18. Aufgaben und Ziele.
Die großen Errungenschaften, deren Zustandekommen der Gegenstand der bisherigen Darstellung gewesen ist, bestimmen nach Inhalt wie nach Richtung auch die Forschung unserer Tage, so daß es, um weitere Erfolge zu zeitigen, durchaus nicht immer der Auffindung neuer Wege und Methoden bedarf. Vielmehr versprechen die zahlreichen Ansätze, welche der heutigen Generation neben einem festgefügten Lehrgebäude übermittelt sind, eine stete Fortentwicklung der Naturwissenschaften. Hierzu wirkt sowohl die Verfeinerung der Hilfsmittel, die immer schärfere Messungen erlauben, als auch der Umstand, daß die Experimentierkunst durch ihre Verbindung mit der Ingenieurmechanik einen Zug ins Großartige nimmt, den die älteren Forscher mit ihren bescheidenen Mitteln nicht kannten.
Indessen auch neue Wege und Methoden, die sich auf den vorhandenen Grundlagen oder in engster Anlehnung an diese entwickeln, liefern fortgesetzt eine reiche Fülle neuer, oft ganz unerwarteter, überraschender Aufschlüsse. Es wird daher immer schwieriger, sich in dieser Fülle den Blick für das große Ganze zu bewahren. Durch eine Vertiefung in das Detail aller Einzeluntersuchungen ist dieses Ziel schon lange nicht mehr zu erreichen, wohl aber durch eine Betrachtung der Naturwissenschaften vom philosophischen und vom entwicklungsgeschichtlichen Standpunkte.
Als ein Beispiel für die an erster Stelle erwähnte Genauigkeit der Messungen kann aus der Geschichte der letzten Jahrzehnte die Entdeckung des Argons genannt werden, jenes von Rayleigh und Ramsay 1894 aufgefundenen Bestandteiles der Luft, den Cavendish, wie sich nachher herausstellte, schon hundert Jahre früher isoliert hatte[625]. Rayleigh ging von der Aufgabe aus, die Zusammensetzung des Wassers mit möglichster Schärfe zu bestimmen[626]. Dazu waren genaue Wägungen von Wasserstoff und Sauerstoff erforderlich, die Rayleigh einige Jahre später auch auf den Stickstoff ausdehnte[627]. Während nun ein Liter des aus der Luft entnommenen Stickstoffs 1,257 g wog, ergab sich für den aus chemischen Verbindungen[628] hergestellten Stickstoff ein etwas geringeres Gewicht (1,250 g). Die alsbald auftauchende Vermutung, daß dem aus der Atmosphäre gewonnenen Stickstoff eine kleine Menge eines erheblich schwereren Gases beigemengt sei, hat sich darauf bestätigt. Wurden nämlich der Luft zunächst der Sauerstoff und dann der Stickstoff entzogen, so blieb ein schweres Gas zurück, das wegen seiner chemischen Indifferenz Argon genannt wurde. Die Entdeckung dieses Stoffes ist mit Recht als ein Triumph der dritten Dezimale, in der sich ja erst der Unterschied im Gewicht des chemisch reinen und des atmosphärischen Stickstoffs bemerkbar macht, bezeichnet worden.
Auch die wissenschaftlichen Fortschritte der letzten Jahre haben sehr häufig den Ausspruch Lord Kelvins bestätigt, daß fast alle großen Entdeckungen der Neuzeit der Lohn gewesen sind für exakte, geduldige Messungen und die genaue Prüfung der zahlenmäßigen Ergebnisse.
Wieweit die Verfeinerung der für solche Messungen erforderlichen Hilfsmittel getrieben werden kann, lehren uns die neuesten Forschungen über den Atomzerfall radioaktiver Elemente. Diese Forschungen führten zur Konstruktion von Mikrowagen, deren Empfindlichkeit sich auf den 500000. Teil eines Milligramms beläuft[629]. Eine bei der Untersuchung radioaktiver Körper angewandte optische Methode gestattet sogar, jedes abgeschleuderte α-Teilchen zu zählen. Läßt man nämlich die abgeschleuderten α-Teilchen auf einen Zinksulfidschirm treffen, so erzeugt der Stoß eines jeden Teilchens ein Szintillieren. Man beobachtet einen Teil des Schirmes mit dem Mikroskop und findet so durch Auszählen, wieviel α-Teilchen in der Sekunde auf ein bestimmtes Flachenstück kommen. Das auf diese Weise erhaltene Ergebnis stimmte mit dem nach einem elektrischen Meßverfahren erhaltenen gut überein[630].
Die Zeiten eines Scheele und eines Berzelius, in denen bescheidene, auch dem Privatmanne zu Gebote stehende Mittel genügten, um die der Wissenschaft gestellten Aufgaben zu bewältigen, sind längst vorüber. Um ein Problem auf experimentellem Wege bis in seine letzten Konsequenzen zu verfolgen, bedarf es häufig eines Aufwandes an Kosten und an Mühe, der die Kräfte des einzelnen bei weitem übersteigt. So wurde das Gebiet der Kondensation der Gase in den zwanziger Jahren von Faraday durch einfache Versuche erschlossen[631]. Sein Verfahren bestand darin, daß er Gase aus der Entwicklungsflasche in geschlossene Gefäße leitete und sie in einigen Fällen unter dem so erzeugten Druck verflüssigte. An die Stelle dieser einfachen Versuchsanordnung trat die Kompressionsmaschine. Und als man erkannte, daß der bloße Druck häufig nicht ausreicht, wandte man gleichzeitig tiefe Temperaturen an. Zu einem gewissen Abschluß gelangte diese Versuchsreihe erst durch die Bemühungen Dewars, der unter einem hohen Druck stark abgekühlten Wasserstoff verflüssigte. Mit dem Aufbau des dafür erforderlichen Apparates waren drei Ingenieure ein volles Jahr beschäftigt, so daß die Schlußbemerkung Dewars[632], daß zu derartigen Versuchen vor allem Geld gehöre, sehr berechtigt erscheint.
Um die Forschung größeren Stiles zu ermöglichen, genügt es heute selbst nicht mehr, daß die Regierungen und die Akademien dem wissenschaftlichen Arbeiter Geldmittel zur Bewältigung bestimmter Probleme zur Verfügung stellen. Man ist daher zur Einrichtung besonderer Forschungsinstitute geschritten. An deutschen Unternehmungen dieser Art ist die von Werner Siemens ins Leben gerufene physikalisch-technische Reichsanstalt zu nennen, mit deren Leitung Helmholtz während der letzten Jahre seines Lebens (seit 1888) betraut war. Rein wissenschaftlichen Zwecken soll die anfangs 1911 ins Leben gerufene Kaiser Wilhelm-Gesellschaft dienen. Sie wurde mit einem Kapital von 11 Millionen Mark gegründet und stellt sich die Aufgabe, Institute zu schaffen, an denen Gelehrte sich ausschließlich der Forscherarbeit widmen. Entstanden sind bis jetzt ein chemisches und ein chemisch-physikalisches Institut.
Zu den Forschungsmitteln der heutigen Wissenschaft gehört auch die Anwendung gewaltiger Druckkräfte sowie sehr hoher und sehr tiefer Temperaturen.
Durch die Anwendung gewaltiger Druckkräfte wurde z. B. der seit alters geltende Satz, daß die Körper nur im gelösten Zustande chemisch wirken[633], einer erheblichen Einschränkung unterworfen. So gelang es, um nur eine der zahlreichen, durch Druck bewirkten Umsetzungen zu erwähnen, in einem völlig trockenen Gemisch von Bariumsulfat und Natriumkarbonat bei gewöhnlicher Temperatur die Bildung von Natriumsulfat und Bariumkarbonat herbeizuführen, indem man das Gemenge einem Drucke von 6000 Atmosphären aussetzte[634].
Die Anwendung außerordentlich tiefer Temperaturen erschließt ein unabsehbares Feld für weitere Untersuchungen. Während z. B. die Reaktionsfähigkeit der Materie durch eine Erhöhung des Druckes eine beträchtliche Zunahme erfährt, stellt sich unter dem Einfluß tiefer Temperaturen das Gegenteil ein. So werden die Alkalimetalle bei der Temperatur des siedenden Sauerstoffes von diesem Elemente, für das sie sonst die größte Affinität besitzen, überhaupt nicht angegriffen.
Auch die Bemühungen, sehr hohe Wärmegrade zu erzeugen, eröffnen die Aussicht auf eine Fülle ungeahnter Fortschritte von technischer und theoretischer Bedeutung. Als das wichtigste Mittel zur Erzielung hoher Temperaturen ist seit einigen Jahrzehnten an die Stelle des Knallgasgebläses der elektrische Ofen[635] getreten, ein Apparat, der uns das Calciumkarbid, das Karborund und andere technisch wichtige Verbindungen beschert, sowie die Darstellung des Aluminiums im großen ermöglicht hat. Indem man im elektrischen Ofen Kohlenstoff in flüssigem Eisen löste und unter hohem Druck kristallisieren ließ, gelang sogar die Herstellung von Diamanten.
Um das Verhalten flüchtiger Elemente und Verbindungen bei hohen Temperaturen zu studieren und zu wichtigen Schlüssen bezüglich der Konstitution der Materie zu gelangen, sind ergiebige Wärmequellen nicht das einzige Erfordernis, sondern hier handelt es sich in erster Linie um die Beschaffung eines widerstandsfähigen Materiales. An die Stelle des anfänglich benutzten Glases traten Porzellan und Platin, so daß die Bestimmung der Dampfdichte schließlich bei 1700° ausgeführt werden konnte. Ein interessantes Ergebnis dieser insbesondere von Victor Meyer angestellten pyrochemischen Untersuchungen besteht darin, daß die Elemente Chlor, Brom und Jod bei einer Temperatur von 1400° nicht mehr im molekularen Zustande beharren, sondern in ihre Atome gespalten werden, während z. B. Sauerstoff und Stickstoff bei jener Temperatur ihr molekulares Gefüge noch nicht ändern. Den Bemühungen, Gefäße herzustellen, welche das Platin an Widerstandsfähigkeit übertreffen und eine Ausdehnung dieser für die Erkenntnis der Konstitution der Materie so überaus wichtigen Versuche ermöglichen, ist Victor Meyer durch einen allzu frühen Tod entrissen worden. Der Gedanke, im Einklang mit dem periodischen System die zusammengesetzte Natur der Elemente auf pyrochemischem Wege nachzuweisen, wird aber auch für spätere Forscher leitend bleiben.
Während man einerseits die Zurückführung der Elemente auf einen einzigen Urstoff wenigstens in Betracht zieht, hat die analytische Chemie während der letzten Jahrzehnte die Zahl der Elemente noch immerfort durch die Entdeckung neuer Grundstoffe vermehrt. Neben dem Skandium und dem Germanium, deren Bedeutung für das periodische System wir kennen lernten, sind hier in erster Linie Argon und Helium zu nennen. Hat doch der Entdecker des Germaniums der Meinung Ausdruck verliehen, daß die Erforschung dieser Elemente einen Anstoß zum weiteren Ausbau, wenn nicht zur Umgestaltung des periodischen Systemes geben werde[636].
Neben der wachsenden Schärfe der Messungen und der großartigen Entwicklung der experimentellen Technik erweist sich die innige Verknüpfung der verschiedenen Wissenschaftsgebiete als eine unerschöpfliche Quelle des Fortschritts. So ist im Verlauf der letzten Jahrzehnte aus bescheidenen Anfängen die physikalische Chemie erwachsen, die neben einer Umgestaltung der chemischen Technik auch einen tieferen Einblick in die Natur der chemischen und der elektrischen Vorgänge herbeizuführen bestrebt ist.
Ein technisches Problem von großer Wichtigkeit, das erst vor kurzem mit Hilfe der neuesten Methoden der physikalischen Chemie bewältigt wurde, ist die Erzeugung von Ammoniak aus seinen Elementen[637]. Die älteren Bemühungen, den mit einer sehr geringen Affinität begabten Stickstoff an Wasserstoff zu binden, waren erfolglos geblieben. Bei der Wiederaufnahme des Problems erforschte man zunächst für Ammoniak, Stickstoff und Wasserstoff die Bedingungen des chemischen Gleichgewichts. Man fand, daß bei etwa 1000° Ammoniak in seine Elemente zerfällt, gleichzeitig aber daraus in geringen Mengen neu entsteht (NH3 ⇄ N + 3H). Nun galt es, in ungezählten Versuchen zu ermitteln, in welcher Weise die Synthese des Ammoniaks nicht nur von der Temperatur, sondern von gewissen Katalysatoren, vom Druck und von Strömungsverhältnissen abhängt. Schließlich hat man diejenigen Bedingungen, die man als die günstigsten ermittelt hatte, so vereinigt, daß das Problem nicht nur wissenschaftlich, sondern auch technisch gelöst war. Das heißt, daß synthetisches Ammoniak mit dem Ammonsulfat der Gasanstalten, dem Chilesalpeter und der durch Elektrosynthese erzeugten Salpetersäure auf dem Weltmarkt in Wettbewerb treten konnte[638].
Nicht minder belangreich wie die technischen Fortschritte sind die Früchte, welche die innige Verknüpfung der Physik mit der Chemie auf wissenschaftlichem Gebiete zeitigt. Hier sind van't Hoffs Entdeckung, daß die Stoffe in der Lösung denselben Gesetzen gehorchen wie im gasförmigen Zustande, sowie die von Arrhenius und Ostwald begründete Theorie der elektrolytischen Dissoziation die Etappen, die in erster Linie geeignet scheinen, dem weiteren Eindringen in das Gebiet der Molekularphysik und die Natur des chemischen Prozesses die nötigen Stützen zu gewähren[639].
Daß sich nicht nur zwischen den einzelnen Wissenschaften, sondern auch zwischen den Teilgebieten eines und desselben Zweiges noch manche wichtige Beziehung knüpfen läßt, haben die epochemachenden, die Kluft zwischen der Optik und der Elektrizitätslehre überbrückenden Versuche eines Hertz ergeben.
Auf dem durch Hertz erschlossenen Felde der elektrischen Strahlung, welches durch die Entdeckung Röntgens noch eine ungeahnte Erweiterung erfuhr, sehen wir heute zahlreiche Forscher tätig. Das letzte, von einer Lösung wohl noch weit entfernte Problem, das diesen vorschwebt, ist die Frage nach der Natur des raumerfüllenden Äthers, der an die Stelle der früheren Imponderabilien getreten ist, und nach seinem Verhältnis zu der wägbaren Materie. Ob den zu erhoffenden Aufschlüssen gegenüber die atomistische Auffassung des Naturganzen Stand halten oder eine rein energetische an deren Stelle treten wird, hängt von den schließlichen Erfolgen der hier gestreiften Untersuchungen ab.
Eine wenn auch nur skizzenhafte Darstellung der Entwicklung dieses Forschungsgebietes soll uns zu den hier noch einer Lösung harrenden Problemen führen.
Auf die eigentümlichen Erscheinungen, welche der elektrische Funken bei seinem Durchgange durch stark evakuierte Röhren darbietet, war man schon um die Mitte des 18. Jahrhunderts aufmerksam geworden[640]. Etwa hundert Jahre später gelang es dem Mechaniker Geißler, mit Hilfe seiner Quecksilberluftpumpe Glasröhren in solchem Grade zu evakuieren, daß sich in ihnen nur noch eine Spur von Quecksilberdampf oder von einem beliebigen Gas befand. In einer solchen Röhre, in welcher die Verdünnung bis zu einem Drucke von 0,001 mm gelangt ist, machen sich bei der Entladung eigentümliche Erscheinungen bemerkbar. Wie zuerst Hittorf im Jahre 1869 beobachtete, füllt sich die Röhre mit einem Licht, das von der Kathode ausgeht und das Glas sowie Mineralien zur Fluorescenz bringt. Werden metallische Gegenstände der Kathode gegenüber angebracht, so werfen sie einen von der Kathode fortgerichteten Schatten. Das beweist, daß die Strahlen von der Kathode ausgehen und sich gradlinig fortpflanzen. Daß diese Kathodenstrahlen von einem Magneten beeinflußt werden, bemerkte schon Hittorf.
Durch einen Zufall machte 1895 Röntgen die Entdeckung, daß von den Stellen, auf welche die Kathodenstrahlen treffen, unsichtbare Strahlen ausgehen. Diese von den Kathodenstrahlen erzeugten Röntgen- oder X-Strahlen machen sich erst dadurch bemerkbar, daß sie fluoreszierende Substanzen zum Leuchten bringen und photochemische Wirkungen hervorrufen. Daß es sich hier um eine eigene Strahlengattung handelt, zeigte sich darin, daß die Röntgenstrahlen im Gegensatz zu den Kathodenstrahlen vom Magneten kaum beeinflußt werden und weder Reflexion noch Brechung erleiden. Ihre Fähigkeit, auch undurchsichtige Stoffe in mehr oder minder hohem Grade zu durchdringen, vereint mit ihrer Wirkung auf den Fluorescenzschirm oder die photographische Platte hat bekanntlich zu einer wichtigen Verwendung der Röntgenstrahlen auf dem Gebiete der ärztlichen Untersuchung geführt.
Vor einem neuen Rätsel stand man, als Becquerel im Jahre 1896 dunkle Strahlen beobachtete, die im Gegensatz zu den Kathoden- und den Röntgenstrahlen ohne jede Mitwirkung elektrischer Entladungen entstehen. Becquerel bemerkte, daß ein Uransalz[641] durch eine undurchsichtige Substanz hindurch auf eine photographische Platte wirkte. Er war zunächst geneigt, diese Erscheinung aus der Phosphorescenz des Salzes zu erklären. Indes ergab die weitere Untersuchung, daß das Uransalz auch durch undurchsichtige Substanzen hindurch auf die Platte wirkte, wenn man das Salz nicht dem Lichte ausgesetzt hatte. Es ergab sich ferner, daß selbst nach längeren Zeiträumen die Intensität der in völliger Dunkelheit von dem Uransalze ausgesandten Strahlen nicht abnahm. Da alle Uransalze, mochten sie fest oder gelöst sein, das gleiche Verhalten zeigten, so kam Becquerel auf den Gedanken, daß das Uranmetall die gleichen dunklen Strahlen vielleicht in einem noch höheren Maße aussenden möge. Die Vermutung wurde durch den Versuch bestätigt. Bald darauf (1896) entdeckte Becquerel, daß die von dem Uran ausgehenden Strahlen Gasen die Eigenschaft erteilen, elektrische Körper zu entladen, eine Eigenschaft, die man später zum Nachweise der Radioaktivität verwertet hat.
Im Jahre 1897 konnte Becquerel die ganz erstaunliche Mitteilung machen[642], daß Uransalze, die er länger als ein Jahr, geschützt gegen jede Strahlung, aufbewahrt hatte, mit unverminderter Stärke Strahlen aussandten, die durch undurchsichtige Körper hindurch auf die photographische Platte wirken. Die Frage nach der Quelle dieser Energie wurde dadurch immer rätselhafter.
Im Jahre 1898 dehnte das Ehepaar Curie die Untersuchung auf Uran und Thor enthaltende Mineralien (Pechblende, Uranit) aus. Sie vermuteten, daß diese Mineralien eine Substanz enthalten konnten, die stärker wirkt als die genannten Metalle. Um diese Vermutung auf ihre Richtigkeit zu prüfen, lösten sie die Mineralien in Säuren. Beim Hindurchleiten von Schwefelwasserstoff blieben Uran und Thor in Lösung. Der Schwefelwasserstoffniederschlag, in dem sich eine Anzahl von Metallen befand (Blei, Kupfer, Wismut usw.) erwies sich als sehr aktiv. Durch geeignete Lösungsmittel ließen sich eine Anzahl von Metallen aus dem Niederschlag entfernen. Schließlich hinterblieb ein vorzugsweise Wismut enthaltender Rest, dessen Emmissionsvermögen 400mal so groß war wie dasjenige des Uran[643]. Fällte man die gelösten Mineralien mit Schwefelsäure, so erwies sich der vorwiegend aus Bariumsulfat bestehende Niederschlag noch aktiver als der nach dem ersten Verfahren mit Schwefelwasserstoff erhaltene. Da Bariumverbindungen für gewöhnlich das merkwürdige, von Becquerel entdeckte Strahlungsvermögen nicht aufweisen, so wurden P. und S. Curie auf die Vermutung geführt, daß dem aus der Lösung von Uranpecherz ausgefällten Bariumsulfat, das Sulfat eines dem Barium sehr nahestehenden, bisher unbekannten Elementes beigemengt und daß dieses Element der Träger der neuen, später als Radioaktivität bezeichneten Eigenschaft sei. Sie nannten dieses neue, zunächst sehr hypothetische Element Radium. Ob es sich hier tatsächlich um ein neues Element handelt, konnte nur mit Hilfe der Spektralanalyse entschieden werden. Sie ergab die Richtigkeit der von P. und S. Curie ausgesprochenen Vermutung. Der Spektralapparat ließ nämlich in den Rückständen des Uranpecherzes eine Linie von bestimmter Wellenlänge erkennen, die keinem bekannten Elemente zugeschrieben werden konnte und die immer deutlicher hervortrat, je mehr man das Strahlungsvermögen der Masse durch weitere Konzentration erhöhte.
Groß war das Aufsehen, als im Jahre 1899 Radiumpräparate der Versammlung deutscher Naturforscher und Ärzte vorgeführt wurden. Bei dieser Demonstration war ein Präparat in einer 12 mm dicken Bleiumhüllung untergebracht. Trotzdem erregten die von dem Präparat ausgehenden Strahlen außerhalb der Bleiumhüllung das Aufleuchten eines Bariumplatinzyanürschirmes, der ein zum Nachweis von Fluorescenzwirkungen besonders geeignetes Mittel ist.
Mit dem Beginn des 20. Jahrhunderts wurde die eingehendere Erforschung der Radioaktivität von zahlreichen Chemikern und Physikern in die Hand genommen. Man entdeckte, daß sich bei dem Vorgänge verschiedene Strahlengattungen (α-, β- und γ-Strahlen) unterscheiden lassen und daß mit der Strahlung eine Gewichtsabnahme verbunden ist. Die Strahlung besteht daher zum Teil in einer Absonderung von Substanz. Man hat diese gasförmige Substanz rein dargestellt und Emanation genannt. Das größte Aufsehen erregte es, daß Radium, scheinbar im Widerspruch zum Energiegesetz, fortwährend Wärme ausstrahlt, eine Tatsache, die wegen der langen Dauer dieses Prozesses nur aus der Annahme eines ganz ungeheuren, in dem Radium steckenden Energievorrats erklärt werden kann. Im Widerspruch zu den bisherigen Erfahrungen und Theorien bemerkte man ferner, daß sich die aus dem Element Radium entstandene Emanation in das Element Helium[644] umwandelt. Nach den neuesten Ergebnissen sind die Teilchen der α-Strahlen positiv geladene Heliumatome. Alle radioaktiven Stoffe, die α-Strahlen aussenden, erzeugen also fortdauernd Helium[645]. Die β-Strahlen sind dagegen negative Elektronen. Sie entsprechen also den in den Crookesschen Entladungsröhren auftretenden Kathodenstrahlen. Auf dem Gebiete der Radiumforschung ist trotz der angestrengten Arbeit eines Jahrzehnts und der Feststellung zahlreicher Tatsachen sehr vieles noch aufzuhellen. Daneben erwächst der Theorie die Aufgabe, sich den neuen Tatsachen anzupassen, soweit sich letztere den früheren Theorien nicht einfügen lassen. Am besten ist diese Anpassung der schon um 1880, also vor der Entdeckung der Radioaktivität geschaffenen Elektronentheorie gelungen. Nach dieser von H. A. Lorentz begründeten Theorie ist die Elektrizität an Masse gebunden. Aus den zur Bekräftigung dieser Vorstellung unternommenen Versuchen ließ sich ermitteln, daß die Massenteilchen, die als die Träger der negativen Elektrizität betrachtet werden, etwa 2000mal leichter sind als die Atome des Wasserstoffs, dem die Chemie das kleinste Atomgewicht zuschreibt. Die mit einer bestimmten elektrischen Ladung versehenen Massen, die Elektronen, können aus dem Atom heraustreten. Dies geschieht z. B. beim Reiben. Das zurückbleibende Atom ist positiv geladen. Es wird als positives Ion bezeichnet. Verbinden sich die freigewordenen Elektronen mit einem neutralen Atom, so wird dieses zum negativen Ion. Die Kathodenstrahlen stellen sich nach dieser Theorie als abgeschleuderte Elektronen dar. Daß sie negativ sind, läßt sich daraus schließen, daß sie von einem negativ geladenen Körper abgelenkt werden. Der galvanische Strom, sowie die Fortleitung der Elektrizität in den Metallen besteht nach dieser Auffassung gleichfalls in einer Wanderung der Elektronen. Lorentz bezweckte mit seiner Elektronentheorie nicht etwa die Beseitigung, sondern den Ausbau der von Maxwell auf Grund der Untersuchungen Faradays entwickelten elektromagnetischen Theorie des Lichtes. Er zeigte, wie durch die Annahme elektrisch geladener Teilchen in den durchsichtigen Körpern gewisse optische Erscheinungen ihre Erklärung finden. Die Maxwellschen Gleichungen für den freien Äther ließ Lorentz in Geltung. Die Elektronen beeinflussen nach ihm die elektrischen und die optischen Vorgänge nur dadurch, daß sie nebst ihren Ladungen eine schwingende Bewegung ausführen.
Eine Stütze erhielt die Elektronentheorie dadurch, daß sie das von Zeemann im Jahre 1896 entdeckte Phänomen vorherzusagen vermochte. Zeemanns Phänomen besteht darin, daß sich die Spektrallinien eines leuchtenden Dampfes unter der Wirkung eines genügend starken Magnetfeldes spalten[646].
Die durch Lorentz geschaffene atomistische Auffassung der Elektrizität bedeutet übrigens in gewissem Sinne eine Rückkehr zu früheren Vorstellungen. So hatte schon Wilhelm Weber um die Mitte des 19. Jahrhunderts die elektrischen Erscheinungen aus der Annahme elektrischer Atome zu erklären gesucht. Auch Helmholtz war geneigt, aus den Faradayschen elektrolytischen Gesetz auf die Existenz gewisser Elementarquanten der Elektrizität zu schließen, die an den Elektroden sich von den geladenen chemischen Atomen, den Ionen Faradays, trennen sollten.
Seitdem man gefunden hat, daß die radioaktiven Stoffe ohne äußere Einwirkung Elektronen aussenden, hat man sich der Elektronentheorie mit dem doppelten Interesse zugewandt. Diese Theorie und die weitere Erforschung der Radioaktivität gehen heute vollkommen Hand in Hand[647]. Das wird solange dauern, bis neue Tatsachen entdeckt werden, denen sich die Theorie nicht anzupassen vermag. Aber selbst dann werden die Vorstellungen, welche die heutige Physik beherrschen, von der Geschichte der Wissenschaften als eine für die betreffende Zeit sehr wertvolle Arbeitshypothese anerkannt werden. In dieser Geschichte steht dem Wechsel der Theorie als das Bleibende nicht nur das Reich der einwandsfrei ermittelten Tatsachen gegenüber. Von demselben beständigen Wert wie die Tatsachen erweisen sich vielmehr auch die Überlegungen, die zur Entdeckung und Verknüpfung der Tatsachen geführt haben. In der Hervorhebung dieses Gesichtspunktes liegt vor allem die Bedeutung der geschichtlichen Betrachtungsweise. Sie stellt dar, was geworden ist und nicht, was wird und daher zunächst nur in unbestimmten Umrissen erscheint. Das unterscheidet die Geschichte der Wissenschaften von der Wissenschaft des Tages, die, wie die Kultur im allgemeinen, das letzte Glied einer fast endlos scheinenden Kette einer abgeschlossenen Entwicklung und der Anfangspunkt einer ebenso unabsehbaren Folge weiterer Entwicklung ist.
Ob es der Wissenschaft gelingen wird, an der Hand der Elektronentheorie Dinge, wie z. B. die Natur der Sonnenkorona und der Kometen, das Alter der Erde[648], sowie den Aufbau der Elemente zu enträtseln, bleibt der Zukunft vorbehalten. Jedenfalls gehören solche Dinge heute schon zu den diskutierbaren Problemen der wissenschaftlichen Forschung. Ferner weist alles darauf hin, daß das als Radioaktivität bezeichnete Verhalten immer mehr den Charakter des Vereinzelten verliert. So hat sich gezeigt, daß nicht nur das Uran, sondern auch das Thorium[649] den Ausgangspunkt einer radioaktiven Reihe von Umwandlungsprodukten bildet. Uran und Thor besitzen beide ein sehr großes Atomgewicht (U = 237,7; Th = 232,4), während das letzte Umwandlungsprodukt des Uran, das Helium, nur das Atomgewicht 3,94 hat. Nach der von Rutherford und Soddy begründeten Theorie deutet das hohe Atomgewicht der radioaktiven Elemente auf einen komplizierten Bau der Atome hin, und die Radioaktivität hat darin ihre Ursache, daß die kompliziert gebauten Atome einem Zerfall unterliegen.
Als ein Beispiel, wie eine Methode aus einer älteren erwachsen und eine solch vielseitige Verwendbarkeit finden kann, wie es sich die reichste Phantasie nicht hätte ausmalen können, wollen wir in aller Kürze die Entwicklung des photographischen Verfahrens zur Kinematographie betrachten.
Die ersten photographischen Aufnahmen erforderten einen Zeitraum von Minuten, ja Stunden. Es konnten dafür also zunächst nur ruhende Gegenstände in Betracht kommen. Durch die Verbesserungen der Methode wurde die zu einer Aufnahme erforderliche Zeit immer mehr eingeschränkt. Schließlich belief sie sich nur noch auf den Bruchteil einer Sekunde. Den Gedanken, die Momentphotographie zum Studium von Bewegungserscheinungen zu verwerten und auf diese Weise nicht nur einen Zustand, sondern einen Vorgang zu photographieren, haben um 1880 der Franzose Marey und der Deutsche Anschütz verwirklicht.
Marey stellte sich als Ziel, das Bild, das die Bewegungen des Gehens, Laufens und Springens darbieten, in eine Reihe von Augenblicksbildern zu zerlegen. Der erste von ihm hergestellte Apparat gestattete, 24 Aufnahmen in der Sekunde zu machen. Bei dem verbesserten Apparat, den Marey 1888 der französischen Akademie der Wissenschaften vorlegte, vermittelte ein Uhrwerk gleichzeitig das Öffnen des Verschlusses und die Fortbewegung des zur Aufnahme des Negativs bestimmten Papierstreifens. Einen hohen Grad der Vollendung empfing der kinematographische Apparat, mit dem man heute bis zu 2000 Aufnahmen in der Sekunde erzielen kann, durch die Einführung der Zelluloidfilms.
Anschütz kam 1882 auf den Gedanken, derartige Reihen von Augenblicksaufnahmen vermittelst des schon lange als Spielzeug bekannten Stroboskops oder Lebensrades zu einem Gesamteindruck zu vereinigen. Auf diesen Grundlagen schuf Lumière im Jahre 1895 den Apparat für kinematographische Wiedergaben, wie wir ihn heute zu wissenschaftlichen Zwecken, zur Belehrung und zur Unterhaltung benutzen. Lumière traf nämlich die Einrichtung, daß die Reihe der Momentaufnahmen in rascher Folge auf einen Schirm projiziert wurde.
Die Dienste, welche das kinematographische Verfahren der Wissenschaft geleistet hat, lassen sich hier nicht alle aufzählen. Es gibt wohl kein Gebiet, das nicht durch dieses Verfahren bereichert wäre und nicht noch fortgesetzt Nutzen daraus zöge. Man hat es auf alle Vorgänge von den astronomischen bis hinab zur Brownschen Molekularbewegung anzuwenden verstanden. Durch Verbindung der Kinematographie mit der ultramikroskopischen Methode ist es neuerdings sogar gelungen, Vorgänge, die sich in den Zellen oder im lebenden Blute abspielen, wie z. B. das Verhalten der weißen Blutkörperchen gegen Bakterien, zu fixieren, und eingehender zu untersuchen, als es durch bloße Beobachtung am Mikroskope möglich ist.
Zu der Anwendung des Ultramikroskops gesellte sich die kinematographische Aufnahme der vermittelst der Röntgenstrahlen erhaltenen Bilder, so daß es heute z. B. möglich ist, die Bewegungen des Magens und des Herzens auf diesem Wege zu reproduzieren und eingehend zu untersuchen. Anfangs ließ man die Lichtbilderserien mit der gleichen Geschwindigkeit ablaufen, mit der sie in dem Aufnahmeapparat entstanden waren. Man erhielt auf diese Weise ein lebendes Bild, d. h. eine Wiedergabe des Vorganges, wie ihn das Auge gesehen haben würde, wenn es die Stelle der kinematographischen Kamera eingenommen hätte. Zwar bestehen feinere Unterschiede. Indessen, bis zu einem gewissen Grade, ist das Gesagte zutreffend.
Zu Ergebnissen, die sich durch die bloße Beobachtung nicht erzielen lassen, führte eine Beschleunigung sowie eine Verzögerung beim Ablaufenlassen des Films während der Projektion des Vorganges. Dies für wissenschaftliche Beobachtungen außerordentlich wertvolle Resultat ergibt sich daraus, daß man einen für das genauere Studium zu rasch verlaufenden Vorgang so verlangsamen kann, daß er sich in allen Stadien übersehen läßt. Ein derartiges retardierendes Verfahren hat beispielsweise bei der Untersuchung der Kristallisation, der hydrodynamischen Vorgänge, der Wellenbewegung, der Schwingungen fester Körper usw. Aufschlüsse gebracht, welche durch die unmittelbare Beobachtung niemals erzielt worden wären.
Bei sehr langsam vor sich gehenden Erscheinungen, welche die Geduld des Beobachters ermüden würden, z. B. bei Bewegungen im Pflanzenreich, hat man das Charakteristische der Erscheinung sofort erkannt, indem man die Reproduktion der kinematographischen Aufnahme erheblich beschleunigte.
Sämtliche Gebiete der Naturwissenschaften stehen heute noch mehr als in den früheren Perioden unter dem überwiegenden Einfluß der chemisch-physikalischen Forschung. Auf die von letzterer gebotenen Hilfsmittel ist man vor allem angewiesen, wenn es astronomische Probleme zu enträtseln gilt.
So ist der Aufschwung, den die Himmelskunde durch die Erfindung des Fernrohrs erfuhr, kaum größer gewesen als derjenige, den in unserem Zeitalter die Einführung des Spektroskops, sowie der photographischen Kamera für die astronomische Wissenschaft herbeigeführt hat. Des ferneren hat sich kein physikalischer Grundsatz gleich fruchtbar für diese Disziplin erwiesen als der von Doppler ausgesprochene Gedanke[650], daß die Höhe eines Tones, sowie die Art eines Lichteindruckes davon abhängen, ob sich die Entfernung zwischen der Wellenquelle und dem empfindenden Organe vergrößert oder verringert.
Als man 1868 kleine Verschiebungen der Linien bekannter Elemente in den Spektren der Sterne wahrnahm, erinnerte man sich des Dopplerschen Prinzips, das jene nach beiden Seiten stattfindenden Verschiebungen nicht nur zu erklären vermochte, sondern auch ein Mittel an die Hand gab, um aus dem Grade dieser Verschiebungen die Größe der Annäherung und der Entfernung eines lichtspendenden Körpers in absolutem Maße zu ermitteln, selbst wenn, wie bei Arktur, die Tiefe des zwischenliegenden Raumes so ungeheuer ist, daß der Lichtstrahl Jahrzehnte braucht, um unser Spektroskop zu treffen.
Die Methode der Linienverschiebung ermöglichte es ferner den Leitern des Potsdamer Observatoriums[651], eine Erklärung der rätselhaften Erscheinung zu geben, die Algol im Sternbilde des Perseus den Astronomen seit 200 Jahren bietet. Dieser Stern zeigt nämlich innerhalb der kurzen Zeit von 68 Stunden einen eigentümlichen Lichtwechsel. Nachdem er etwa 60 Stunden als Stern 2. Größe geglänzt hat, nimmt er innerhalb 4 Stunden um mehrere Größen ab, wächst dann in derselben Zeit wieder zu einem Gestirn 2. Größe an, um diesen Wechsel nach abermals 60 Stunden zu wiederholen. Die spektroskopische Beobachtung ergab, daß sich Algol vor dem Minimum von uns entfernt und danach sich uns wieder nähert. Der Stern besitzt also eine kreisende Bewegung, welche der Periode des Lichtwechsels entspricht. Beide Erscheinungen weisen darauf hin, daß, wie schon früher vermutet wurde, Algol zur Klasse der Doppelsterne gehört, und daß ein dunkler, sehr naher Begleiter durch seine Vorübergänge jenen eigenartigen Lichtwechsel hervorruft.
Auch wo es sich um leuchtende Doppelsterne handelt, welche durch die schärfsten Teleskope nicht getrennt gesehen werden können, gibt das Spektroskop uns Aufschluß. In diesem Falle werden nämlich die Spektrallinien in bestimmten Zeitintervallen doppelt erscheinen und damit beweisen, daß das scheinbar einheitliche Licht des Gestirnes von einem sich uns nähernden und von einem sich entfernenden Weltkörper ausgesandt wird[652].
Huggins, der zuerst die Geschwindigkeit des Sirius bestimmte, äußerte die Ansicht, daß man mit Hilfe dieser Methode die wichtigsten Entdeckungen des 20. Jahrhunderts machen werde[653]. Da das Spektroskop nur die in die Gesichtslinie fallende Bewegungskomponente zu messen gestattet, bedarf es einer Ergänzung durch die Bestimmung der senkrecht zu jener Richtung vor sich gehenden Ortsveränderungen.
An diesem Punkte setzt eine astronomische Aufgabe ein, die an Bedeutung und an Großartigkeit bisher nicht ihres Gleichen hat. Im Jahre 1887 faßte nämlich in Paris eine internationale Versammlung den Beschluß, eine Himmelskarte auf photographischem Wege herzustellen. Viele Sternwarten, unter denen sich das astrophysikalische Observatorium zu Potsdam befindet, haben sich in diese Aufgabe geteilt. Ihre Organisation hat bis zur Erledigung der Einzelheiten allein drei Jahre gedauert. Handelt es sich doch um 22000 Aufnahmen, die alle Sterne bis hinab zur 14. Größenklasse umfassen. Früchte sind von dieser Riesenarbeit aber nur dann zu erhoffen, wenn spätere Generationen sie wiederholen und so die nötigen Vergleichspunkte gewinnen werden. Es ist dies die einzige Möglichkeit, die am Fixsternhimmel periodisch vor sich gehenden Bewegungen, sowie die Bahn des Sonnensystems, dessen augenblickliche Bewegungsrichtung die Forschungen der letzten Jahrzehnte mit einiger Zuverlässigkeit dargetan haben, zu enthüllen.
Wenden wir uns von den fernen Sonnen zu den Gliedern unseres Planetensystems, so sind die Aufgaben, die sich auch hier dem Astronomen bieten, nicht weniger interessant und zahlreich, zumal die Begierde, einen Einblick in die auf der Oberfläche der nächsten Himmelskörper stattfindenden Vorgänge zu tun, durch einige Entdeckungen der neueren Zeit in ganz besonderem Grade rege geworden ist. Leider wird das Teleskop die Grenzen seiner Leistungsfähigkeit wohl bald erreicht haben, so daß die Hoffnung, durch Beobachtung der Marsoberfläche z. B. unverkennbare Spuren lebender Wesen zu finden, kaum jemals in Erfüllung gehen dürfte. Vorläufig bietet auch das organische Leben, wie es sich hier auf der Erde abspielt, der Aufgaben und der Rätsel so viele, daß es dem forschenden Geiste an Zeit mangelt, sich wissenschaftlichen Träumen über eine Vielheit der Lebewelten hinzugeben.
Seitdem man die höheren Organismen als eine Vereinigung von Elementargebilden auffassen gelernt hat, erblickt die Physiologie ihre wichtigste Aufgabe in dem Studium der einzelnen Zelle mit ihrem protoplasmatischen Inhalt in der Voraussetzung, daß sie sich hier dem Problem des Lebens in seiner einfachsten Gestalt gegenüber befindet. Bisher hat man sich indessen fast ausschließlich darauf beschränkt, den Ablauf der Verrichtungen der Zelle, sowie die Reaktionen der lebenden Substanz auf den Angriff der verschiedenartigsten Kräfte nach Art und Größe kennen zu lernen. Die wichtige Aufgabe dagegen, den Lebensvorgang selbst als chemisch-physikalischen Prozeß zu deuten, hat sich bisher als wenig zugänglich erwiesen, wenn sich die Physiologie auch von der Überzeugung leiten läßt, daß es ein, wenn auch äußerst verwickelter Mechanismus ist, dem sie sich gegenüber befindet. So steht z. B. die Botanik der Assimilation, mit dem die Kette der in der Pflanze und dem Tiere vor sich gehenden Prozesse erst beginnt, noch fast ebenso ratlos gegenüber wie zu den Zeiten Saussures und Liebigs.
Erst in der neuesten Zeit ist es gelungen, auf photochemischem Wege aus Kohlendioxyd und Wasserstoff Kohlenhydrate ohne die Mitwirkung von Chlorophyll synthetisch darzustellen[654]. Ließ man ultraviolettes Licht in Gegenwart von Kaliumhydroxyd auf ein Gemisch von Kohlendioxyd und Wasser wirken, so bildete sich Formaldehyd (CH2O), das man schon vor längerer Zeit als das erste Produkt des Assimilationsprozesses ansprach. Wurde der Versuch in der Weise geändert, daß man die ultravioletten Strahlen auf Kohlendioxyd und Wasserstoff im Entstehungszustande wirken ließ, so entstand bei Gegenwart von Kaliumhydroxyd Zucker, den man ja als ein Polymerisationsprodukt von Formaldehyd betrachten kann (6 CH2O = C6H12O6).
Zwar ist der Vorgang der Assimilation durch diesen Versuch noch nicht in allen seinen Einzelheiten erklärt. Doch ist damit bewiesen, daß wir zu seiner Erklärung nicht etwa eine besondere Fähigkeit der lebenden Substanz in Anspruch zu nehmen brauchen.
Wie die Assimilation so bietet auch der zweite der fundamentalsten Vorgänge des organischen Lebens, die Atmung, noch manches Rätsel, dessen Lösung der Forschung unserer Tage vorbehalten blieb. Zu diesen Problemen gehört das Leben ohne Sauerstoff oder die Anoxybiose. Entzieht man einer lebenden Zelle den Sauerstoff, so wird dadurch der Stoffwechsel keineswegs sofort unterbrochen. Die Zelle spaltet vielmehr wie bei der normalen Atmung als das Endprodukt der in ihrem Inneren stattfindenden Zersetzungen Kohlendioxyd ab, ein Vorgang, den man wohl als intramolekulare Atmung bezeichnet hat. Der Vorgang der Anoxybiose wurde zunächst an den einfachsten Lebewesen studiert. Die neuere Physiologie hat diesen Vorgang durch das ganze Tier- und Pflanzenreich hindurch verfolgen können. Man fand, daß es Parasiten gibt, die normalerweise ohne Zufuhr von Sauerstoff leben.
Zu den Tieren, die eine zeitweilige Entziehung von Sauerstoff ertragen, gehören die Frösche, die sich bekanntlich im Winter im Schlamme der Teiche vergraben. Die noch vor kurzem geltende Annahme, daß diese Tiere einen Sauerstoffvorrat in ihrem Innern aufspeichern, hat sich als hinfällig erwiesen. Die geringe zur Erhaltung des Lebens notwendige Energie wird jedenfalls durch den Zerfall eines Teiles der Körpersubstanz erzeugt. Darauf weist auch die jüngst entdeckte Tatsache hin, daß bei der anoxybiotischen Abscheidung von Kohlendioxyd nur ein Drittel der Wärmemenge erzeugt wird, die sich bei der oxybiotischen Abscheidung der gleichen Menge Kohlendioxyd entwickelt. Den Vorgang der Anoxybiose hat man auch an Organen warmblütiger Tiere, z. B. an der Leber, verfolgen können. Die chemischen und physiologischen Fragen, die sich an diese Untersuchungen anknüpfen, werden jedenfalls den Stoff zu vielen neuen Forschungen darbieten. Und so verhält es sich nicht nur hier, sondern mit jedem anderen Gegenstande und zwar selbst bei solchen, für die schon ein abgeschlossenes Ergebnis vorzuliegen schien. Vertiefen wir uns in ihn von neuem, so erweitern sich zwar unsere Kenntnisse, es tauchen aber auch stets wieder neue Ausblicke und Fragen auf, so daß es dann oft so scheint, als ob die alten Grundlagen schwankend geworden seien. In der Biologie macht sich das um so mehr bemerkbar, als man heute geneigt ist, einer vitalistischen Erklärung der Erscheinungen einen breiteren Spielraum zu gönnen, während man vor kurzem noch ausschließlich der mechanistischen Erklärungsweise huldigte. Dazu kommt die Fortbildung der beschreibenden zur experimentellen Morphologie und der Wechsel in der Bewertung der von Darwin aufgestellten Lehre von der natürlichen Zuchtwahl. Von einer Umwälzung und völligen Neugestaltung der Biologie kann aber trotzdem ebensowenig die Rede sein, wie von einer Umgestaltung der Physik und der Chemie infolge der Entdeckung der radioaktiven Substanzen und der Aufstellung der Theorien, die an jene Entdeckung angeknüpft wurden.
Es zeugt von einer tendenziösen Darstellung der Wissenschaften, wenn es so geschildert wird, als ob ihre Grundlagen ins Wanken geraten seien und unsere Zeit von neuem aufbauen müsse. Die geschichtliche Betrachtung läßt erkennen, daß beispielsweise der Wechsel, der um die Wende des 18. zum 19. Jahrhundert erfolgte, kein geringerer war als der Umschwung, der sich heute geltend macht. Dennoch stellt sich jener Wechsel dem Historiker als ein Weiterbauen und nicht etwa als ein bloßes Niederreißen dar. Ebenso wie in jenem Falle wird dem Geschichtsschreiber einer späteren Zeit dasjenige, was sich heute auf dem Gebiete der Wissenschaften vollzieht, als eine Fortbildung erscheinen, bei dem eins aus dem anderen erwächst.