik eine Entwicklung der Natur ergibt: Danach streben sich selbst überlassene Systeme einem Zustand größtmöglicher Unordnung zu. Also schien es völlig unverständlich, dass sich in der Natur höchst geordnete Systeme wie lebende Zellen und Lebewesen »von selbst« gebildet haben könnten. Auch die Chemiker begannen erst wieder an Atome zu glauben, nachdem 1860 auf einer internationalen Konferenz in Karlsruhe der Italiener Cannizzaro (* 1826, † 1910) an Avogadros Methode von 1811 zur Bestimmung der relativen Atommassen erinnert hatte. Es ließ sich nun rechnerisch eine Tabelle der Atommassen aufstellen, die dann 1869 von dem Russen Dimitrij Mendelejew (* 1834, † 1907) und dem Deutschen Lothar Meyer (* 1830, † 1895) zum »Periodischen System der Elemente« geordnet wurde. Lücken im System halfen neue Elemente zu finden. Im Jahre 1866 konnte dann erstmals August Kekule von Stradonitz (* 1829, † 1896), der ursprünglich Architekt gewesen war, den Bauplan des Benzolmoleküls als Ring von sechs Kohlenstoffatomen mit Wasserstoffatomen als Seitenketten aufklären. Der Bau weiterer organischer Moleküle ließ sich dann mit der Annahme entschlüsseln, dass die vier Bindungen eines Kohlenstoffatoms von der Mitte eines Tetraeders nach seinen vier Ecken gerichtet sind. Otto Lilienthal 1895Von den Gleitflugversuchen Otto Lilienthals (rechts vom »Fliegerberg« in Berlin-Lichterfelde 1895), die halfen Gesetzmäßigkeiten der Flügelkonstruktion zu erkennen, war es kein weiter Schritt zum motorisierten Flugzeug. Umsturz im Weltbild der Physik
Atome, Elektronen, Quanten

Gegen Ende des Jahrhunderts überstürzten sich dann die Ereignisse, die den Umbruch des physikalischen Weltbildes im 20. Jahrhundert einleiteten. Helmholtz hatte schon 1881 darauf hingewiesen, dass man aus den Faradayschen Elektrolyseversuchen auf die Existenz einer kleinsten Ladungseinheit, der »Elementarladung«, schließen müsste. 1895 wiesen dann der Franzose Jean-Baptiste Perrin (* 1870, † 1942) und 1897 Wilhelm Wien (* 1864, † 1928) die negative Ladung in den Kathodenstrahlen einer Gasentladungsröhre nach, die vom negativen Pol, der »Kathode«, ausgingen. Aber erst nachdem der Holländer Hendrik Antoon Lorentz (* 1853, † 1928) die magnetische »Lorentzkraft« auf bewegte elektrische Ladungen entdeckt hatte, konnte der Engländer Joseph John Thomson (* 1856, † 1940) in den Kathodenstrahlen negative Elektronen als kleinste Ladungseinheiten feststellen und ihre Eigenschaften bestimmen. Mit noch größerer Präzision maß 1909 der Amerikaner Robert Andrew Millikan (* 1868, † 1953) mit seiner Öltröpfchenmethode die elektrische Elementarladung. Damit war erstmals der Atomismus, zumindest der elektrischen Ladung, wirklich nachgewiesen. RöntgenstrahlenPhysikalisch-technische Erkenntnisse im Dienst der Medizin. Behandlung einer Patientin mit Hilfe von Röntgenstrahlen. Foto aus der Zeit um 1905. Ebenfalls beim Experimentieren mit Kathodenstrahlen glückte Wilhelm Conrad Röntgen (* 1845, † 1923) in Würzburg die Entdeckung seiner nach ihm benannten Strahlen, deren Natur erst 1912 als kurzwellige elektromagnetische Strahlung erkannt wurde. Bei dem Versuch, einen Zusammenhang zwischen der Leuchterscheinung in einem Uransalzkristall und der Entstehung der Röntgenstrahlen zu finden, bemerkte der Franzose Antoine Henri Becquerel (* 1852, † 1908), dass vom Uransalz selbst eine Strahlung ausging, die vom Ehepaar Marie und Pierre Curie, den Pionieren auf diesem Gebiet, als »Radioaktivität« bezeichnet wurde. Damit standen die Physiker und Chemiker um die Jahrhundertwende mitten in der Atomphysik. Selbst Ostwald und Mach mussten schließlich die Existenz von Atomen zugestehen, aber wie langsam der Wandel eintrat, ist aus einer Anekdote über Otto Stern (* 1888, † 1969) zu ersehen, der während des Ersten Weltkriegs bedeutende Experimente mit Strahlen schneller Atome durchführte. Als er viel später seinen alten Doktorvater wiedertraf, meinte dieser, er hätte Stern beim Examen sicher durchfallen lassen, wenn er damals schon gewusst hätte, dass Stern an Atome glaubte. Max Planck (* 1858, † l947) musste im Jahr 1900 widerwillig aus seinem Strahlungsgesetz folgern, dass die Energie der elektromagnetischen Strahlung in »Quanten«, sozusagen in »Atomen des Lichts«, konzentriert sein müsse. Das widersprach völlig der gesicherten Vorstellung von elektromagnetischen Wellen; das konnte im 19. Jahrhundert nicht verstanden werden. Erst musste die neue Sicht vom Wahrheitsgehalt naturwissenschaftlicher Aussagen im 20. Jahrhundert begründet werden.

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Info 26.09.2017 - 22:01
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