Weitere Fortschritte der Physik.

Wir haben die Fortschritte, welche die Astronomie und die mit ihr emporblühende Geographie in den ersten nachchristlichen Jahrhunderten erlebten, als die wichtigsten wissenschaftlichen Ereignisse an die Spitze dieses Zeitraumes gestellt. Es gilt jetzt, der Naturlehre und der Naturbeschreibung, die weniger hervortreten, eine kurze Darstellung zu widmen. Die Mechanik hatte in der vorchristlichen Zeit in Archimedes und in Heron ihren Höhepunkt erreicht. Als ihr Hauptvertreter während des jetzt zu schildernden Zeitraumes ist der Alexandriner Pappos zu nennen, der sich auch um die Weiterbildung der Mathematik verdient gemacht hat. Pappos lebte gegen das Ende des 3. Jahrhunderts n. Chr. Sein auf uns gekommenes Werk besteht aus 8 Büchern und führt den Namen »Die Sammlung«[607]. Besonders das letzte Buch bringt geometrisch begründete Lehren der Mechanik, wie die Lehre vom Schwerpunkt und von der schiefen Ebene. Es behandelt auch die Aufgabe, eine gegebene Last durch eine gegebene Kraft mit Hilfe von Zahnrädern zu bewegen, deren Durchmesser in gewissen Verhältnissen stehen. Das 7. Buch des Pappos enthält jenen wichtigen Satz, der unter dem Namen der Guldinschen Regel erst im 17. Jahrhundert wieder allgemeiner bekannt wurde, den Satz nämlich, daß der Inhalt eines Rotationskörpers gleich dem Produkt aus der rotierenden Fläche und dem Wege ihres Schwerpunktes ist. Erwähnt sei ferner noch, daß sich bei Pappos in solch ausgedehntem Maße die Verwendung von Buchstaben zur Bezeichnung allgemeiner Zahlen findet, wie bei keinem Schriftsteller vor ihm, so daß uns bei Pappos schon die Elemente der Buchstabenrechnung begegnen.

Von der Förderung der Optik und der Akustik während der ersten Blütezeit der alexandrinischen Schule wurde an früherer Stelle gehandelt. Bemerkenswert ist, daß die Optik auch während der zweiten Blütezeit erheblich gefördert wurde. Und zwar geschah dies durch denselben Ptolemäos, dessen Verdienste auf dem Gebiete der Astronomie und der Geographie wir soeben als so hervorragend anerkannt haben[608]. Wir finden nämlich bei Ptolemäos einen der merkwürdigsten Ansätze zu der dem Altertum im übrigen nur wenig geläufigen induktiven Behandlung einer physikalischen Erscheinung.

Es handelt sich um die Ablenkung, die ein Lichtstrahl beim Übergange aus einem Mittel in ein zweites von anderer Dichte erfährt, während das Licht sich in ein- und derselben Substanz geradlinig fortpflanzt. Selbst der frühesten Beobachtung konnte es nicht entgehen, daß diese Brechung um so größer ist, je schräger das Licht die Grenzfläche zwischen beiden Mitteln trifft. Der erste Schritt auf dem Wege des induktiven Verfahrens mußte darin bestehen, daß man die Erscheinung messend verfolgte und für eine Reihe von Einfallswinkeln die Größe der entsprechenden Brechungswinkel durch den Versuch bestimmte. Letzteres geschah durch Ptolemäos. Mit einem für diesen Zweck verfertigten Werkzeug maß er für die Einfallswinkel von 10°, 20°, 30° usw. die zugehörigen Brechungswinkel. Sein Apparat bestand aus einer Scheibe, die in Grade geteilt war und bis zum Mittelpunkt in Wasser tauchte ([Abb. 47]). Das Verfahren war folgendes: Ein Lichtstrahl BC wurde durch eine Marke B des über dem Wasserspiegel MN befindlichen Scheibenstückes nach dem Mittelpunkte C der Scheibe geleitet. An dieser Stelle fand beim Eintritt in das Wasser die Brechung statt. Der gebrochene Strahl CD setzte seinen Weg unter Wasser fort, bis er den Umfang der Scheibe in einem auf der Gradeinteilung abzulesenden Punkt D wieder traf. Die Werte, welche Ptolemäos auf solche Weise erhielt, sind in folgender Tabelle zusammengestellt:

Einfallswinkel (α)Brechungswinkel (β)
10°8°(statt 7° 29')
20°15° 30'( »14° 51')
30°22° 30'( »22° –)
40°29°( »28° 49')
50°35°( »34° 3')
60°40° 30'( »40° 30')
70°45° 50'( »44° 48')
80°50°( »47° 36')

Abb. 47. Ptolemäos mißt die Brechungswinkel.

Der Brechungsexponent für den Übergang des Lichtes aus Luft in Wasser ergibt sich daraus gleich 1,31, während dieser Wert nach neueren Messungen 1,33 beträgt[609]. Das Ergebnis war also im Hinblick auf die Art des Verfahrens recht genau, ein Beweis, daß eins der wichtigsten Erfordernisse der exakten Forschung, die Schärfe der Messung nämlich, dem Ptolemäos nicht mangelte.

Ptolemäos benutzte sein Ergebnis auch zur Erklärung einer astronomischen Erscheinung. Er schloß nämlich, daß der Lichtstrahl auch beim Durchgange durch die Atmosphäre eine Brechung erleidet, die vom Zenith nach dem Horizont allmählich zunimmt und unter dem Namen der atmosphärischen Refraktion bekannt ist. Diese Refraktion machte sich ihm z. B. dadurch bemerklich, daß er die Poldistanz eines Gestirnes beim Auf- und Untergang kleiner fand als zur Zeit der oberen Kulmination.

Nach dem Messen besteht der nächste Schritt auf dem Wege des induktiven Verfahrens in dem Auffinden einer gesetzmäßigen Beziehung zwischen den gegebenen und den gefundenen Größen. Ptolemäos hat auch diesen Schritt auf dem Gebiete der Physik zu machen versucht. Wenn es ihm auch nicht gelang, die gefundenen Beziehungen auf einen mathematischen Ausdruck zurückzuführen, so sprach er doch das Grundgesetz der Dioptrik dahin aus, daß der Lichtstrahl beim Übergänge aus einem dünneren in ein dichteres Mittel zum Einfallslote hin gebrochen wird. Er findet es sogar wahrscheinlich, daß für je zwei Stoffe stets ein bestimmtes Verhältnis zwischen dem Einfalls- und Brechungswinkel obwaltet.

Nachdem das Problem der Brechung soweit gefördert war, hat es lange geruht. Zwar beschäftigte es die gerade auf dem Gebiete der Optik sehr tätigen Araber[610]. Doch gelangten diese nicht wesentlich über Ptolemäos hinaus. Auch Johann Kepler hat sich damit befaßt, indem er nach einem später zu beschreibenden Verfahren Messungen über die Brechung anstellte und den Begriff des Grenzwinkels einführte. Seine Lösung fand das Problem indes erst im 17. Jahrhundert durch Snellius, den wir als den Entdecker des Brechungsgesetzes kennen lernen werden.

Erwähnung verdient auch des Damianos Schrift über die Optik[611]. Über die Lebensumstände Damians ist nichts Näheres bekannt. Seine Schrift über die Optik ist jedenfalls später als diejenige des Ptolemäos verfaßt. Eigentümlich ist die Begründung, welche Damian über die optischen Ansichten der Griechen bringt. Es sollen hier deshalb einige Stellen in freier Übersetzung Platz finden:

»Die Gestalt unserer Augen, die nicht wie die übrigen Sinneswerkzeuge hohl und dadurch für die Aufnahme von irgend etwas eingerichtet, sondern kugelförmig sind, beweist, daß eine Ausstrahlung von uns ausgeht. Daß diese Ausstrahlung Licht ist, das zeigen die von den Augen aufleuchtenden Blitze. Bei den Nachttieren erscheinen die Augen bei Nacht sogar leuchtend. Noch deutlicher wird diese Ansicht, wenn wir die Gleichartigkeit unseres Sehorgans mit der Sonne dargelegt haben werden.

Da die Sehstrahlen, die von unserem Auge ausgehen, möglichst schnell zu dem sichtbaren Gegenstande gelangen sollen, so müssen sie sich in gerader Linie bewegen. Und ferner, wenn sie davon möglichst viel erfassen sollen, werden sie in Kreisform darauf losgehen. Denn alles was den lebenden Wesen nützlich ist, pflegt die Natur zu tun. Um die sichtbaren Gegenstände in Kreisform zu treffen, müssen die Sehstrahlen entweder die Gestalt eines Zylinders oder eines Kegels haben. Ein Zylinder kann nicht in Betracht kommen, weil dann nicht Gegenstände erfaßt werden könnten, die größer als das Auge sind. Die Sehstrahlen haben daher die Gestalt eines Kegels.

Die geradlinige Fortbewegung des Sehstrahls, seine Zurückwerfung und seine in große Entfernung reichende und zeitlos sich vollziehende Fortbewegung: Dies alles kann man auch an den Sonnenstrahlen beobachten. Auch vermag unser Sehstrahl durch diejenigen Gegenstände, durch welche die Sonnenstrahlen hindurchdringen, wie Glas und Wasser, gleichfalls seinen Weg zu nehmen.«

Nach der Betrachtung der Fortschritte, die sich besonders unter der Mitwirkung des Ptolemäos auf dem Gebiete der Astronomie, der Geographie und der Physik vollzogen, wollen wir uns in großen Zügen den Besitz vergegenwärtigen, über den das Altertum während der römisch-alexandrinischen Periode in den übrigen Zweigen der Naturwissenschaften verfügte.

Während die Mechanik, die Optik und die Akustik ihre Grundlagen erhielten, blieb man auf den Gebieten der Wärme, des Magnetismus und der Elektrizität bei einigen rohen Beobachtungen und dunklen Deutungen stehen. Der Magnetstein und seine Eigenschaft, das Eisen anzuziehen, waren schon dem frühesten griechischen Altertum bekannt. Da man der Seele das Vermögen, etwas zu bewegen, zuschrieb, glaubte man, daß der Magnet, ähnlich wie das Tier und die Pflanze, beseelt sei[612].

Auch die Eigenschaft des Magneten, durch andere Stoffe hindurch zu wirken, konnte nicht lange verborgen bleiben. So erzählt Lukrez, der in seinem Werke »De rerum natura« die magnetischen Erscheinungen mit behaglicher Breite schildert: »Ich sah eiserne Spän' aufkochen und wallen in ehernen Schalen, wenn der magnetische Stein denselbigen untergelegt ward«[613]. Auch die bei Uneingeweihten das größte Staunen erregenden, schon Platon bekannten Ketten, welche aus eisernen, magnetisch gemachten Ringen bestanden, die nicht ineinander griffen, sondern sich nur berührten, beschreibt Lukrez. Er wagt sich sogar an eine Erklärung der magnetischen Erscheinungen. Wie von manchen Körpern, so sollen auch vom Magneten Teilchen ausströmen, welche die benachbarte Luft zurückdrängen. Infolgedessen »stürzen urplötzlich des Eisens Stoffe sich hin nach dem Leeren, und also geschieht es«[614]. Daß der Magnet zwei Pole besitzt, und zwischen diesen eine Indifferenzzone liegt, scheint den Alten entgangen zu sein[615]. Auch die Richtkraft kannten sie nicht, während die Chinesen mit ihr schon vor Beginn unserer Zeitrechnung vertraut waren.

Die Grunderscheinung der Reibungselektrizität ist den alten Völkern jedenfalls bekannt geworden, sobald sie durch den Handel in den Besitz des Bernsteins gelangten, da dieser in besonders auffallender Weise nach dem Reiben leichte Körperchen anzieht. So sagt Plinius: »Übrigens zieht Bernstein, wenn er durch Reiben mit den Fingern Lebenswärme erhalten hat, trockene Blätter, Spreu und Bast gerade so an wie der Magnet das Eisen«[616]. Den Bernstein nannten die Alten Elektrum. Aus diesem Worte ist die Bezeichnung »Elektrizität« für die am Bernstein zuerst beobachtete Eigenschaft entstanden.

Auch an anderen Stoffen scheinen die Alten jene Eigenschaft gelegentlich bemerkt zu haben[617], doch ahnten sie keinen Zusammenhang zwischen ihr und dem Gewitter. Zwar erblickten die Philosophen in dem Blitz und dem Donner nicht mehr, wie das in den Anschauungen einer heidnischen Naturreligion befangene Volk, das Geschoß und die Stimme des Zeus. Man war aber auch noch weit entfernt von einer richtigen Deutung der Erscheinung. Anaximander z. B. hielt den Blitz für die in den Wolken verdichtete Luft, die plötzlich mit Geräusch hervorbreche.

Plinius spricht vom Blitz und vom Donner mit folgenden Worten: »Bricht der Wind aus einer größeren Höhlung einer herabgedrückten Wolke hervor, so nennt man ihn Orkan. Hat sich der Wind in dem Augenblicke, in dem er die Wolke durchbrach, entzündet, so ist er ein Blitz. Daß man den Blitz eher sieht, als man den Donner hört, obgleich sie zugleich entstehen, ist gewiß nicht zu verwundern, da das Licht schneller ist als der Schall. Blitz und Donner erfolgen gleichzeitig, so hat es die Natur geordnet«[618].

Auch mit den stillen elektrischen Entladungen, die man als Elmsfeuer bezeichnet, waren die Alten wohl bekannt. Plinius beschreibt die Erscheinung folgendermaßen: »Es entstehen sogar auch Sterne zu Wasser und zu Lande. Ich selbst sah bei dem nächtlichen Wachtdienst der Soldaten auf den Speeren außerhalb des Walles einen Lichtschein von dieser Gestalt haften. Auch auf die Rahen und andere Teile der Schiffe setzen sich dergleichen Sterne mit einem eigentümlichen, vernehmbaren Ton, wobei sie, wie Vögel, ihren Sitz oft wechseln«[619].

Aus manchen Literaturstellen und antiken Einrichtungen (vergoldete Spitzen von Tempeln, mit Kupfer beschlagene Stangen) glaubte man schließen zu dürfen, daß die alten Völker schon Blitzableiter verwendet hätten. Aus der Kritik des vorhandenen Materials ergibt sich jedoch, daß von einer bewußten Anwendung von Blitzableitern vor Benjamin Franklin nicht die Rede sein kann[620].

Auch das Phänomen der tierischen Elektrizität war den Alten wohl bekannt. Es entzog sich aber gleichfalls ihrer Einsicht. Gelang doch eine Erklärung der atmosphärischen Erscheinungen aus den Gesetzen der Reibungselektrizität erst im 18. Jahrhundert, während ein Verständnis der Gesetze der tierischen Elektrizität erst in der neuesten Periode, nach der Entdeckung des Galvanismus, anbrach. »Dem Zitterrochen steht ein gefährliches Gift zu Gebote«, schreibt der griechische Verfasser eines im 2. Jahrhundert n. Chr. entstandenen Werkes[621], »von Natur ist er schwach und so langsam, daß es aussieht, als könne er nur kriechen. Er besitzt auf jeder Seite ein Gewebe, das denjenigen, der es berührt, sogleich jeder Kraft beraubt, sein Blut erstarren macht und seine Glieder lähmt.« Plinius ahnt schon, daß man es hier mit einem Vorgang ganz eigener Art zu tun hat, wenn er sagt[622]: »Der Zitterrochen lähmt selbst aus der Ferne, sobald er nur mit der Lanze berührt wird, den stärksten Arm. Man ersieht daraus, daß es unsichtbare Kräfte gibt.« Daß auch der menschliche Körper wie die Lanze diese eigentümliche Wirkung fortzuleiten vermag, ist zwar eine Entdeckung der neueren Zeit, doch erwähnt ein anderer Schriftsteller des Altertums, daß schon Erschütterung eintritt, wenn man Wasser aus einem Gefäß, in dem sich ein Zitterrochen befindet, auf die Hand oder den Fuß gieße[623].

Die Heilkunde versäumte nicht, aus dieser merkwürdigen Erscheinung Nutzen zu ziehen. So finden wir bei Galen berichtet, daß er einem an Kopfschmerzen leidenden Menschen einen lebenden Zitterrochen genähert, und daß dieser sich als schmerzstillendes Mittel erwiesen habe[624]. Avicenna (Ibn Sina), der arabische Bearbeiter der Schriften Galens, wiederholt diese Angabe.