Philip Ball
EX PERI MEN TE Versuch und Irrtum in der Wissenschaft
Philip Ball
EXPERI MENTE Versuch und Irrtum in der Wissenschaft Aus dem Englischen übersetzt von Susanne Schmidt-Wussow
Haupt Verlag
Philip Ball ist ein britischer Chemiker, Physiker und Wissenschaftsjournalist. Er war während vieler Jahre Redakteur der wissenschaftlichen Zeitschrift «Nature» und wurde mehrfach für seine naturwissenschaftlichen Sachbücher ausgezeichnet, u.a. mit dem «Prize for Science Books» der Royal Society.
1. Auflage: 2024 ISBN 978-3-258-08343-8 Alle Rechte vorbehalten. Copyright © 2024 für die deutschsprachige Ausgabe: Haupt Verlag, Bern Jede Art der Vervielfältigung ohne Genehmigung des Verlages ist unzulässig. Aus dem Englischen übersetzt von Susanne Schmidt-Wussow, D-Berlin Umschlaggestaltung und Satz der deutschsprachigen Ausgabe: Die Werkstatt Medien-Produktion GmbH, D-Göttingen Layout: Quarto Publishing plc, GB-London Umschlagabbildungen: vorne: Wellcome Collection/473452i; hinten: Wellcome Collection/37197i Die englischsprachige Originalausgabe erschien 2023 unter dem Titel Beautiful Experiments. An Illustrated History of Experimental Science bei The University of Chicago Press, London/Chicago. Copyright © 2023 Quarto Publishing plc Gedruckt in China
Um lange Transportwege zu vermeiden, hätten wir dieses Buch gerne in Europa gedruckt. Bei Lizenzausgaben wie diesem Buch entscheidet jedoch der Originalverlag über den Druckort. Der Haupt Verlag kompensiert mit einem freiwilligen Beitrag zum Klimaschutz die durch den Transport verursachten CO2-Emissionen. Dabei unterstützt der Verlag ein Projekt zur nachhaltigen Forstbewirtschaftung in der Zentralschweiz. Wir verwenden FSC®-zertifiziertes Papier. FSC® sichert die Nutzung der Wälder gemäß sozialen, ökonomischen und ökologischen Kriterien. Diese Publikation ist in der Deutschen Nationalbibliografie verzeichnet. Mehr Informationen dazu finden Sie unter http://dnb.dnb.de. Der Hauptt Verlag Ve g wird w i vom Bundesamt für Kultur für die Jahre 2021–2024 unterstützt. wi Sie möchten nichts mehr verpassen? Folgen Sie uns auf unseren Social-Media-Kanälen und bleiben Sie via Newsletter auf dem neuesten Stand. www.haupt.ch/informiert Wir verlegen mit Freude und großem Engagement unsere Bücher. Daher freuen wir uns immer über Anregungen zum Programm und schätzen Hinweise auf Fehler im Buch, sollten uns welche unterlaufen sein. www.haupt.ch
Inhalt K a pitel 1
Einführung
6
Wie funktioniert die Welt?
12 24
Intermezzo 1: Was ist ein Experiment?
K a pitel 2
Was lässt Dinge geschehen? Intermezzo 2: Der Einfluss neuer Techniken
K a pitel 3
K a pitel 4
32 46
Intermezzo 3: Was ist ein schönes Experiment?
60 80
Was ist Licht?
134
Woraus besteht die Welt?
Intermezzo 4: Die Kunst der
K a pitel 5
K a pitel 6
wissenschaftlichen Instrumentierung
148
Was ist Leben? Intermezzo 5: Gedankenexperimente
168 182
Wie verhalten sich Lebewesen?
216
Weiterführende Literatur
236
Register
237
Bildnachweis
240
h i n w eis z u r st ru k t u r des buch es Die Kapitel sind thematisch und in sich chronologisch geordnet. Die Kapitel 3 und 4 sind zum besseren Verständnis unterteilt. Vor den Unterkapiteln findet sich jeweils eine kurze Einführung in die Kernthemen.
Einführung Zement und Kosmetika herzustellen, die durch sorgfältige Beobachtung verfeinert worden sein mussten. Wir haben allen Grund zu der Annahme, dass sie aktiv nach Neuartigem suchten. Handwerkliche Arbeit wurde in der Wissenschaftsgeschichte lange vernachlässigt – ein Versäumnis, das heute korrigiert wird, das aber mit Sicherheit eine vermeintliche intellektuelle Hierarchie widerspiegelt, in der Theorien ganz oben stehen. Das Experimentieren, das in der Praxis durchaus seinen Nutzen hat, wurde lange als eine Tätigkeit von geringem Status angesehen: Es war Handarbeit, keine Philosophie. Wie der britische Biologie Peter Medawar es formulierte, war die «angewandte Wissenschaft» vulgär, während reine Wissenschaft ohne praktisches Anwendungsziel oder Ergebnis als «lobenswert nutzlos» galt. In dieser Betrachtungsweise besteht der Zweck von Experimenten darin, Theorien voranzubringen und neues Wissen über die Welt zu erschaffen und nicht nur irgendein neues Produkt. Doch auch das ist nicht wahr. Viele wissenschaftliche Experimente, vor allem in der Chemie und der Materialwissenschaft, dienen heute dazu, eine nützliche oder vielleicht einfach eine interessante neue Substanz herzustellen. Unsere materiellen Verhältnisse haben sich durch diese Art von Experimenten deutlich verbessert. Dennoch ist das experimentelle Labor tatsächlich auch der Schmelzofen, in dem neues Verständnis entsteht. Die Philosophien der Antike, von Babylonien über Griechenland bis nach China, waren keineswegs, wie manchmal impliziert wird, frei von investigativen Methoden, die wir heute sicher Experimente nennen würden. Die Abhandlung über Optik des ägyptischrömischen Philosophen Ptolemäus aus dem 2. Jahrhundert beispielsweise beschreibt ein Experiment, bei dem eine Münze in einem Becher aus einem Winkel betrachtet wird, in dem sie gerade eben vom Rand verdeckt wird, und dann sichtbar wird, sobald Wasser hineingegossen wird. Auf diese Weise wird die Beugung von Lichtstrahlen durch Refraktion
Experimente stehen im Zentrum der Wissenschaft. Wissenschaftliche Entdeckungen werden typischerweise durch Experimentieren gemacht – von der Entdeckung des ersten Virus 1892 bis zur Herstellung von Impfstoffen gegen das Covid-Virus SARS-CoV 2 im Jahr 2020. Wir begegnen Experimenten schon früh in der Schule, etwa im Physikunterricht mit Gewichten und Federn oder im Chemieunterricht beim Entzünden von Wasserstoff in einem Reagenzglas. Wir könnten also versucht sein anzunehmen, dass wir verstanden haben, wie genau Experimente zu verlässlichem und nützlichem Wissen führen. Aber eigentlich haben wir das nicht. Diese (sehr selektive) Geschichte der experimentellen Wissenschaft soll unter anderem zeigen, dass es keine stetige Anhäufung von Wissen durch die gut geölten Zahnräder der experimentellen Methodik in der Wissenschaft gab, sondern dass der ganze Prozess insgesamt eher planlos, zufällig und auch erfinderisch ablief. Ein solcher geschichtlicher Abriss, der sich auf bestimmte wichtige und oft elegante Experimente konzentriert, ist notwendigerweise durch die Tatsache beschränkt, dass einige der wichtigsten Experimente in der Geschichte der Menschheit weit vor dem Beginn der Geschichtsschreibung liegen; so zum Beispiel, dass irgendwann im zweiten Jahrtausend v. Chr. im Nahen Osten jemand als Erster entdeckte, dass das Erhitzen von Eisenerz mit Kohle in einem Brennofen geschmolzenes Metall freisetzt – damit läutete die Person (unwissentlich) die Eisenzeit ein. Unzählige antike Arzneimittel wurden durch experimentelle Versuche und Irrtümer entdeckt; darunter auch einige, die zweifellos nutzlos (oder schlimmer) waren, aber auch einige von echtem therapeutischem Wert. Oft heißt es, dass man solche Entdeckungen kaum zu den Experimenten zählen könne, weil sie die Ergebnisse glücklicher Zufälle waren und nicht systematischer Manipulationen natürlicher Materialien. Das ist sicherlich unfair. Handwerksleute richteten sich auch in alten Zeiten oft nach recht präzisen Rezepten, um Handelswaren wie Anstriche, Färbemittel, Glas,
6
e in f üh rung
Roger Bacon in seinem Observatorium am Merton College, Oxford. Ernest Board, Öl auf Leinwand, 20. Jahrhundert. Wellcome Collection, London.
7
e in f üh rung
Doch Experimente dürfen nicht einfach eine Reihe zufälliger Dinge sein, die wir beobachten. Wie also macht man daraus mehr? Bacon versuchte sich in seinem Buch Novum Organum (1620) an einer Antwort, indem er erklärte, wie sich Beobachtungen systematisch so sammeln lassen, dass man von spezifischen Fakten zu allgemeinen Axiomen kommt. Seine Methode war kompliziert und wurde von den «experimentellen Philosophen», die er inspirierte, nie tatsächlich angewandt. Vor allem aber lieferte er Argumente für das Experimentieren als bester Methode, um die Welt zu verstehen. Das nämlich war einer der Einwände gegen das gerade erfundene Mikroskop: dass es das Bild des Probestücks nicht nur vergrößerte, sondern verzerrte. Bacon konterte, dass «künstliche Dinge sich von natürlichen Dingen nicht in Form oder Wesenskern unterscheiden, sondern nur in der Ursache», also darin, wie sie entstanden. Der Schlüssel zum Experimentieren, argumentierten seine Verfechter, liege darin, dass man Verallgemeinerungen von natürlichen Vorgängen auf Prozesse anstellen könne, die unter kontrollierten Laborbedingungen zu beobachten sind. Diese Argumentation führte beispielsweise William Gilbert zu Beginn des 17. Jahrhunderts
demonstriert. Antike griechische Autoren beschreiben Experimente zu Hydraulik, Luft und Wasserdruck. Aristoteles sagt, dass das Sezieren von Tieren die Vorstellung widerlege, das Geschlecht eines Embryos werde dadurch festgelegt, auf welcher Seite des Uterus er sich entwickelt; der griechische Arzt Galen erweiterte später sein Verständnis der Anatomie durch umfangreiche Vivisektionen an Tieren. Griechische Texte sind voller Behauptungen à la «wenn du X tust, wirst du Y sehen». Wahrscheinlich wurden einige dieser Behauptungen nie auf den Prüfstand gestellt (einige sind in der Tat auch offenkundig absurd), aber sie zeigen, dass die griechischen Philosophen durchaus die Erfahrung wertschätzten und nicht nur abstrakte Argumentation. In klassischen und mittelalterlichen Texten werden die Worte experientia und experimentum oft mehr oder weniger synonym gebraucht. «Experimente» wurden daher im Mittelalter häufig eher zu Demonstrationszwecken durchgeführt als mit dem Ziel, eine Theorie oder Idee auszuwerten: Die Erfahrung bestätigt ihren Wahrheitsgehalt. Der englische Philosoph Francis Bacon, der vielfach als Vater der «experimentellen Philosophie» gilt, traf im 17. Jahrhundert eine wichtige Unterscheidung zwischen Wissen, das zufällig erworben wird (das uns also die Erfahrung lehrt), und Wissen, das wir durch bewusstes Handeln erlangen. Nur Letzteres, sagt er, ist ein echtes Experiment.
Lichtbrechung durch ein rundes Glas voll Wasser nach Ptolemäus. Aus: Roger Bacon: De multiplicatione specierum (1275–1300), Manuscript Royal 7 F VIII, The British Library, London.
8
e in f üh rung
zu der These, dass die Erde selbst eine Art Magnet sei. Der Wissenschaftshistoriker David Wootton schreibt, in Gilberts Buch De magnete (1600) wurde «erstmals […] die experimentelle Methode als etwas dargestellt, das die traditionelle philosophische Fragestellung und die transformierende Philosophie ablösen konnte». Im 17. Jahrhundert begannen Wissenschaftler (auch wenn sie erst zweihundert Jahre später so genannt wurden), mit Methoden zu arbeiten, die die heutige Wissenschaft wiedererkennen würde: Es war die Zeit, die traditionell als «wissenschaftliche Revolution» bezeichnet wurde, auch wenn dieser Begriff inzwischen höchst umstritten ist.
William Gilbert demonstriert Elizabeth I. 1598 einen Magneten. Gilberts De magnete galt als das führende Werk über magnetische und elektrische Phänomene seiner Zeit. Ernest Board, Öl auf Leinwand, 20. Jahrhundert. Wellcome Collection, London. Ein Wandel dieser Größenordnung passierte nicht einfach, weil alle ihre Arbeitsweise änderten. Er verlangte auch eine Veränderung in der Wissenschaftskultur: eine Akzeptanz, dass dies die richtige Methode ist, die Natur zu studieren. Wie Wootton erklärt: «Nicht das Durchführen von Experimenten zeichnet die moderne Wissenschaft aus, sondern die Herausbildung
9
e in f üh rung
Wessen Stimme wurde und wird gehört (und wessen ignoriert)? Wie wird ein Experiment überzeugend gestaltet? Was ist sein Zielpublikum? Der Aufstieg der experimentellen Wissenschaft brachte verlässliches, durch Erfahrung bestätigtes Wissen, jedoch nicht ohne Komplikationen und Vorbehalte durch ihren gesellschaftlichen Kontext. Die Geschichte der Wissenschaft (experimentell oder nicht) ist kein Paradebeispiel für Vielfalt, auch wenn inzwischen Beiträge ans Licht geholt und gewürdigt werden, die zuvor außer Acht gelassen, vergessen oder ignoriert wurden. Wir können hoffen, dass die Wissenschaft der Zukunft es besser machen und davon profitieren wird. Experimente bezeugen, wie die Wissenschaft sich das Nichtwissen zu eigen macht. Das wahrscheinlich Schlimmste, was man in der Wissenschaft tun kann, ist anzunehmen, man wüsste, was in einem gegebenen Szenario passieren wird, ohne es zu überprüfen. Der Aufstieg der experimentellen Philosophie fiel mit der Umdeutung der Neugier als wertvolle statt als fragwürdige menschliche Eigenschaft zusammen. Obwohl der experimentellen Wissenschaft heute oft unterstellt wird, sie sei durch einen philosophischen Rahmen und eine anerkannte Methodik («nenne deine Hypothese und überprüfe sie dann») untermauert, kann man in der Tat, wie der Wissenschaftsphilosoph Ian Hacking sagt, auch «ein Experiment aus reiner Neugier durchführen, nur um zu sehen, was passiert». In der Tat sollte man in den Augen des Sohnes von Charles Darwin, des Astronomen George Darwin, ab und zu ein vollkommen verrücktes Experiment durchführen, selbst wenn es höchstwahrscheinlich keine Ergebnisse bringen wird. Denn das weiß man nie, was daraus werden kann, bevor man es versucht.
Illustration aus Willam Gilbert: De magnete, London; gedruckt von P. Short, 1600, Wellcome Collection, London. Gilbert hielt die Erde für eine Art Magnet.
einer kritischen Gemeinschaft, die Entdeckungen beurteilen und Ergebnisse replizieren kann.» Das bedeutete beispielsweise, sich auf die richtige Art zu einigen, seine Ergebnisse zu präsentieren (nämlich in Form objektiver, sachlicher Berichte, wie sie heute noch erstellt werden). Es bedeutete auch, sich darauf zu einigen, was und wem man vertraut. Die britische Royal Society, gegründet 1660 in London und inspiriert von Bacons Vision einer empirischen Wissenschaft, errichtete ein internationales Netzwerk verlässlicher Quellen für Berichte über Experimente. Der Ruf (und häufig der gesellschaftliche Status) waren wichtig; Wissenschaft wurde zu einer gesellschaftlich verhandelten Angelegenheit, und man musste nach den Regeln spielen. Dieser Aspekt der Wissenschaft tritt deutlich zutage, wenn man sich einen Überblick über die Geschichte des Experimentierens verschafft. Wer hatte die Ressourcen, um Experimente durchzuführen?
James Gillrays mit Aquarell kolorierte Radierung A Natural Philosopher von 1796 zeigt Adam Walker bei der Durchführung wissenschaftlicher Experimente. Wellcome Collection, London.
10
KAPITEL EINS
Wie funktioniert die Welt?
02
Direkter Nachweis der Erdrotation (1851) können wir schlussfolgern, dass die Erde sich dreht; sein Experiment, so sagte er, sprach «direkt zu den Augen». In den späten 1840er-Jahren erwachte Foucaults Interesse an der Fotografietechnik, die Louis Daguerre in Paris erfunden hatte. Zusammen mit seinem Kollegen Armand-Hippolyte-Louis Fizeau fertigte er fotografische Aufnahmen des Nachthimmels an. Doch da die Sterne sich aufgrund der Erdrotation über den Himmel zu bewegen scheinen, erschienen sie dank der langen Belichtungszeiten, die die Fotoplatten damals erforderten, als Streifen auf den Bildern. Zum Ausgleich entwickelte Foucault ein pendelgetriebenes Uhrwerk, das die Kamera mit den Schwingungen des Pendels sanft nachführte. Bei seinen Experimenten mit diesem Gerät im Jahr 1850 stellte er fest, dass es sehr langsam von sich aus zu rotieren schien. Als er das Experiment mit einem einfachen Pendel – einem Gewicht an einer Klaviersaite – wiederholte, trat dasselbe Phänomen auf. Er erkannte, dass die scheinbare Bewegung der Schwingungsebene des Pendels gar keine war: In Bewegung war alles andere um das Pendel herum, während die Erde sich langsam drehte. Das hätte eigentlich niemanden überraschen dürfen. Es war schon lange bekannt, dass die Erdrotation beobachtbare Folgen für die Flugbahnen von Objekten haben müsste, die nicht auf der Erdoberfläche verankert waren. Ein aus großer Höhe fallen gelassenes Gewicht fällt nicht auf den Punkt direkt unter ihm, weil sich die Erde während seines Falls ein wenig weiterbewegt. Viele Experimente mit fallenden und geschleuderten Objekten waren unternommen worden, um diesen Effekt nachzuweisen, aber er ist so winzig, dass er nie beobachtet werden konnte. Die Auswirkung der Erdrotation auf das Pendel war ebenfalls bekannt. Der französische Wissenschaftler Siméon Denis Poisson hatte ihn 1837 beschrieben,
F demonstrieren, wie sich Objekte bewegen? Lässt sich die Erdrotation durch die Art
Die Erdrotation bewirkt, dass die Sonne aufzugehen, über den Himmel zu wandern und unterzugehen scheint. Aber was bewegt sich da wirklich? Bis zur heliozentrischen Theorie des polnischen Astronomen Kopernikus im 16. Jahrhundert, der die Sonne im Zentrum des Kosmos sah, dachte man allgemein, die Erde bliebe an Ort und Stelle und die Sonne kreise um sie. Bis zum 19. Jahrhundert hatte die Wissenschaft das Kopernikanische Weltbild akzeptiert: Die Erde umkreist die Sonne und rotiert um ihre Achse, wodurch der Tag-und-Nacht-Zyklus entsteht. Doch diese Achsenrotation konnte nicht direkt nachgewiesen werden. Das änderte sich allerdings 1851 mit dem berühmten Pendelexperiment von Jean-Bernard-Léon Foucault in Paris. Durch die bloße Beobachtung der Schwingungen eines großen Pendels, zeigte Foucault,
Das Foucaultsche Pendel im Pantheon in Paris, mit dem Léon Foucault die Erdrotation demonstrierte.
16
wie f u n k t io niert d ie welt?
hatte, bat ihn Kaiser Napoleon III. um eine öffentliche Demonstration, die er in der großen Kirche des Pantheons mit einem 28 Kilogramm schweren Gewicht an einem 67 Meter langen und weniger als 1,5 Millimeter dicken Draht durchführte. Im Umkreis der Schwingungsebene standen zwei halbkreisförmige Behälter mit feuchtem Sand; ein Dorn am Pendelgewicht hinterließ Spuren im Sand, deren Position sich mit jedem behäbigen Schwung weiterbewegte. Es war eine Sensation, und bald wurde das Experiment in Einrichtungen auf der ganzen Welt wiederholt. Mithilfe der Trigonometrie zeigte Foucault, dass das Ausmaß der (scheinbaren) Rotation der Pendelebene sich mit dem Breitengrad verändert. Nur an den Polen vollzieht sie eine volle 360-Grad-Drehung, wie es 2001 ein wissenschaftliches Experiment in der Antarktis demonstrierte.
LÉON FOUCAULT | 1819 –1868 Jean-Bernard-Léon Foucault hatte keine formale Ausbildung in Physik. Er begann ein Medizinstudium, kann dann aber zum Schluss, dass er zu empfindlich für den Beruf des Chirurgen sei, und wurde dann Journalist. Er empfand eine anhaltende Faszination für Mechanik und Erfindungen, und seine Arbeiten zur Himmelsfotografie führten ihn zur Erforschung von Spiegeln und Teleskopen. Nach der gefeierten Demonstration seines Pendels im Pantheon in Paris ernannte ihn Napoleon III. zum Physiker am Pariser Observatorium. Siehe auch: Experiment 1: Bestimmung des Erdumfangs, 3. Jahrhundert v. Chr. (Seite 14); Experiment 34: Die Wellenform des Lichts, 1802 (Seite 150).
hielt den Effekt aber für zu klein, um erkennbar zu sein. Tatsächlich hatte Galileis Schüler Vincenzo Viviani den Effekt offenbar schon zweihundert Jahre zuvor beobachtet, doch er betrachtete ihn als reine Störung und brachte ihn nicht mit der Erdrotation in Verbindung. Um die Rotation zu sehen, muss man in der Tat mit großer Sorgfalt vorgehen. Sie kann durch den Luftwiderstand am Pendelgewicht, aber auch durch vereinzelte Luftströme und Reibung am Befestigungspunkt des Drahtes gestört werden. Je länger der Draht und je schwerer das Gewicht, desto unbedeutender werden diese Störfaktoren. Im Januar 1851 sah Foucault die erwartete Rotation erstmals mithilfe eines zwei Meter langen Pendels, das er im Keller seines Pariser Hauses aufgehängt hatte. «In seiner Gegenwart», schrieb er, «wird jeder einige Sekunden lang nachdenklich und still und nimmt in der Regel ein eindringlicheres und intensiveres Gefühl für unsere Bewegung im All mit.» Auf Einladung des Direktors des Pariser Observatoriums wiederholte er die Demonstration in der zentralen Halle der Sternwarte mit einem elf Meter langen Pendel. Nachdem er im Februar seine Ergebnisse der französischen Akademie der Wissenschaften vorgelegt
Foucaults Pendelexperiment. Radierung aus William Henry Smyth: The Cycle of Celestial Objects continued at the Hartwell Observatory to 1859, London: gedruckt zur privaten Verteilung von J. B. Nicols and Sons, 1860. Privatsammlung.
17
KAPITEL DREI
Woraus besteht die Welt?
17
Die «Händigkeit» von Molekülen (1848) Paradoxerweise müssen wir Pasteurs Ausspruch mit Vorsicht genießen, wenn wir ihn auf ihn selbst anwenden. Er war zweifellos einer der größten wissenschaftlichen Geister seiner Generation in Frankreich, doch er neigte auch dazu, die Geschichte seiner Arbeit so umzuschreiben, dass sie seinen Scharfsinn ins rechte Licht rückte. Das scheint auch für sein berühmtestes Experiment zu gelten, bei dem Pasteur entdeckte, dass Moleküle eine «Händigkeit» besitzen können: dass ihre Atome nämlich auch auf eine alternative, spiegelbildliche Weise angeordnet sein können. Pasteurs Experiment selbst ist von beachtlicher Eleganz; wir können nur nicht sicher sein, dass er dabei genau diese Entdeckung vor Augen hatte. Im Zentrum stand die Frage, wie Licht mit Materie interagiert. Im frühen 19. Jahrhundert entdeckten französische Forschende, dass Licht sich polarisieren lässt: Wie wir es heute verstehen, schwingen die Lichtwellen dabei alle in derselben Ebene. 1815 entdeckte Jean-Baptiste Biot, dass die Polarisationsebene von polarisiertem Licht, wenn es durch bestimmte Kristalle fällt, um einen festen Winkel rotiert werden kann. Darüber hinaus bleibt diese sogenannte «optische Aktivität» teilweise auch dann erhalten, wenn die Kristalle geschmolzen oder gelöst werden – das Verhalten kann also nicht auf die Anordnung der Moleküle in den Kristallen zurückzuführen sein, sondern muss in den Molekülen selbst begründet liegen. Pasteur untersuchte dieses Phänomen für seine Doktorarbeit an der École Normale Supérieure in Paris. Was bedeutete es für die Form der Moleküle? 1848 las Pasteur zufällig einen Aufsatz von Biot, in dem er zwei Typen von Weinsteinsäure beschrieb, einer organischen (kohlenstoffbasierten) Säure, die bei der Weinherstellung entstand. Normale Weinsteinsäure war optisch aktiv, eine chemisch identische Variante mit der Bezeichnung racemische Säure jedoch nicht, wie Biot schrieb. Er behauptete, dass die Kristalle dieser Verbindungen identisch seien, doch Pasteur synthetisierte beide Kristalltypen im Labor und untersuchte sie genauer unter dem Mikroskop.
F und rechtshändige Formen?
Warum gibt es bei Kristallen linkshändige
«Das Glück», so ein berühmtes Zitat des französischen Chemikers Louis Pasteur, «bevorzugt den vorbereiteten Geist.» Viele wichtige Entdeckungen in der Wissenschaft waren reine Glücksfälle und kamen durch Phänomene oder Ergebnisse zustande, nach denen zunächst niemand gesucht hatte und die vielleicht sogar durch einen Fehler im Experimentverlauf zustande kamen. Doch damit aus einem solchen Ergebnis eine Entdeckung wird und man es nicht einfach als misslungenes Experiment verwirft, braucht es einen durch Erfahrung geschulten Geist, der darin etwas sieht, dem es sich nachzuspüren lohnt und das möglicherweise etwas Neues enthüllt. Die besten Forschenden haben ein Gespür dafür, wann eine Anomalie oder ein unerwartetes Ergebnis Aufmerksamkeit verdient und wann man sie getrost ignorieren kann.
LOUIS PASTEUR | 1822–1895 Louis Pasteur wird gern als einer der ersten Mikrobiologen und Schöpfer der modernen Bakteriologie bezeichnet. Zusammen mit dem deutschen Arzt Robert Koch begründete er die Keimtheorie – die Vorstellung, dass Krankheiten von unsichtbar kleinen Mikroorganismen verursacht werden können, den Bakterien. Am bekanntesten ist er in der Öffentlichkeit für die Erfindung des Verfahrens der Milchbehandlung gegen bakterielle Kontamination, das nach ihm Pasteurisierung getauft wurde, doch er führte auch Experimente durch, die mit der Vorstellung einer spontanen Entstehung lebender Materie aufräumten (siehe Seite 190), und leistete wegweisende Arbeit auf dem Gebiet der Impfung. Siehe auch: Experiment 18: Die dreidimensionale Form von Zuckermolekülen, 1891 (Seite 84).
76
wo r au s b e steh t d ie welt?
für einen Augenblick stehen». Könnte racemische Säure, statt optisch inaktiv zu sein – also polarisiertes Licht nicht zu drehen –, in Wirklichkeit eine gleiche Mischung aus links- und rechtsdrehenden Weinsteinsäuremolekülen sein, deren Wirkungen sich gegenseitig aufheben, die sich aber bei der Kristallisierung trennen und Kristalle von entgegengesetzter Händigkeit erzeugen? Das konnte Pasteur herausfinden. Mit einer Pinzette sortierte er penibel die racemischen Salzkristalle auf zwei Haufen: links- und rechtsdrehende. Dann löste er die Haufen getrennt voneinander auf und sah, dass die Lösungen in der Tat polarisiertes Licht ent-
Fotografie von Antoine Balards Labor an der École Normale Supérieure, wo Louis Pasteur von 1846 bis 1848 arbeitete und im Jahr 1848 seine Entdeckung der molekularen Asymmetrie machte. Institut Pasteur, Paris.
Er erkannte, dass die facettierten Kristalle nicht symmetrisch sind, sondern eine Händigkeit besitzen, wie nach links oder rechts gedrehte Schneckenhäuser. Während die Kristalle von Salzen der Weinsteinsäure stets rechtsdrehend sind, können die der racemischen Säure entweder links- oder rechtsdrehend sein. Als er das sah, behauptete Pasteur später, «blieb mein Herz
77
KAPITEL VIER
Was ist Licht?
32
Regenbogen-Modelle (frühes 14. Jahrhundert) F
er an, dass der Regenbogen durch Sonnenlicht verursacht wird, das von Wolken wie von einem Spiegel reflektiert wird. Das lässt natürlich einige Fragen offen. Warum ein Bogen? Woher die Farben? Damals lautete die verbreitete Auffassung, dass Licht durch die Interaktion mit Materie verändert wird. Weißes Sonnenlicht, das durch ein Prisma fällt, werde daher mit dem bekannten Spektrum von Rot über Gelb und Grün bis Blau und Violett «gefärbt». (Was genau die Farben des Regenbogens sind, löste einige Diskussionen aus; in der mittelalterlichen Kunst wird er oft als ein rot-gelb-grünes Band dargestellt, ein Anklang an die heilige Dreifaltigkeit.) Einige argumentierten, dass die kreisrunde Form des Regenbogens vielleicht ein Spiegelbild der Form der Sonne selbst sei.
Wie entsteht ein Regenbogen?
Von allen natürlichen Manifestationen optischer Phänomene galt der Regenbogen lange als die prächtigste. Sein Symbolgehalt ist universell: Er ist Gottes Zeichen eines «Bundes […] zwischen mir und […] der Erde», wie er Noah nach der Sintflut verkündet; er ist die Brücke zwischen dem irdischen Reich und Walhalla in der nordischen Mythologie, und für die Griechen wurde er von Iris verkörpert, der Götterbotin des Olymps. Doch für einen engagierten Naturforscher wie Aristoteles war er auch ein Phänomen, das sich durch Vernunft und Logik erklären lassen musste: durch Physik. In seinem Buch Meterorologica führt
Diagramm aus Kamāl al-Dīn al-Fārisīs eigenhändigem Manuskript Tanqih al-Manazir («Überarbeitung der Optik Ibn al-Haitams»), 1309. Adilnor Collection, Malmö, Schweden.
140
wa s i st lich t?
Regenbögen fielen unweigerlich in Ibn al-Haitams Zuständigkeit (siehe Seite 137); seine Teiltheorie zur Reflexion wurde im frühen 14. Jahrhundert von dem persischen Mathematiker Kamāl al-Dīn al-Fārisī verbessert. Im Westen wurde der Regenbogen im 13. Jahrhundert von verschiedenen berühmten Gelehrten untersucht, darunter Albertus Magnus in Deutschland sowie Roger Bacon und Robert Grosseteste in England. Keiner von ihnen löste das Problem, doch den größten Erkenntnissprung des Mittelalters machte im frühen 14. Jahrhundert ein Dominikanermönch namens Dietrich von Freiberg. 1304 wurde er von seinem Ordensmeister gebeten niederzuschreiben, was er über dieses Naturphänomen wusste, was darauf hindeutet, dass er es bereits einige Zeit studiert hatte. Das Ergebnis war sein De iride et radialibus impressionibus («Über den Regenbogen und die durch Strahlen erzeugten Eindrücke»), verfasst irgendwann zwischen 1304 und 1310. Es gehört zu den schönsten Belegen für den intellektuellen Elan des Mittelalters und ist damit ein Gegenentwurf zu dem verbreiteten Zerrbild, dass mittelalterliche Gelehrte nichts weiter taten, als unreflektiert Aristoteles’ Konzepte wiederzukäuen, die sie dem christlichen Dogma anpassten. Dietrich erweist Aristoteles’ Ansichten zum Regenbogen die gebührende Ehre, zitiert dann aber die eigenen Worte des Griechen, um seinen Wider-
spruch zu rechtfertigen – denn hatte Aristoteles nicht gesagt, man solle «niemals von dem abweichen, was die Sinne erkennen lassen»? Das ist eine Einladung zu Empirismus und Experiment: selbst hinzusehen, statt einfach etablierte Autoritäten zu übernehmen. Wahres Wissen, schreibt Dietrich, entspringt der «Vereinigung verschiedener untrüglicher Experimente mit der Wirksamkeit der Argumentation». Es überrascht nicht, dass ein Teil dieser Argumentation uns heute verblüfft. Dietrich postulierte, es gäbe vier Farben im Regenbogen: Rot, Gelb, Grün und Blau. Doch statt sie als Phänomene zu begreifen, die es zu erklären gilt, macht er daraus beinahe Axiome und behandelt sie nach Art der antiken Philosophie: als Kategorien, die in ein System gebracht werden müssen. Aristoteles zufolge sind Farben in Gegenpaaren organisiert, die letzten Endes durch die Dualität von Licht und Dunkel entstehen. Für Dietrich sind Rot und Gelb «helle» oder klare Farben, die davon abhängen, wie «beschränkt» das Medium ist, in dem sie entstehen. Grün und Blau sind «dunkle» oder trübe
Dietrichs Erklärung des Regenbogens bezog erstmals sowohl Brechung als auch Reflexion ein, wenn Lichtstrahlen durch einen Regentropfen fallen. Aus: Dietrich von Freiberg: De iride et radialibus impressionibus, III, 2, 5. In: Manuscript Basel F.IV.30, Universität Basel, Schweiz.
141
INTERMEZZO VIER
Die Kunst der wissenschaftlichen Instrumentierung Intellektueller sich sehnlich ein Kernspinresonanzspektrometer wünscht. Doch im 17. Jahrhundert, bevor die Wissenschaft zum Beruf wurde, konnten Handwerksleute wie Reeve auf einen Kundenstamm aus der wohlhabenden Schicht zählen. Das spiegelte sich auch in ihren Waren wider: Illustrationen von Mikroskopen der damaligen Zeit zeigen Geräte mit eingravierten Verzierungen, die keinerlei praktischem Zweck dienten. Diese Instrumente wurden hergestellt, um im Regal gut auszusehen; es waren Objekte der Begierde und Statussymbole. Wie die Wissenschaftshistorikerin Catherine Wilson es formuliert, könnte man vermuten, «die wissenschaftliche Community im 17. und 18. Jahrhundert wäre eher daran interessiert gewesen, optische Instrumente zu konstruieren und zu besitzen, als an ihrer Verwendung zur Erkundung der Welt».
1664 besuchte der englische Tagebuchautor Samuel Pepys das Londoner Geschäft von Richard Reeve, der als der beste Hersteller wissenschaftlicher Instrumente im ganzen Land galt. Dort zahlte er die «beträchtliche Summe» von fünf Pfund und zehn Schilling für ein Mikroskop – damals gerade unentbehrlich für jeden Gentleman, der wie Pepys an Naturphilosophie interessiert war (siehe Seite 34). Pepys nannte es eine «höchst kuriose Spielerei», konnte aber zunächst nicht viel erkennen – selbst bei den heutigen Instrumenten braucht man eine Weile, das Auge daran zu gewöhnen, ein Lichtmikroskop richtig zu nutzen. Es mag seltsam erscheinen, dass ein Dilettant wie Pepys (der 1686 sogar Präsident der Royal Society wurde, obwohl er selbst keine Forschungen betrieb) in einen Laden stürmte und das neueste wissenschaftliche Instrument kaufte. Heute würde man kaum erwarten, dass ein wohlhabender
Ernest Rutherfords Forschungslabor an der University of Cambridge, 1915.
148
wa s i st lich t?
Von der Ästhetik zur funktionalen Sachlichkeit? Der Kontrast zu einigen der experimentellen Apparaturen der modernen Ära könnte größer nicht sein. Angesichts der Fotos aus dem Cavendish Laboratory in Cambridge Ende des 19. Jahrhunderts, als Ernest Rutherford dort tätig war, fällt es schwer zu glauben, dass dort große atomwissenschaftliche Entdeckungen gemacht wurden. Die Ausstattung ähnelt einem Haufen Gerümpel auf einem alten Küchentisch in einer Garage. Rutherford selbst war dafür berüchtigt, teure Geräte zu meiden und stattdessen lieber selbst gemachte Apparaturen zu verwenden, die aussahen wie aus alten Blechstücken zusammengezimmert. Möglicherweise spiegelte das Improvisierte daran das Muster seiner Theorien wider. Auch der erste Transistor, der 1947 in den AT&T Bell Laboratories aus einem Stück Germanium zurechtgeschustert wurde, hat etwas Improvisiertes und Klobiges an sich, und das erste Rastertunnelmikroskop von 1981 (siehe Seite 116) machte einen viel zu behelfsmäßigen Eindruck für die erforderliche Feinheit, Atome «sehen» zu können. Jetzt, da die Wissenschaft professionalisiert war, gab es beim alltäglichen Experimentieren kein Publikum mehr zu beeindrucken (für die Presse allerdings wurde die Ausrüstung eventuell herausgeputzt). Trotz aller Fördermittel verfügen in jedem Fall nur wenige Forschende über Gelder von Boyle’schem Ausmaß, die sie für ihre Ausrüstung verschwenden könnten. Dank neuer Möglichkeiten wie 3-D-Druck und Automatisierung durch Roboter lassen sich heute preiswerte wissenschaftliche Instrumente herstellen. Doch das bedeutet nicht, dass die Ästhetik bei modernen Geräten irrelevant ist. In gewisser Hinsicht hat sich die Ästhetik einfach gewandelt und spiegelt nun das Image wider, das die moderne Wissenschaft vermitteln will: unpersönlich und nüchtern (keine leuchtenden Farben!), aber auch schnittig und effizient. Wer einige Zeit mit experimentierenden Forschenden verbringt, erkennt bald, dass sie Instrumente immer noch als Quellen von Prestige und Erfüllung betrachten: Die Ankunft des neuen hochmodernen Mikroskops oder Spektrometers löst Euphorie aus, während das alte … – nun ja, wir hängen an ihm, aber es sieht daneben dermaßen unmodern aus. Das Erste, was Forschende Gästen anbieten, ist ein Rundgang durchs Labor: Instrumente sind nach wie vor eine Quelle des Stolzes und des Wissens.
Diese Verknüpfung wissenschaftlicher Instrumente mit dem gesellschaftlichen Status in der Entstehungsphase der modernen Wissenschaft könnte zum Teil erklären, warum die Apparaturen jener Zeit so exquisit hergestellt und besonders schön anzusehen sind und nicht aus dem zweckmäßigen Stahl und Kunststoff moderner Geräte, sondern aus Luxusmaterialien wie Messing und Mahagoni bestehen. Der Technologiehistoriker Derek de Solla Price erklärt, dass Instrumente in früheren Zeiten typischerweise eine dekorative und symbolische Phase durchliefen, bevor sie eine zweckmäßigere Form annahmen. Manche Menschen sammeln diese antiken wissenschaftlichen Instrumente heute wie Kunstwerke, was einige auch sicherlich sind. Doch die Sorgfalt, die auf die ästhetischen Eigenschaften dieser Instrumente verwandt wurde, war nicht nur eine Frage der Verkaufszahlen – es ging darum, Autorität zu schaffen. Die Luftpumpe, die Robert Hooke und Instrumentenmacher Ralph Greatorex in den 1650er-Jahren für Robert Boyles Experimente zu Vakuen herstellten (siehe Seite 48), lag jenseits der Möglichkeiten der meisten anderen Forschenden in Europa, und ihr Bild in Boyles Abhandlung ist ebenso prächtig, wie das Gerät selbst sicherlich war: schwellende Röhren und sprießende Absperrhähne, hingebungsvoll perspektivisch in dramatischer Helldunkelmalerei gezeichnet. Die Botschaft lautet, dass die Ergebnisse, die man mit einem so prachtvollen Gerät erhält, weitaus glaubwürdiger sind als alles, was man einer aus Bordmitteln zusammengestoppelten Apparatur abtrotzen kann. Boyles Luftpumpe prangt auf dem aufwendigen Frontispiz von Thomas Sprats History of the Royal Society von 1667 als Symbol sowohl der Genialität als auch der Autorität der experimentellen Philosophie. Wie die Ehrfurcht einflößenden Teilchenbeschleuniger von heute konnten solche einzigartigen und komplizierten Geräte die Geheimnisse der Natur aufdecken, die weit außerhalb nüchternerer Technologien lag. Dasselbe lässt sich über die wissenschaftlichen Glasgefäße jener Zeit sagen, die es an Eleganz mit jedem Kunstgegenstand für rein dekorative Zwecke aufnehmen konnten. Die Glasbläserei – eine zentrale Fertigkeit in vielen verschiedenen Bereichen der Wissenschaft – wurde von Experimentatoren besonders hoch geschätzt; einige übten die Kunst gar selbst aus. Und jeder technische Glasbläser, der sein Geld wert ist, besitzt mindestens eine künstlerische Ader.
149
Register Kursiv gesetzte Seitenzahlen verweisen auf Abbildungen. Abū Dscha‘far al-Mansūr 137 Adams, George 220 Adanson, Michel 219 Agricola, Georgius 42 al-Mans͌r, Ab͌ Dscha‘far 137 Albertus Magnus 141, 142 Aldini, Giovanni 173, 175 Alhazen siehe Ibn al-Haitam Alkalimetalle 72–75 Alphateilchen 108–111 Ambler, Ernest 27 Ampère, André-Marie 56 Anaximander 100 Anderson, Charles 58, 124–127 Antimaterie 124–127 Arago, François 153 Archimedes 14, 42 Argon 69 Aristoteles 8, 14, 34–35, 36, 40, 43, 52, 137, 140–142, 180, 219, 226 Arrhenius, Svante 106 Äther 18–19 Atmung 176–179 Atome 46, 100 Bewegen einzelner Atome 116–119 Brownsche Bewegung 104–107 Entdeckung des Atomkerns 108–111 subatomare Struktur 120 Avery, Oswald 197, 198 Avicenna (Ibn Sina) 219 Bacon, Francis 8, 10, 80, 82 Bacon, Roger 7, 8, 101, 141 Bakteriophagen 195–196, 204–206 Rolle der DNA 197–199 Balard, Antoine 77 Bancroft, Edward 219 Banks, Sir Joseph 73 Barish, Barry 30–31 Barnett, Leslie 206 Barometer 43, 45 Batterien 73–74 Bayen, Pierre 70 Becquerel, Henri 46, 88–89, 91 Beddoes, Thomas 73, 75 Befruchtung 180–181 Benveniste, Jacques 25 Berti, Gasparo 42 Bewusstsein 232–235 Biavati, Marion 27 Bienen 224–225, 230–231 Binnig, Gerd 116–119
Darwin, Charles 10, 40, 46, 110, 186–187, 194, 196, 222–225, 232 Regenwurm-Experimente 222–225 Darwin, Francis 223–224 Darwin, George 10 Darwin, William Erasmus 222 David, Jacques-Louis 178 Davisson, Clinton 162–163, 164 Davy, Humphry 56, 58, 151 Elektrolyse 72–75 Dawkins, Richard 228 De Groot, Jan Cornets 34, 36 de Vries, Hugo 187 Delbrück, Max 194–196, 197, 198, 199, 200–202, 203, 210 Demarçay, Eugène-Anatole 90 Demokrit 100, 106 Descartes, Rene 143, 226 Dewey, John 25 Dietrich von Freiberg 141–143 Dirac, Paul 80, 126 DNA 197–199 Bauen mit DNA 96–99 Codone 204–207, 208–210 DNA-Replikation 200–203 Drake, Stillman 40–41 Drever, Ronald 30 Driesch, Hans 211 Duhem, Pierre 24, 80, 183 Dyson, Frank 20, 21
Biot, Jean-Baptiste 76–77, 79 Black, Joseph 66, 68, 70, 176, 178, 179 Blackett, Patrick 126 Bohr, Niels 110 Bois-Reymond, Emil du 175, 218 Boltzmann, Ludwig 104 Bonaparte, Napoleon 174 Boreel, William 101 Bose-Einstein-Kondensat (BEK) 166–167 Boveri, Theodor 191 Boyle, Robert 45, 69, 73, 146, 149 Luftdruck 48–51 Bradley, James 153 Bragg, Lawrence 160–161 Bragg, William Henry 58, 158, 160–161 Brenner, Sydney 204–206 Briggs, Robert 211 Broglie, Louis de 106, 162 Brout, Robert 132 Brown, Robert 104 Brownsche Bewegung 104–107 Brush, Stephen 104 Buckminster Fuller, Richard 94 Buridan, Jean 182 Byron, Lord 175 Camera obscura 138–139 Campbell, Keith 211, 212–213 Carlisle, Anthony 73 Carnot, Nicolas Léonard Sadi 52 Castelli, Benedetto 44 Cavendish, Henry 66, 67–69, 219–220 Cesi, Federico 101, 103 Chaptal, Jean-Antoine 68 Chase, Martha 198–199 Chen, Junghuei 98 Clayton, Nicola 233, 234–235 Cock, Christopher 102 Cockcroft, John 130 Codone 204–207 Cowan, Clyde 129 Crease, Robert 15, 147 Crick, Francis 83, 96, 200, 204– 207, 210 Curie, Marie 88, 89–91, 109, 124 Curie, Paul-Jacques 90 Curie, Pierre 88, 89–91, 109, 124 Curl, Robert 93–95
Eddington, Arthur 20, 21–22 Ehrenfast, Felix 114 Eigler, Don 118–119 Einstein, Albert 19, 24, 80, 82, 104–106, 110, 114, 155, 159, 161, 162, 182, 226 allgemeine Relativitätstheorie 20–23, 28, 157 fotoelektronischer Effekt 157 spezielle Relativitätstheorie 153, 157, 166 Elektrizität 172–175 elektrische Fische 218–221 elektrischer Motor 56–57 Elektrolyse 72–75 Elektromagnetismus 56–59 Elektronen 162–163 fotoelektrischer Effekt 155–157 Quanten-Doppelspaltexperiment 164–165 Elektronenladung 47, 112–115 Elemente 62, 63 Alkalimetalle 72–75 Elsasser, Walter 162
da Vinci, Leonardo 139 Daguerre, Louis 16 Dalton, John 52 Darwin, Annie 224
237
Embryoentwicklung 191–193 Klonen 211–212 Emery, Nathan 234–235 Empedokles 63 Englert, Francois 132 Eratosthenes 14–15 Erde 18–19 Rotation 16–17 Umfang 14–15 Escher, M. C. 97, 99 Euklid 137 Evolution 46 Zufälligkeit genetischer Mutationen 194–196 Ewald, Paul 158–159 Experimente 6–11 Einfluss neuer Techniken 46–47 Gedankenexperimente 182–183 Kunst der wissenschaftlichen Instrumentierung 148–149 Was ist ein Experiment? 24–25 Was ist ein schönes Experiment? 80–83 fallende Objekte 34–37 Beschleunigung im freien Fall 38–41 Faraday, Michael 52, 55, 56–59, 221 Farben 144–147 Ferdinand II. 44 Feyerabend, Paul 25 Feynman, Richard 116, 119, 128, 165, 215, 229 Fischer, Emil 84–87 Fisher, Ronald 187 Fizeau, Armand-Hippolyte-Louis 152, 153 Fletcher, Harvey 113 Forman, Paul 159, 161 fotoelektrischer Effekt 155–157 Fotografie 47 Foucault, Jean Bernard Léon 153 Foucaultsches Pendel 16–17 Franklin, Benjamin 112, 173, 182, 220 Franklin, Rosalind 200 Friedrich, Walter 158–161 Frisius, Gemma 138 Frösche 180–181 Fulleren 94–95 Galeazzi, Lucia 173 Galen 8, 137, 219
r egister
Galileo Galilei 17, 42, 43, 44, 101, 103, 152, 182 Beschleunigung im freien Fall 38–41 fallende Objekte 34–37 Teleskope 40, 47, 101 Galvani, Luigi 172, 173–175, 221 Gase 63, 66–69 Gedankenexperimente 182 Maxwellscher Dämon und Schrödingers Katze 182–183 Geiger, Hans 108, 109–110 Gene 197–199 genetischer Code 204–207, 208–210 genetische Mutation 194–196 Kopieren von Genen 200–203 Vererbung 184–187 Gerber, Christoph 118–119 Germer, Lester 162–163, 164 Gewebetransplantation 47 Gianotti, Fabiola 132 Gibson, Dan 214 Gilbert, William 9, 10 Glass, John 214 Goethe, Friedrich 228 Gould, James 231 Grant, Edward 182 Grant, Ulysses, S. 18 Gravitationswellen (GWs) 28–29 Gray, Stephen 172 Greatorex, Ralph 149 Grosseteste, Robert 141, 142 Gurdon, John 211–212 Hacking, Ian 10, 24, 46 Hales, Stephen 66 Hammer-Feder-Experiment 37, 37 Hanckwitz, Ambrose Godfrey 69 Hartsoeker, Nicolaas 180 Harvey, William 180, 181 Hau, Lene 166–167 Hauksbee, Francis 172 Hawking, Stephen 31 Hayward, Raymond W. 27 Heath, James 94 Heisenberg, Werner 126 d’Hérelle, Félix 196 Herschel, John 52 Hershey, Alfred 197–199 Hertz, Heinrich 155 Hess, Victor 124, 126 Heuer, Rolf-Dieter 133 Higgs, Peter 131, 132–133 Higgs-Boson 46, 130–133 Hitler, Adolf 155, 159, 194, 213 Holliday-Strukturen 97–98
Hooke, Robert 147, 149, 150, 170, 171 Luftdruck 48–51 Micrographia 102–103 Humboldt, Alexander von 218 Hunde 226–227 Hunter, John 220 Huxley, Julian 187, 194 Huxley, Thomas Henry 80, 82, 194 Huygens, Constantijn 170 Hybridisierung 184–187 Ibn al-Haitham, Ab͌, Alʅ (Alhazen) 101, 137–139, 140, 141 Ibn Sina (Avicenna) 219 Janssen, Hans und Zacharias 101 Johannes Philoponus 34 Jönsson, Claus 164–165 Joule, James 52–55 Kamāl al-Dīn al-Fārisī 140, 141 Kant, Immanuel 80 Kathodenstrahlen 88–89, 106, 112, 155, 156, 158, 163 Kepler, Johann 40 Keynes, John Maynard 145 King, Thomas 211 klonen 211–213 Knipping, Paul 159–161 Koch, Robert 76 Kohlenstoff 92 C60 92–95 Kohlenstoffdioxid (CO2) 176 Kohlenstoffverbindungen 84–87 Konditionierung 226–227 Kopernikus 16, 40 kosmische Strahlung 124–126, 129 Koyré, Alexandre 40 Kristalle 76–79 Elektronenbeugung 162–163 Röntgenbeugung 158–161 Kroto, Harry 92–95 Ktesibios 42 Kunsman, Charles 162 Lamarck, Jean-Baptiste 194, 196 Langlois, Jean-Paul 25 Langmuir, Irving 25 Laplace, Pierre-Simon 177–178 Large Electron-Positron Collider (LEP) 131, 132 Large Hadron Collider (LHC) 130–133 Laser Interferometer Space Antenna (LISA) 31 Laue, Max von 158–161
Lavoisier, Antoine 46, 52, 68–69, 73, 75 Chemie der Atmung 176–179 Entdeckung des Sauerstoffs 70–71 Lavoisier, Marie-Anne Pierette Paulze 177, 178–179 Lawrence, Ernest 27, 130 Le Bel, Joseph 84 Le Roy, Jean-Baptiste 221 Lee, Tsung-Dao 26, 27 Lee, Y. K. 26 Leeuwenhoek, Antonie van 47, 104, 170–171, 180 Leidener Flaschen 73, 173, 219–220 Lenard, Philipp 155–157 Leukipp 100, 106 Licht 59, 136, 137, 154 Camera obscura 138–139 fotoelektrischer Effekt 155–157 Lichtgeschwindigkeit 152–153 Regenbogen 140–143 Ursprung der Farben 144–147 Verlangsamen und Stoppen von Licht 166–167 Wellenform des Lichts 150–151 LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) 28–31 Lippershey, Hans 101 Loeb, Jacques 214 Lord Kelvin (William Thomson) 52, 55, 79 Lorentz, Hendrik 19 Lorenz, Konrad 228, 231 Lorenzini, Stefano 219 Louis XVI of France 71 Luft 66–69 Chemie der Atmung 176–179 Luftdruck 42–45 Luria, Salvador 194–196, 197, 199 MacLeod, Colin 197, 198 Mangold, Hilde 47, 192–193 Mangold, Otto 193 Manhattan-Projekt 27, 128, 163 Marsden, Ernest 110 Maschinen 56–59 Matthaei, Heinrich 208–210 Maxwell, James Clerk 59, 104, 155 Maxwells Dämon 182–183 Medawar, Peter 6 Meitner, Lise 194 Meli, Domenico Bertoloni 39 Mendel, Gregor 184–187 Merli, Pier Giorgio 165 Meselson, Matthew 200–203 Michelson, Albert 18–19, 24, 29
238
Mikroskop 46, 101–103 Beobachtung von Mikroben 170–171 Rastertunnelmikroskope 46–47, 116–119 Millikan, Robert 47, 124, 162 Bestimmung der Ladung eines Elektrons 112–115 Missiroli, Gianfranco 165 Mo, L. W. 26 Moleküle 104–107 Buckminsterfulleren 92–95 DNA 96–99, 197–199 dreidimensionale Form von Zuckermolekülen 84–87 «Händigkeit» 76–79 Mondlandung 37 Morley, Edward 18–19, 24, 29 Morris, Desmond 228 Morus, Iwan Rhys 175 Mycoplasma mycoides JCVI-syn 1.0 214–215 Myonen 124 Nagaoka, Hantaro 110 Nanotechnologie 98–99 Napoleon III. 17 Nebelkammer 46, 121–123 Neddermeyer, Seth 124 Neutrinos 46, 128–129 Newton, Isaac 15, 18, 20, 40, 46, 103, 110, 150, 151, 182 Ursprung der Farben 144–147 Nicholson, William 73 Nikolaus von Kues 64 Nirenberg, Marshall 207, 208–210 Nobel, Alfred 91 O’Brien, Sean 94 Occhialini, Giuseppe 126 Ochoa, Severo 208–210 Oldenburg, Henry 147, 170–171 Öltropfen-Experiment 112–115 organische Chemie 84–87 Orsted, Hans Christian 56 Ostwald, Wilhelm 106 Paracelsus 63, 176 Parfit, Derek 183 Parität 26–27 Partikel 104–107, 120 Alphapartikel 108–111 Standardmodell 132 Welle-Teilchen-Dualismus 162–163 siehe subatomare Partikel Pascal, Blaise 45 Pasteur, Louis 188 «Händigkeit» von Molekülen 76–79 Spontanzeugung 190
r egister
Pauli, Wolfgang 27, 128–129 Pauling, Linus 200 Paulze, Jacques 179 Pawlow, Iwan 226–227 Pepys, Samuel 102, 148 Perice, Charles Sanders 25 Périer, Florin 45 Perrin, Jean-Baptiste 104–106 Phlogiston 46, 66–68, 70–71, 176 Piezoelektrizität 90 Planck, Max 157, 158, 159 Planck-Konstante 114 Platon 137, 219 Poisson, Siméon Denis 17 Polonium 90 Popper, Karl 24 Positron 124–127 Pound, Robert 22 Power, Henry 100, 102, 103, 170 Pozzi, Giulio 165 Price, Derek de Solla 149 Priestley, Joseph 67, 70–71, 173, 176, 178 Projekt Poltergeist 129 Ptolemaios III 15 Ptolemäus 6–8, 137 Quantenmechanik 157 Quanten-Doppelspaltexperiment 164–165 Quate, Calvin 118–119 Radioaktivität 46, 47, 88–91 radioaktiver Zerfall 26–27, 108–111 Radium 90–91 Rastertunnelmikroskope 46–47, 116–119 Réaumur, René-Antoine de 181, 219 Rebka, Glen 22, 23 Redi, Francesco 188, 190 Reeve, Richard 148 Regenbogen 140–143 Regenwürmer 222–225 Reid, Alexander 163 Reines, Frederick 128–129 Relativität 20–23, 153, 157, 166 Gravitationswellen (GWs) 28–29 Rich, Alexander 96 RNA 197, 204–205, 208–209 Rohrer, Heinrich 116–119 Romer, Ole 152–153, 167 Röntgen, Wilhelm 88, 121, 158, 159 Röntgenstrahlen 47 Röntgenstrukturanalyse 46, 158–161 Rostand, Jean 211 Rothemund, Paul 96, 97, 98, 98
Royds, Thomas 110 Rutherford, Daniel 66, 68 Rutherford, Ernest 80, 83, 130, 148, 149 Alphapartikel 109–110 Atomspaltung 109 Entdeckung des Atomkerns 110–111 Sambourne, Linley 225 Sauerstoff 46, 68, 69, 70–71 Atmung 176–179 Entdeckung des 70–71 Schaf Dolly 211–213 Scheele, Carl Wilhelm 66, 68, 71 Schönheit 80–82 Lernen und Forschen 82–83 Schrödinger, Erwin 126, 162, 195 Schrödingers Katze 183 schwarze Löcher 28–31 Schweizer, Erhard 119 Schwerkraft 46 Scott, David 37 Seeman, Nadrian 96–99 Seguin, Armand 178–179 Settle, Thomas 40 Shaw, George Bernard 227 Shelley, Mary Frankenstein 175 Shelley, Percy Bysshe 175 Skłodowska-Curie, Marie siehe Curie, Marie Skobeltsyn, Dmitri 124 Smalley, Richard 93–95 Smith, Hamilton 214 Smoluchowski, Marian von 104 Snow, C. P. 108 Soddy, Frederick 91, 109 Sommerfeld, Arnold 158–159 Spallanzani, Lazzaro 180–181 Spemann, Hans 191–193, 211 Sperma 171 Rolle bei der Befruchtung 180–181 Spontanzeugung 188–190 Sprat, Thomas 149 Stahl, Franklin 200, 202–203 Stahl, Georg 66 Stalin, Josef 226 Stark, Johannes 159 Stelluti, Francesco 101, 103 Stent, Gunther 200 Stevin, Simon 34, 34, 36–37 Stickstoff 68, 69 Sturgeon, William 57 subatomare Partikel 120 Entdeckung des Higgs-Bosons 130–133 Nachweis des Neutrinos 128–129
Nachweis des Positrons 124–127 Nebelkammern 121–123 Substanzen 62, 63, 100 Swammerdam, Jan 170 synthetische Organismen 214–215 Ten Cate, Carel 229 Thales von Milet 63 Theophrast 219 «Theory of Mind» 234–235 Thermodynamik 53 Thompson, Benjamin 52, 53, 179 Thomson, George Paget 163 Thomson, J. J. (Joseph John) 110, 112, 155, 156, 163 Thorne, Kip 30–31 tierische Elektrizität 172–175 elektrische Fische 218–221 Timoféf-Ressowsky, Nikolai Wladimirowitsch 194–195 Tinbergen, Nikolaas 228–229, 231 Tonomura, Akira 165 Torricelli, Evangelista 42–45, 48 Tsion, Ilya Fadeevich 226 Uran 88–90 Urban VIII, Papst 40 Vakuen 48–51 Vallery-Radot, Rene 180 Van Helden, Albert 47 Van Helmont, Jan Baptista 63–64 Van Musschenbroek, Pieter 173 Van’t Hoff, Jacobus 79, 84, 86 Venter, Craig 214, 215 Vererbung 184–187 DNA 197–199 Vergrößerungsgläser 101 Verhalten 226–227 angeborenes und erlerntes Verhalten 228–229 Regenwürmer 222–225 Schwänzeltanz der Bienen 230–231 Viviani, Vincenzo 17, 35–36 Vögel 228–229, 232–235 Volta, Alessandro 56, 73–74, 173–175, 220 Von Baeyer, Adolf 84, 86 Von Frisch, Karl 228, 230–231 Von Guernicke, Otto 44, 48 Von Kleist, Ewald 173 Walker, Adam 10 Wallace, Alfred Russel 224 Walsh, John 220–221
239
Walton, Ernest 130 Warltire, John 68 Wärme 52–55 Wasser 63–64 Wasserpumpe 42 Zusammensetzung 68–69 Wasserstoff 68–69 Watson, James 83, 96, 200, 204, 207 Weber, Joseph 29–31 Weibel, Edi 118 Weiss, Rainer 29–31 Welle-Teilchen-Dualismus 162–163 Wellenform des Lichts 150–151 Wenner, Adrian 231 Weyl, Herman 126 Wheeler, John 31 Whewell, William 56 Wilczek, Frank 83 Wilmut, Ian 211, 212–213 Wilson, C. T. R. (Charles Thomas Rees) 46, 112, 121–123, 124 Wilson, Catherine 148 Wissenschaftliche Instrumente 46–47, 148–149 Wohler, Friedrich 190 Wollaston, William Hyde 56 Wootton, David 9–10 Wren, Christopher 103 Wright, Joseph 49, 49 Wu, Chien-Shiung 26–27 Yang, Chen Ning 26, 27 Young, Thomas 159, 164 Zamecnik, Paul 208 Zimmer, Karl 194–195 Zuckermoleküle 84–87
Wie groß ist die Erde? Was ist Licht und wie entsteht ein Regenbogen? Wie funktioniert die Schwerkraft und was hat es mit dem genetischen Code auf sich? Über diese und ähnliche Fragen haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler über die Jahrhunderte nachgedacht und dabei nicht nur nach Antworten gesucht, sondern auch nach Möglichkeiten, diese zu beweisen. Anhand von sechzig bahnbrechenden Experimenten führt Sie Philip Ball quer durch die Geschichte der Naturwissenschaft und zeigt auf, wie wir zu unserem Wissen über die Welt und darüber, wie sie funktioniert, gekommen sind. Dabei gewährt er nicht nur spannende Einblicke in die von Irrungen und Wirrungen geprägten Erkenntniswege der Forschenden, sondern auch in die technischen Fortschritte, die nötig waren, um den Geheimnissen der Natur und des Universums auf die Spur zu kommen.
ISBN 978-3-258-08343-8