Forscher

Viele wären zu erwähnen, diese Vier aber haben die großen Türen aufgestoßen:

Michael Faraday

Faraday wurde 1791 in Surrey geboren und war der größte Experimentalwissenschaftler, den die Menschheit hervorgebracht hat. Seine Familie war arm und gehörte zu einer kleinen christlichen Sekte, was die Art, wie er die Natur interpretierte, stark beeinflusste. Er hatte nur geringe Schulbildung und musste früh sein Geld verdienen. Mit 14 wurde er Lehrling bei einem Buchbinder und begann, Bücher zu lesen, die zum Binden gebracht wurden. Speziell interessierte ihn die Elektrizität.
Schon 1821 begann er Untersuchungen der Elektrizität und des Magnetismus, die die Physik revolutionieren sollten. Er stellte sich Elektrizität als Schwingung oder Kraft vor, die infolge der Spannung in der Stromquelle ausgesendet wird. 1831 entdeckte er die Induktion: in einer Drahtspule wird Strom erzeugt, wenn man einen Magneten hineinschiebt oder herauszieht. 1846 schlug er vor, dass elektrische und magnetische Feldlinien dem Licht als Medium für seine Ausbreitung dienen könnten. 1850 hatte er eine völlig neue Vorstellung von Raum und Kräften entwickelt. Demnach ist Raum ein Medium, welches das Bestreben elektrischer und magnetischer Kräfte unterstützt. Energien sind nicht in den Teilchen konzentriert, aus denen unsere Welt besteht, sondern befinden sich in dem sie umgebenden Raum: die Feldtheorie war geboren. Er erkannte als erster den Zusammenhang von Elektrizität und Magnetismus und dies führte unerwarteterweise auch zur Erklärung des Lichtes. Eine Lichtwelle entsteht immer dann, wenn eine elektrische Ladung an Geschwindigkeit gewinnt oder verliert. Nach Faradays Verständnis schafft jede Ladung eine Raumregion, in der jede andere Ladung einer anziehenden oder abstoßenden Kraft unterworfen ist. Bei mehreren Ladungen ist das elektrische Feld ein kompliziertes Netzwerk von Verbindungslinien. Für Faraday war das Universum mit einem kosmischen Netz von elektrischen Feldlinien durchzogen. Dieses statische Bild verwandelte er in ein dynamisches, indem er sich die Kraftlinien als elastische Bänder vorstellte. Er brachte eine revolutionäre Theorie des Lichts hervor, die die Fesseln des materialistischen Weltbildes seiner Zeit zerriss und er ist für die Biografie des Lichts die entscheidende Figur im 19. Jahrhundert.
Die Hypothese, die er schließlich aufstellte, veränderte unsere wissenschaftliche Vorstellung vom Licht von Grund auf. Er leitete eine Wende im wissenschaftlichen Denken und in der abendländischen Vorstellung vom Licht ein. Er war der Auffassung, die physikalische Kraft oder Wechselwirkung ist das wahre Wesen der Welt und nicht die Substanz. Und die Kraft, nicht der Äther, reicht von einem Ende des Universums zum anderen.

James Clerk Maxwell

James Clerk Maxwell wurde 1831 in Edinburgh geboren. Nach einer sehr guten Schulausbildung studierte er Mathematik und Physik und schloss sein Studium in Cambridge ab. 1856 wurde er Professor in Aberdeen, ab 1860 Lehrer am King’s College in London. Er starb 1879 in Cambridge.
Das Verständnis der Wirklichkeit durch die Wissenschaft seit Newton erlebte eine tiefgreifende Wandlung. Den Höhepunkt dieser Revolution bildet Maxwells mathematische Behandlung des Lichts. Bis dahin war die Vorstellung von einem mechanischen Universum aus bewegter Materie ausgegangen, doch Faraday und Maxwell veränderten dieses Weltbild von Grund auf. In den vorangegangenen hundert Jahren hatte man neue Energien, elektrischer und mathematischer Natur, erforscht – und nun war die Entwicklung reif für die größte Leistung: das elektromagnetische Bild vom Licht. Entscheidend war seine Arbeit “ a dynamical theory of the electromagnetical field“ von 1864. Sie ist ein Meilenstein der Wissenschaftsgeschichte. In ihr fasst er all die scheinbar weit auseinander liegenden Daten über Elektrizität und Magnetismus zu einem einzigen System von vier Gleichungen zusammen.
Von den allerersten Anfängen ernsthafter elektrischer und magnetischer Experimente bis hin zu Maxwell waren Licht und Elektrizität zwei völlig getrennte Untersuchungsgegenstände geblieben. Was konnten diese beiden Bereiche der Natur miteinander zu tun haben? Alles! lautet die Antwort von Maxwell und Faraday. Der Moment, in dem Maxwell die neue Struktur der Wirklichkeit aufging, muss ein Augenblick großer Offenbarung gewesen sein. Hier wurde klar, dass jeder Körper nicht in einen materiellen Äther eingetaucht ist, sondern in das elektromagnetische Feld. Faradays Kraftlinien sind überall im Raum, alle Objekte umgebend und sogar durchdringend. Aus dieser Sicht lassen sich alle elektrischen und magnetischen Effekte exakt erklären.
Im Zuge seiner Untersuchungen entwickelte Maxwell eine Gleichung für das elektromagnetische Feld, die der Gleichung für die Ausbreitung von Schallwellen völlig entsprach. Mehr noch, aus diesen Gleichungen ließ sich eine Vorhersage für die Lichtgeschwindigkeit ableiten. Schließlich gelangte er zu dem Schluss, dass Licht und Magnetismus Auswirkungen derselben Substanz sind und dass Licht eine elektromagnetische Störung ist, die sich nach den Gesetzen des Elektromagnetismus im Feld ausbreitet. Mit diesem einen Satz gingen Licht, Elektrizität und Magnetismus eine enge Verbindung ein. Das Licht war zu einer elektromagnetischen Welle geworden, deren Schwingungen den Raum kräuseln.
Er gelangte zu der Auffassung, das elektromagnetische Feld sei ein Energiereservoir. Die Energie befindet sich im elektromagnetischen Feld, in dem Raum, der elektrifizierte und magnetische Körper umgibt, wie auch in diesen Körpern selbst. Laut Maxwell besitzt das Feld Energie.
Warum wird der Faden einer Lampe heiß und beginnt zu glühen? Nicht wegen des Stromflusses durch den Glühfaden, sondern weil Feldenergie aus dem umgebenden Raum in den Faden einströmt, wenn Strom fließt. Energie fließt um Leiter herum und in Leiter hinein, aber nicht durch sie hindurch. Könnte im Grunde genommen alles Feldenergie sein, die sich zu verschiedenen Formen organisiert? Seit Einstein wissen wir, wie die Beziehung zwischen Energie und Materie aussieht.

Thomas A. Edison

Edison war Autodidakt, der sich sein Wissen in langen Jahren einsamer Lektüre angeeignet hatte- wahrscheinlich wegen seiner Taubheit, die ihn im Alter von 12 Jahren ereilte. Vom Gelegenheitsarbeiter hatte er sich zum technischen Unternehmer hochgearbeitet.
Als er sich 1878 erstmals mit dem elektrischen Licht beschäftigte, konzentrierte er sich auf den Glüheffekt. Eine Schwierigkeit lag darin, dass die Leuchtquelle, der Glühfaden, auf extrem hohe Temperaturen erhitzt werden musste, um helles weißes Licht zu erzeugen. Erst bei 2500 Grad entsteht intensive Weißglut.
Ein anderes Problem war der Widerstand des Glühdrahtes, die Materialeigenschaft, die die Wärme- und daher das Licht- erzeugt, während der elektrische Strom durch den Draht fließt. Elektrischer Strom ist ein Fluss von Elektronen, die von einer Spannung durch einen Draht geschoben werden. Unterwegs werden sie durch Atome abgebremst, die den Draht zusammensetzen. Bei jeder Begegnung mit einem Hindernis wird Energie des in Bewegung befindlichen Elektrons in Wärme oder Schwingungen der Atome umgewandelt. Diese Oszillationen zupfen so heftig am elektromagnetischen Netz, dass Licht entsteht. Der elektrische Widerstand hat einen sehr wichtigen praktischen Aspekt, wie Edison scharfsinnig erkannte. Niedriger Widerstand ermöglicht einen sehr starken Strom, vergleichbar einer glatten Straße, auf der mehr Autos fahren können als auf einer unebenen. Er wollte seine Lampen an ein Netz anschließen, das die Energie aus einer zentralen Stromquelle bezog. Bei hohen Stromstärken wäre Energie als nutzlose Wärme in den Verbindungskabeln verloren gegangen. Daher wollte er Schwachstromlampen verwenden, die dünne Glühfäden mit hohem Widerstand besaßen. Jede sollte einen eigenen Stromkreis haben, so dass die übrigen noch funktionierten, wenn eine durchbrannte.
Also suchte er nach einem Glühfaden mit hohem Widerstand und hoher Temperaturbeständigkeit, der ohne all zu schnellen Verschleiß intensives, helles Licht erzeugen konnte. Er versuchte es mit Platin, und anderen Metallen – alle ungeeignet. Dann versuchte er sein Glück mit Kohle und entdeckte 1879 einen Glühfaden, der seinen Ansprüchen genügte. Es war eine Schleife aus einem Baumwollfaden, der in einem Ofen so lange gebacken wurde, dass nur noch ein dünner Strang Kohle übrigblieb. Der hatte, wie sich zeigte, einen hohen elektrischen Widerstand.
Um eine Oxidierung zu verhindern, wurde der Glühfaden in eine Glaskugel eingesetzt, die luftleer gepumpt und versiegelt wurde. Die ersten Kohlefadenlampen leuchteten vierzig Stunden. Sie waren anfällig, daher suchte Edison nach robusteren Glühfäden. Jedes Material, das Kohlenstoff enthielt, erprobte er. Verschiedenste Holzarten, Kork, Seidenpapier, Kokosschalen, menschliches Haar und vieles mehr. Mit verkohlter Pappe erzielte er eine Lebensdauer von 170 Stunden. Verkohlter Bambus bewährte sich noch besser. Dieses Material wurde bis 1889 verwendet, als man neue Stoffe entdeckte. Für die allgemeine Nutzung wurden Edisons Glühlampen in der Londoner U-Bahn erprobt, bevor das System 1882 in einem Teil Manhattans seinen Betrieb aufnahm.

Albert Einstein

Einstein wurde 1879 in Ulm geboren. In der Schule war er kein Musterschüler, verstand aber schon als Jugendlicher schwierige mathematische Zusammenhänge und brachte sich mit zwölf Jahren euklidische Geometrie bei. Mit 15 verließ er die Schule, lebte ein Jahr mit seinen Eltern in Mailand und machte dann sein Abitur in der Schweiz. Er studierte an der technischen Hochschule in Zürich, versäumte allerdings häufig den Unterricht. Zuhause studierte er eigenständig Physik und spielte Geige. 1900 schaffte er seinen Abschluss. Im Anschluss bemühte er sich um eine Assistentenstelle an einer Universität, aber alle lehnten ihn ab. Von 1902 bis 1909 arbeitete er im Patentamt in Bern als technischer Experte 3. Klasse. Diese Tätigkeit stellte an ihn keine besonderen Anforderungen, so dass er sich nebenbei der Forschung widmen konnte. 1905 veröffentlichte er seine „Spezielle Relativitätstheorie“. 1907 entstand das „Gesetz der allgemeinen Äquivalenz von Masse und Energie“. Dieses wird durch die Formel „E=mc²“ dargestellt. Ab 1909 war er Professor für theoretische Physik in Zürich und Prag und wurde dann Leiter des Instituts für Physik in Berlin. 1914-1916 entstand die „Allgemeine Relativitätstheorie“. 1921 bekam er den Nobelpreis. 1933 emigrierte er in die U.S.A. und wurde Professor in Princeton. Dort starb er am 18. April 1955.
Einstein begann mit einem Gedankenexperiment. Wahrscheinlich schon als Sechzehnjähriger hat er das Unmögliche gedacht: wenn man mit einer Geschwindigkeit, die der des Lichts gleicht, hinter einer Lichtwelle herläuft, dann müsste diese zum Stillstand kommen. So etwas, meinte er, scheint es aber doch nicht zu geben! Er war auf ein faszinierendes Paradoxon gestoßen, eines, das er denken konnte, für das er aber keine Lösung sah.
Man kann sich vorstellen, mit jeder beliebigen Geschwindigkeit zu laufen und damit jedes in Bewegung befindliche Objekt zu begleiten. Doch mit dem Licht verhielt es sich anders: seine Bewegung schien von besonderer Art zu sein. Licht ohne Bewegung?? Das war unmöglich! Doch indem er das Unmögliche dachte, beschwor er eine Revolution herauf. Fast zehn Jahre schlug er sich mit diesem Rätsel herum. In diesen Jahren reifte der Wissenschaftler in ihm heran und wie das Sandkorn in der wachsenden Auster, war die Frage nach dem Wesen des Lichts der irritierende Kern, der die Perle der Relativitätstheorie zum wachsen brachte. 1905 schließlich offenbarte sich ihm das Geheimnis des Lichts zumindest teilweise.
Er fühlte sich durch die Denkgewohnheiten der klassischen Physik nicht eingeschränkt und hatte eine bewundernswerte Leichtigkeit in der Aneignung neuer Konzepte. Andere Wissenschaftler konnten sich nicht vom mechanistischen Lichtverständnis und vom Bezugssystem des absoluten Raumes und der absoluten Zeit befreien. Das ganze 19. Jahrhundert hindurch war Licht nach wissenschaftlichem Verständnis eine Schwingung des universellen, materiellen Äthers – eine Auffassung, die sich als falsch und hartnäckig erwies. Einstein dachte in seiner Vorstellung rein theoretisch und entwarf neue Wege um über alte Probleme wie Licht, Äther, Raum und Zeit nachzudenken.
Seine Relativitätstheorie hat zwei revolutionäre Merkmale: den vollständigen Zusammenbruch der Ätherhypothese und die außergewöhnliche Bedeutung der Lichtgeschwindigkeit. Die Zeit ist relativ, d.h., zwei Ereignisse, die für einen Beobachter gleichzeitig stattfinden, müssen für einen anderen Beobachter noch lange nicht gleichzeitig sein. Außerdem vergeht die Zeit umso langsamer, je schneller man sich bewegt. Länge ist relativ, d. h., je schneller sich ein Gegenstand bewegt, desto kürzer erscheint er für einen ruhenden Beobachter. und auch Masse ist relativ, d. h., je schneller sich ein Gegenstand bewegt, desto größer ist seine Masse. Eine Folgerung hieraus ist, dass es keinen auf einem Lichtstrahl reitenden Beobachter geben kann. Dieser wäre nämlich auf die Länge Null verkürzt, seine Masse wäre unendlich groß und die Zeit würde für ihn stillstehen.
Außerdem erklärt Einstein, dass Licht aus kleinen Teilchen besteht, den sogenannten Photonen. Je heller das Licht ist, desto mehr Photonen sind im Licht enthalten. Je höher die Frequenz des Lichtes ist, desto mehr Energie besitzen die Photonen.
Kopernikus hatte das menschliche Bewusstsein aus seiner angestammten Heimat auf die Sonne verbannt und diese ist nur ein unbedeutender Stern in der Milchstraße. Kein materieller Ort ist mehr Mittelpunkt der Schöpfung. Alles existiert gleichberechtigt.
Einstein ging noch einen Schritt weiter: nun gab es noch nicht einmal mehr einen Ort der Ruhe, sondern alles war überall gleichermaßen in Bewegung. Mit Kopernikus war der Ort relativ geworden, mit Einstein die Bewegung. Gemeinsam befreiten sie das menschliche Bewusstsein. Und nur eine Konstante blieb: die Lichtgeschwindigkeit. Um sie herum geriet alles Andere ins Wanken.

„Fünfzig Jahre intensiven Nachdenkens haben mich der Antwort auf die Frage: was sind Lichtquanten? nicht näher gebracht. Natürlich bildet sich heute jeder Wicht ein, er wisse die Antwort. Doch da täuscht er sich!“

Albert Einstein