Als Astronom steht mir naturgemäß das Teleskop sehr nahe. Mit ihm kann man weit entfernte Objekte sichtbar machen. Es wurde zu Beginn des 17. Jahrhunderts in den Niederlanden erfunden – zur gleichen Zeit wurde dort aber auch ein mindestens ebenso wichtiges optisches Instrument entwickelt: das Mikroskop. Damit kann man zwar nicht in die Ferne blicken. Es hat der Wissenschaft trotzdem ein völlig neues Universum eröffnet.

"Wir finden Welten in jedem Staubkorn, in jedem Wassertropfen", schwärmte der Physiker Johann Heinrich Lambert im 18. Jahrhundert. Aber die Optik setzt uns Grenzen bei der Erkundung der Mikrowelt. Nur ein paar hundert Meter von meiner Wohnung in Jena entfernt befindet sich ein schönes Denkmal, auf dem folgende Formel zu lesen ist:

Formel für das Abbe-Limit
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(Ausschnitt)
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Das Denkmal ist dem Physiker Ernst Abbe gewidmet, und die Formel ist das so genannte "Abbe-Limit", mit dem das Auflösungsvermögen eines Mikroskops beschrieben wird. λ ist hier die Wellenlänge des Lichts, mit dem man beobachtet; α ist der Öffnungswinkel des Objektivs und n ein Maß für die Stärke der Ablenkung des Lichts. Sie wird durch das Material verursacht, welches das Licht durchqueren muss. Aus diesen Werten berechnet sich d – der Abstand, der zwischen zwei Objekten im Mikroskop liegen darf, damit man sie gerade noch getrennt voneinander beobachten kann.

Bei einem ganz normalen Mikroskop, das mit sichtbarem Licht arbeitet, kommt man auf ein Auflösungsvermögen von ungefähr 200 Nanometern. Alle kleineren Strukturen können nicht mehr beobachtet werden. Will man mehr sehen, muss man entweder Licht mit geringerer Wellenlänge benutzen oder aber den Brechungsindex erhöhen. Beides wurde probiert, zum Beispiel durch die ebenfalls in Jena entwickelte Mikroskopie mit UV-Licht oder durch die Verwendung von speziellen Ölen, in die die Präparate eingelegt werden, um so das Ausmaß der Lichtbrechung zu verändern.

Aber auch hier stößt man bald an Grenzen. UV-Licht ist unpraktikabel und kann nicht direkt mit den Augen gesehen, sondern nur mit entsprechenden Geräten registriert werden. Die Verwendung von Ölen beeinflusst die Präparate. Abhilfe schafft nur ein Abschied von der klassischen Optik. Stattdessen kann man andere, neuere Technologien verwenden, zum Beispiel ein Elektronenmikroskop. Das bringt aber wieder neue Probleme mit sich: Proben können nur im Vakuum untersucht werden, müssen bestrahlt oder in extrem dünne Scheiben geschnitten werden. Will man lebende Zellen und die in ihnen ablaufenden biologisch-chemischen Prozesse beobachten, dann funktioniert das nicht. Ernst Abbes Limit schien eine unüberwindbare Grenze darzustellen.

Für diejenigen, die diese Grenze am Ende doch überwunden haben, gibt es in Jena kein Denkmal. Dafür haben Eric Betzig, Stefan Hell und William Moerner im Jahr 2014 den Nobelpreis für Chemie erhalten. Sie fanden eine Methode, mit der man Moleküle in äußerst eng begrenzten Bereichen zum Fluoreszieren anregen kann, so dass sie Licht bei ganz bestimmten Wellenlängen abgeben. Damit war es ihnen möglich, Strukturen sichtbar zu machen, die weit unterhalb des Abbe-Limits liegen.

"Die schönsten Gedichte verfasst die Natur für Mikroskope und Teleskope", hat der amerikanische Schriftsteller Theodore Roszak geschrieben. Aber auch wenn man die naturwissenschaftlichen Erkenntnisse der letzten Jahrhunderte weniger poetisch beschreiben wollte: Man käme nicht umhin, die Bedeutung dieser beiden optischen Instrumente entsprechend zu würdigen.

In meiner Heimatstadt Jena ist man sich jedenfalls beider Geräte gleichermaßen bewusst. Carl Zeiß hat hier nicht nur Teleskope gebaut, sondern gemeinsam mit Ernst Abbe auch die Konstruktion von Mikroskopen maßgeblich verbessert. Ihnen gelang es, die optischen Eigenschaften dieser Geräte mathematisch zu beschreiben und so die Produktion zu modernisieren. Abbes Limit hat zwar die Grenzen des Möglichen aufgezeigt, gleichzeitig aber auch das innerhalb dieser Grenzen Mögliche realisierbar gemacht. Und am Ende eine neue Generation von Wissenschaftlern angespornt, diese Grenzen zu durchbrechen.