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Forschungsgeschichte: Der Mechanist

Als Vater der absoluten Temperaturskala und hervorragenden Thermodynamiker kennt man Lord Kelvin of Largs heute. Bei seinen Zeitgenossen machte sich William Thomson vor allem durch die Verlegung des transatlantischen Telegrafenkabels einen Namen.
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Hermann von Helmholtz, selbst herausragender Forscher, schreibt 1855 in einem Brief an seine Frau: "[Thomson] übertrifft alle wissenschaftlichen Größen, welche ich persönlich kennen gelernt habe, an Scharfsinn, Klarheit und Beweglichkeit des Geistes, sodass ich selbst mir stellenweise neben ihm etwas stumpfsinnig erscheine."

Zu diesem Zeitpunkt hatte Thomson die Wärmelehre bereits umgekrempelt. Sein Leben als Erfinder und Ingenieur, das ihm auch in der breiten Öffentlichkeit zu Ruhm und Anerkennung verhelfen sollte, stand jedoch noch bevor.
"Solange ich kein mechanisches Modell dafür bauen kann, habe ich ein Problem nicht vollständig durchdrungen"
Sein mechanistisches Weltbild, das ihm bei seiner Zweitkarriere so sehr zu Gute kommen sollte, war aber nicht ganz unproblematisch: "Solange ich kein mechanisches Modell dafür bauen kann, habe ich ein Problem nicht vollständig durchdrungen", bescheinigte sich Thomson. Und so kam es, dass er zuletzt zum Aufbruch der "Neuen Physik" des frühen 20. Jahrhunderts nichts mehr beizutragen hatte.

Schnelle Karriere

Bereits 1824, mit jugendlichen zehn Jahren, nahm Thomson – bis dahin von seinem Vater, einem Mathematikprofessor, ausgebildet – das naturwissenschaftliche Studium an der Universität Glasgow auf. Als er mit 22 Jahren als Professor für theoretische Physik (natural philosophy) dorthin zurückkehrte, hatte er bereits in London und Paris studiert und seinen Abschluss in Cambridge gemacht. Er hatte unter Pseudonym mathematische Aufsätze über die in Großbritannien verpönte "kontinentale" Mathematik trigonometrischer Reihen veröffentlicht und eine musikalische Gesellschaft mitbegründet – und er hatte Preise im Rudern und in der Physik gewonnen.

Robert Leslie Ellis, einer von Thomsons Prüfern in Cambridge, soll zu einem Kollegen bemerkt haben: "Du und ich, wir sind es gerade wert, seine Schreibfedern in Stand zu halten."

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Lord Kelvin | The Right Honourable Sir William Thomson, First Baron Kelvin of Largs starb am 17. Dezember 1907 im Alter von 83 Jahren auf seinem Landsitz Netherhall bei Largs. Noch heute lebt der Name des bedeutenden Physikers in der Temperaturskala fort.
Thomson lehrte die nächsten 53 Jahre in Glasgow und erforschte dort hauptsächlich die Elektrizität und die Wärme. Er übernahm die aufkommende mechanische Deutungsweise, nach der nicht ein Wärmestoff von einem Gegenstand zu einem anderen floss, sondern sich Wärme durch die Vibration von Molekülen verbreitete. Daraus leitete er unabhängig von Rudolf Clausius eine Variante des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik ab: "Es ist unmöglich [...] mechanische Arbeit zu gewinnen, indem man Materie unter die Temperatur ihrer Umgebung abkühlt." Eine bekanntere Formulierung dieses physikalischen Grundprinzips besagt, dass die Entropie eines geschlossenen Systems niemals abnehmen kann.

Betrachtungen zum Thema Wärme brachten Thomson auch dazu, eine beim absoluten Nullpunkt startende Temperaturskala zu entwickeln, die noch heute unter seinem späteren Namen verwendet wird.
"Absurd, lächerlich, zeitverschwendend und hirnzerstörend"
Darüber hinaus bemühte er sich, auch den Gebrauch anderer Messgrößen zu vereinheitlichen. Das damals herrschende Einheiten-Chaos nannte er "absurd, lächerlich, zeitverschwendend und hirnzerstörend".

Ermöglicht durch präzise Temperaturmessungen, entdeckte Thomson gemeinsam mit Prescott Joule 1852 den Joule-Thomson-Effekt. Dieser tritt auf, wenn sich Gase durch Ausdehnung abkühlen. Das darauf fußende Linde-Verfahren wird heute noch zur Luftverflüssigung genutzt.

Theorie und Praxis

Aber nicht nur Thomsons theoretische Arbeiten hatten nachhaltigen Einfluss. Getreu seinem Motto "Leben und Seele der Wissenschaft ist ihre praktische Anwendung" betätigte er sich selbst als Konstrukteur und sammelte im Laufe seines Lebens etwa siebzig Patente an.
"Leben und Seele der Wissenschaft ist ihre praktische Anwendung"
Viele seiner Erfindungen entstanden aus seiner Beschäftigung mit der Elektrizität: darunter die Thomson-Brücke zur Messung kleiner Widerstände, der Kelvin-Generator, der aus fallenden Wassertropfen Hochspannung erzeugt oder das Spiegel-Galvanometer, das Ströme dadurch misst, dass ein Magnet ausgelenkt wird und seine winzige Bewegung durch einen reflektierten Lichtstrahl sichtbar gemacht wird. Von seinen Erfindungen bis 1900 beschäftigen sich 25 mit elektrischen Messinstrumenten, sechs mit Dynamos und elektrischem Licht und jeweils elf mit Telegrafie und Navigation.

Auf die letzten beiden Themen wurde er aufmerksam, als er zur Verlegung eines unterseeischen Telegrafenkabels zwischen Großbritannien und Nordamerika hinzugezogen wurde. Das Projekt, in dem er zu Beginn nur beratende Funktion hatte, scheiterte zunächst einige Male – unter anderem weil seine Vorschläge ignoriert wurden. Nachdem Thomson schließlich diverse Veränderungen an Material, Verlegungsmethode und Signalübertragung durchgesetzt hatte, war 1866 der fünfte Versuch erfolgreich. Er selbst hatte das Ausbringen des Kabels an Bord der SS Great Eastern, des bei seinem Stapellauf bis dahin größten Dampfschiffes, betreut. Für seine Verdienste wurde er noch im selben Jahr zum Ritter geschlagen.

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William Thomson mit 47 | Ein Bild von William Thomson aus dem Jahr 1871: Damals war er bereits berühmt für seinen Vorschlag, eine absolute Temperaturskala einzuführen und grundlegende Forschungsarbeiten im Bereich der Thermodynamik.
Die See ließ ihn fortan nicht mehr los. Oft war Thomson mit seiner eigenen Yacht Lalla Rookh unterwegs. Er tat sich als ausgezeichneter Navigator hervor und nutzte sein wissenschaftliches Können, um die Navigationsinstrumente der Zeit zu verbessern. So entwickelte er einen leichter gängigen Kompass, der die magnetischen Einflüsse der zunehmend mit Metallteilen versehenen Schiffe kompensierte, außerdem ein Lot, das endlich auch während der Fahrt die Wassertiefe verlässlich bestimmte. Letztere Erfindung war so einfach wie genial: Bisher hatte ein Schiff stoppen müssen, um ein Gewicht an einem Faden auf den Grund herabzulassen. Er ersetzte den Faden schlicht durch eine lange stählerne Klavierseite, die so glatt durchs Wasser schnitt, dass sie auch in voller Fahrt nach unten sank. Darüber hinaus konstruierte er einen Gezeitenrechner: ein Gerät, das aus dem Stand von Sonne und Mond, aus der Erdrotation und einigen anderen Größen für jeden beliebigen Hafen im Voraus die Pegelstände berechnen konnte.

Ein Hoch auf die klassische Physik

So brillant sein Denken in vieler Hinsicht auch war, so undurchdringlich waren seine Vorlesungen. Da er fast immer ohne Konzept oder zumindest schlecht vorbereitet auftrat, machte sein reger Geist auch während des Vortrags noch neue Entdeckungen – denen allerdings außer ihm niemand folgen konnte. Seine Rede vom 27. April 1900 jedoch wurde zum Sinnbild einer Epoche. Dort lobte er vor den Mitgliedern der Royal Institution die allumfassende klassische Physik, an deren Himmel nur noch zwei Wolken zu sehen seien, die sicher bald beseitigt würden: Das Michealson-Morley-Experiment, das darin versagt hatte, den Äther nachzuweisen und die bisher nicht befriedigend erklärbare Strahlungsverteilung eines schwarzen Körpers. Während Thomson wie viele andere überzeugt war, dass nur noch kein ausreichend ausgeklügeltes mechanisches Modell dafür erdacht worden sei, sollten diese Experimente in den folgenden Jahren zum Fundament für Quantenmechanik und Relativitätstheorie werden.

Symptomatisch für die zunehmende Versteifung seines mechanistischen Weltbildes ist auch der Streit um das Alter der Erde. In einer Zeit, in der Geologie auf viktorianischen Teepartys diskutiert wurde und Darwins Evolutionstheorie für Aufsehen sorgte, bewegte viele Menschen die Frage nach dem Alter unseres Planeten. Darwin brauchte für die Entwicklung der Spezies nach eigenen Rechnungen wenigstens 300 Millionen Jahre, wahrscheinlich aber erheblich länger. Thomson gab als wahrscheinlichstes Alter der Erde zunächst 98 Millionen Jahre an, korrigierte diesen Wert aber im Laufe der Zeit immer weiter nach unten.

Seine Rechnungen waren durchaus vernünftig. Es war keine Energiequelle bekannt, welche die die Sonne über viel größere Zeitspannen hätte leuchten lassen können. Und ausgehend von der Annahme, dass die Erde als flüssig-glühender Ball begonnen hatte und seitdem erkaltete, errechnete Thomson folgerichtig seine falschen Abschätzungen. Während Thomson jedoch zu Beginn seiner Laufbahn zugestanden hatte, dass noch unbekannte Phänomene im Erdinneren seine Berechnungen durchaus in Frage stellen könnten, war er später weniger flexibel. 1904 schlug Earnest Rutherford dem alternden Wissenschaftler vor, die neu entdeckte Radioaktivität könnte eventuell genau jenes unbekannte Phänomen sein. Thomson, der mittlerweile das maximale Erdalter auf 24 Millionen Jahre reduziert hatte, zeigte sich freundlich überrascht über Rutherfords Aufmerksamkeit, blieb aber ansonsten vollkommen unbeeindruckt.

Ehre, wem Ehre gebührt

Wie einst Johann Wolfgang von Goethe seine Farblehre, hielt Thomson die Ermittlung des Erdalters für seine wertvollste Errungenschaft – und wird heute dafür ein wenig belächelt. Seine hervorragenden Leistungen als theoretischer Physiker und seine unglaubliche Kreativität als Erfinder wurden jedoch schon zu seinen Lebzeiten bewundernd anerkannt. Und so erhob ihn Queen Victoria 1892 als ersten Wissenschaftler in den erblichen Adelsstand. Thomson wählte seinen Titel nach dem kleinen Bächlein Kelvin, das an seinem Universitätsgebäude in Glasgow vorbei plätscherte.

The Right Honourable Sir William Thomson, First Baron Kelvin of Largs starb schließlich am 17. Dezember 1907 im Alter von 83 Jahren auf seinem Landsitz Netherhall bei Largs. Knapp eine Woche später wurde er in der Westminster Abbey beigesetzt. Dort ruht er neben einem mindestens ebenso großen Physiker Großbritanniens: Sir Isaac Newton.
18.12.2007

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 18.12.2007

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