Bis zu seinem am 25. August des Jahres 1822 erfolgten Tode blieb Herschel auf der in der Nähe von Windsor errichteten Sternwarte unermüdlich mit der Durchmusterung des Himmels beschäftigt. Diese Arbeitsstätte verließ er nur, um von Zeit zu Zeit der Royal Society über die Ergebnisse seiner Forschungen, denen wir uns jetzt zuwenden wollen, zu berichten.

Zunächst reihte sich an die Auffindung des Uranus noch manche wertvolle, unser Planetensystem betreffende Beobachtung. So entdeckte Herschel mehrere Trabanten dieses Hauptplaneten, sowie den ersten und den zweiten Mond des Saturn. Für diesen Planeten hatte Huygens zuerst das Vorhandensein eines Trabanten, und zwar des sechsten, nachgewiesen. Die gleichfalls von Huygens entdeckten weißen Flecke an den Marspolen fand Herschel abhängig von den Jahreszeiten des Mars, für den er eine an irdische Verhältnisse erinnernde Beschaffenheit nachzuweisen suchte414. Während schon Cassini imstande war, die Rotationszeit des Jupiter aus der Beobachtung gewisser Flecken dieses Planeten zu ermitteln, gelang erst Herschel die Lösung der gleichen Aufgabe für den Saturn415.

Zum Zentralkörper unseres Systems übergehend, suchte Herschel sowohl dessen physische Natur als dessen Bewegung und Stellung im Weltraum zu bestimmen. Seine Theorie über die Beschaffenheit des Sonnenkörpers, welche er auf die Beobachtung der Flecken gründete, hat jedoch die Mitte des 19. Jahrhunderts nicht überlebt. Herschel verließ nämlich die alte, heute wieder als richtig geltende Ansicht, daß wir es in der Sonne mit einem Körper von sehr hoher Temperatur zu tun haben. Er nahm an, daß sie aus einem festen, nicht leuchtenden, vielleicht bewohnbaren Kern bestehe, der von einer durchsichtigen Atmosphäre und einer darüber befindlichen lichtspendenden Photosphäre umgeben sei. Herschels Theorie gemäß entsteht ein Sonnenfleck, indem jene Photosphäre infolge aufsteigender Dämpfe zerreißt und der dunkle Körper der Sonne zum Vorschein kommt.

Da es gelungen war, an den Fixsternen eine Eigenbewegung nachzuweisen, so lag der Gedanke nahe, daß auch unsere Sonne mit all' ihren Planeten, Monden und Kometen eine nach einem bestimmten Punkte des Himmels gerichtete Bewegung besitze. Eine solche würde ein scheinbares Auseinanderweichen der in der Richtung dieser Bewegung befindlichen Fixsterne, sowie ein Zusammenrücken der Sterne in der Nähe des entgegengesetzten Himmelspunktes zur Folge haben. Es gelang Herschel417, derartige Veränderungen, die ein Fortschreiten des Sonnensystems erkennen lassen und sich mit den wirklichen Eigenbewegungen der Fixsterne kombinieren, nachzuweisen. Der von ihm ermittelte Punkt, dem sich die Sonne nähert, liegt im Sternbilde des Herkules. Obgleich die Größe der Sonnenbewegung wahrscheinlich mehrere tausend Meilen in der Stunde beträgt, werden doch noch lange Zeiträume verfließen, bis der vielleicht um einen weit entfernten Schwerpunkt erfolgende Umlauf unseres Zentralkörpers erkannt sein wird.

Eng verknüpft mit dem Problem der Sonnenbewegung ist der gleichfalls von Herschel erbrachte Nachweis, daß die von den früheren Astronomen für nur scheinbar benachbart gehaltenen Doppelsterne, wirklich zusammengehören und binäre Systeme bilden. Herschel hat nicht weniger als 846 Doppelsterne katalogisiert. Spätere Forschungen haben ergeben, daß die Bewegung innerhalb solcher binären Systeme nach dem Gravitationsgesetz erfolgt, das damit erst als das wahre Weltgesetz erkannt war.

Bislang hatte man die Fixsterne wenigstens so betrachtet, als ob sie über die Fläche einer Kugel verteilt wären. Seit Herschel beginnt die Astronomie sich mit der räumlichen Verteilung dieser Weltkörper zu beschäftigen. Schon vor ihm hatte die Milchstraße und die Anordnung der außerhalb der Milchstraße befindlichen Sterne das Nachdenken eines Kant418 erregt. Jedoch erst Herschel setzte an die Stelle bloßer Vermutungen den auf systematisch angestellten Beobachtungen, seinen sogenannten Aichungen, gegründeten Nachweis, daß die deutlich sichtbaren Sterne samt der Milchstraße – ein Komplex von etwa 20 Millionen Weltkörpern – einen linsenförmigen Haufen bilden und daß die Sonne sich etwas außerhalb der Mitte jenes Haufens befindet. Diesen Nachweis lieferte er in einer »Über den Bau des Himmels« betitelten Schrift419.

Messiers etwa 100 Nummern enthaltendes Verzeichnis von Nebelflecken und Sternhaufen veranlaßte Herschel, sein zwanzigfüßiges Spiegelteleskop von 12 Zoll Öffnung auf diese Himmelskörper zu richten. Dabei sah er zu seiner größten Freude, daß die meisten Nebelflecken der Stärke seines Instrumentes unterlagen und in Sterne aufgelöst wurden. Es ergab sich, daß sie entweder nichts als lauter Sterne sind. Oder sie enthielten wenigstens Sterne. Den in Messiers Verzeichnis420 erwähnten »Nebelfleck ohne Stern«, der sich nahe dem Haupthaar der Berenice befindet, erblickte Herschel als einen Haufen dicht gedrängter Sterne. »Es ist dies«, sagt Herschel, »einer der schönsten Gegenstände, die ich mich erinnere, am Himmel gesehen zu haben. Der Haufen erscheint unter der Gestalt einer Kugel aus kleinen, in einen einzigen Lichtglanz zusammengedrängten Sternen samt einer Anzahl, die ringsum stehen und in der Hauptmasse deutlich zu unterscheiden sind« (siehe Abbildung 50).

Als Herschel seine Beobachtungen begann, vermutete er, daß manche Nebelflecken noch unentdeckt geblieben seien. Er gab sich daher der Hoffnung hin, zu den von Messier verzeichneten 100 Sternhaufen und Nebelflecken eine schätzbare Zugabe liefern zu können. Der Erfolg bewies, daß seine Erwartungen begründet waren. Während Halley nur sechs Nebel kannte und Messiers Verzeichnis, wie erwähnt, nur etwa 100 Nummern enthielt, wurden in den Jahren 1786 bis 1802 von Herschel nahezu 2500 Nebelflecke katalogisiert, beschrieben und gezeichnet. Eine Fortsetzung dieser Studien verdanken wir Herschels Sohn John, der auf einer Expedition nach dem Kap der guten Hoffnung422 eine fast ebenso große Zahl von Nebelflecken am südlichen Himmel entdeckte.

Die mühevollen Studien über die Nebelflecken führten Herschel zu der Erkenntnis, daß auch die Milchstraße nichts anderes als eine Schicht von Fixsternen ist, innerhalb deren sich die Sonne, wenn auch nicht genau im Mittelpunkte, befindet. Es läßt sich dies nach Herschel aus der Gestalt der Milchstraße entnehmen, die sich in einem größten Kreise um den gesamten Himmel ziehen muß, wenn sich die Sonne innerhalb dieser Sternenschicht befindet. Nehmen wir mit Herschel an, eine Anzahl Sterne sei zwischen zwei, in einem gegebenen Abstande einander parallel laufenden, weit ausgedehnten Ebenen angeordnet, so wird ein Beobachter, der sich irgendwo innerhalb einer solchen Schicht befindet, sämtliche zu ihr gehörigen Sterne in einem großen Kreise sehen. Letzterer wird nach Maßgabe der Anhäufung der Sterne sich mehr oder weniger hell zeigen, während es scheinen wird, als ob die übrigen Gegenden des Himmels nur mit Sternbildern bestreut wären. So würde ein Auge bei S (siehe Abb. 51) innerhalb der Schicht ab die in der Richtung des Verlaufes der Schicht befindlichen Sterne als einen hellen Kreis ABCD sehen, während die Sterne an den Seiten mv, nw über den übrigen Teil des Himmels bei MVNW zerstreut erscheinen würden.

Stände der Beobachter irgendwo außerhalb der Schicht, so würde die Schicht die Gestalt einer Scheibe annehmen, die nach Maßgabe der Entfernung des Beobachters mehr oder weniger groß sein würde. Und nähme dieser Abstand über alles Maß zu, so müßte die ganze Sternenschicht zuletzt in einen lichten Fleck zusammenschrumpfen.

Nehmen wir nun weiter mit Herschel an, daß eine kleinere Schicht aus der ersteren nach einer bestimmten Richtung hin ausläuft und gleichfalls von zwei parallelen Ebenen, die sich ins Unbestimmte ausdehnen, eingeschlossen ist. Befindet sich der Beobachter in der großen Schicht irgendwo in der Nähe der Abzweigung, dann wird diese zweite Schicht nicht einen Kreis darstellen, sondern wie ein lichter Zweig erscheinen, der von dem Kreise ausgeht und in einer gewissen Entfernung wieder zu ihm zurückkehrt. So werden in Abb. 51 die Sterne in der kleinen Schicht pq in einem hellen Bogen PRRP gesehen werden, der nach der Absonderung vom Kreise sich mit ihm wieder vereinigt.

Aus dem Bilde, das uns die Milchstraße bietet, folgerte Herschel deshalb, daß sich die Sonne in einer großen Fixsternschicht nicht fern von der Stelle befinde, von der eine kleinere Schicht als ein Zweig der größeren ausläuft.

Anfangs hielt Herschel sämtliche Nebelflecke für Sternhaufen. Als er jedoch auch deutliche Sterne entdeckte, die von einem Nebel umgeben sind, der offenbar zu dem Sterne in Beziehung steht, nahm er an, daß es sich hier um leuchtende Gasmassen handele, die auch, ohne einen Stern zu umschließen, existieren und der Urstoff für die Bildung neuer Himmelskörper seien. Dementsprechend glaubte er, in dem Zustande, den uns der Fixsternhimmel gegenwärtig darbietet, sämtliche Stufen des Weltbildungsprozesses nachweisen zu können. Spätere, insbesondere spektroskopische Forschungen haben die Richtigkeit dieser kühnen Schlüsse dargetan.

Die Betrachtungen, welche Herschel über die Abmessungen des mit seinem Teleskop durchforschten Raumes anstellte, lieferten den Nachweis, daß das Licht, um von den entferntesten Objekten des Himmels zu uns zu gelangen, viele tausend Jahre gebraucht, so daß unsere Teleskope nicht allein den Raum, sondern auch die Zeit durchdringen. Anknüpfend an die von Herschel erhaltenen Ergebnisse konnte deshalb Humboldt424 wohl sagen, daß das Licht der fernsten Weltkörper das älteste sinnliche Zeugnis von dem Dasein der Materie sei.

Als zur Jahrhundertfeier der Uranusentdeckung eine Biographie Herschels425 erschien, wurde darin mit Recht hervorgehoben, daß an Herschels Ansicht über den Bau des Himmels nur wenig zu ändern gewesen sei. »Jede astronomische Entdeckung«, heißt es dort426, »und jede gut beobachtete physikalische Tatsache gibt Material für die Ausarbeitung der Einzelheiten oder für die Verbesserung untergeordneter Punkte dieser Ansicht. Als wissenschaftliche Auffassung ist sie vielleicht die großartigste, die jemals der menschliche Geist gewonnen hat.«

Den Ansichten, die fast gleichzeitig Herschel und Laplace und vor ihnen schon Kant über die Entstehung der Welt entwickelten, ist der Gedanke gemeinsam, daß die Gestirne, die sich die früheren Zeitalter aus ganz besonderem Stoff gebildet dachten, in materieller Hinsicht untereinander und von der Erde nicht wesentlich verschieden sind. Dieses Ergebnis einer denkenden Naturbetrachtung sollte nicht nur durch die spätere spektroskopische Untersuchung, sondern auch durch die noch im Zeitalter von Herschel und Laplace erfolgte richtige Deutung der Meteoriten ihre Bestätigung finden.

Nachrichten über vom Himmel gefallene Stein- und Eisenmassen reichen bis ins graue Altertum zurück, ohne daß dadurch bis gegen das 18. Jahrhundert das wissenschaftliche Interesse rege geworden wäre. Um die Mitte jenes Zeitabschnitts waren zwei auffallende Tatsachen zu verzeichnen. Der Sibirien bereisende deutsche Naturforscher Pallas entdeckte 1749 in der Nähe des Jenissei eine 1600 Pfund schwere Eisenmasse, deren Beschaffenheit darauf hinwies, daß man es in ihr mit einem Naturerzeugnis zu tun habe427. Ferner hatte in Agram im Jahre 1751 einer der am besten beglaubigten Meteoreisenfälle428 stattgefunden. Das dort gefallene Stück war ausgegraben und dem Wiener Naturalienkabinet einverleibt worden. Der Leiter dieses Instituts wies jedoch die Meinung, daß die Masse überhaupt gefallen sei, mit Spott zurück. Seiner Ansicht nach sollte sich das Eisen unter dem Einfluß der atmosphärischen Elektrizität aus Bestandteilen des Bodens gebildet haben.

In einer 1794 erschienenen Abhandlung wagte es der deutsche Physiker Chladni, im Gegensatz zu allen gelehrten Zeitgenossen, für die Feuerkugeln einen kosmischen Ursprung zu behaupten und die von Pallas429 entdeckte und ähnliche Eisenmassen als den Stoff solcher niedergefallenen Feuerkugeln in Anspruch zu nehmen.

Chladni wies zunächst auf folgende, gut beobachteten und wissenschaftlich erörterten Meteorsteinfälle des 18. Jahrhunderts hin.

Am 17. Mai 1719 erschien eine Feuerkugel in England430; sie durchlief 300 Meilen in einer Minute und zersprang mit einem Getöse, bei welchem Türen, Fenster und ganze Häuser erschüttert wurden.

Am 11. November 1761 sah man eine Feuerkugel431 in Frankreich; sie zersprang mit heftigem Getöse in viele kleine Stücke; manche Personen glaubten Feuer neben sich gesehen zu haben. Ein Stück ist432 in ein Haus gefallen und hat dieses entzündet.

Am 23. Juli 1762 wurde eine Feuerkugel, die Silberschlag in seiner »Theorie der am 23. Juli 1762 erschienenen Feuerkugel, Magdeburg 1764« beschrieb433, ungefähr senkrecht über der Gegend zwischen Leipzig und Zeitz in Gestalt eines kleinen Sternes sichtbar. Sie nahm an scheinbarer Größe zu, ging über Wittenberg und Potsdam und zersprang einige Meilen hinter Potsdam mit einem lauten Knall. Ihr Licht ist sehr weiß gewesen und hat einen Umfang von wenigstens 60 deutschen Meilen erleuchtet. Die Höhe war im Beginn der Beobachtung etwa 19 und beim Zerspringen über 4 Meilen.

Chladni wies die früheren Erklärungsarten, nach denen man es in den Meteoren mit elektrischen Entladungen, mit brennbaren gasförmigen Anhäufungen, kurz mit Erscheinungen irdischen Ursprungs zu tun hätte, als unvereinbar mit den von ihm zusammengestellten Befunden zurück. Nach Chladnis heute keinen Widerspruch mehr findenden Meinung sind unzählige kleine Massen, die zu keinem größeren Weltkörper in unmittelbarer Beziehung stehen, im Weltraume zerstreut. Sie bewegen sich, durch Wurfkräfte oder Anziehung getrieben, so lange fort, bis sie der Erde oder einem anderen Weltkörper nahekommen und, von ihrer Anziehungskraft ergriffen, darauf niederfallen. Bei ihrer schnellen Bewegung muß infolge der heftigen Reibung mit der Atmosphäre eine sehr starke Hitze erzeugt werden, wodurch sie in Gluthitze geraten und Dämpfe im Innern entwickeln, welche die Masse zum Zerspringen bringen.

Die Frage, wie diese Massen entstanden oder in einen solch isolierten Zustand gekommen sind, wäre, meint Chladni, dasselbe wie die Frage nach der Entstehung der Weltkörper. Man müsse doch entweder annehmen, daß die Weltkörper, abgesehen von Revolutionen auf ihrer Oberfläche, immer das gewesen sind und sein werden, was sie jetzt sind, oder daß es Kräfte gäbe, die imstande seien, Weltkörper und ganze Weltsysteme zu bilden, zu zerstören und aus ihrem Stoffe wieder neue hervorzubringen. Für diese Meinung sprächen wohl mehr Gründe als für die erstere. Ein solches Entstehen der Weltkörper ließe sich aber wohl nicht anders denken, als daß entweder materielle Teile, die vorher zerstreut gewesen sind, sich durch die Anziehungskraft zu großen Massen angehäuft hätten, oder daß eine Zerstückelung einer größeren Masse stattgefunden habe.

Die isoliert gebliebenen Massen müßten ihre Bewegung durch den Weltraum fortsetzen, bis sie von der Anziehung eines Weltkörpers ergriffen würden und die Erscheinungen der Feuerkugeln hervorriefen.

Die gleiche Entstehung nahm Chladni für die von Pallas und anderen Reisenden gefundenen Eisenmassen in Anspruch. Eine solche 300 Zentner schwere Masse war z. B. im südlichen Amerika gefunden worden, und zwar an einer Stelle, wo in einem Umkreise von 100 Meilen keine Eisenerze, ja nicht einmal Steine anzutreffen sind.

Chladni wies nach, daß diese Eisenmassen weder auf nassem Wege, noch durch die Wirkung des Blitzes entstanden sein könnten, auch nicht vulkanischen Ursprungs seien. Es sei merkwürdig, meint er, daß das Eisen der Hauptbestandteil der bisher gefundenen Meteoriten sei. Man könne daher vermuten, daß das Eisen hauptsächlich zur Bildung der Weltkörper beigetragen habe434. Auch sei wahrscheinlich, daß die anderen, in manchen herabgefallenen Massen enthaltenen Stoffe, wie Schwefel, Kieselerde, Bittererde usw. nicht unserer Erde allein eigen seien, sondern zu den Stoffen gezählt werden müßten, die sich an der Bildung der Weltkörper beteiligt hätten435.

Chladni wurde zunächst mit Hohn überschüttet. Die französische Akademie sprach sich trotz aller gut beglaubigten Fälle dahin aus, daß die Nachrichten über derartige Naturerscheinungen in das Gebiet der Fabel zu verweisen seien. Sie wurde indes sehr bald durch die Tatsachen selbst eines Besseren belehrt. In der Normandie ereignete sich nämlich am 26. April des Jahres 1803 ein großer Steinfall, der von hunderten beobachtet und von den Abgesandten der Akademie selbst in seinen Einzelheiten festgestellt wurde436. Die Ausführungen Chladnis wurden darauf allgemein als richtig anerkannt. Ja, man ging jetzt so weit, daß man sich die Weltkörper durch die Anhäufung von Meteoriten entstanden dachte437.

Die chemische Analyse war weit genug fortgeschritten, um an den Meteoriten unter der Voraussetzung ihres kosmischen Ursprungs den Nachweis zu führen, daß außerhalb der Erde befindlicher Weltstoff in seiner elementaren Zusammensetzung mit der irdischen Materie übereinstimmt. So entdeckte man438, daß das Meteoreisen stets mehr oder weniger Nickel (bis zu 35%) enthält, und lernte den Gehalt an diesem Metall, sowie die beim Anätzen auftretenden Widmannstättenschen Figuren (von Widmannstätten 1808 entdeckt; er druckte mit den geätzten Flächen die Figuren naturgetreu ab)439 als besondere Eigentümlichkeit des Meteoreisens kennen. Nachdem man neben Nickel auch Kobalt und Kupfer darin aufgefunden hatte, wurden durch eine Arbeit, die Berzelius über die Meteoriten veröffentlichte, sechs neue Elemente in ihnen nachgewiesen; es waren dies Phosphor, Kohlenstoff, Silizium, Magnesium, Zinn und Mangan. Spätere Untersuchungen haben die Zahl der Bestandteile, die sämtlich mit irdischen Grundstoffen übereinstimmen, noch vermehrt.

Was Chladni für die Meteoriten leistete, gelang zwei anderen Deutschen namens Benzenberg440 und Brandes441 hinsichtlich der Sternschnuppen. Durch gleichzeitig an verschiedenen Orten angestellte Beobachtungen gelang es ihnen, auch für diese Phänomene, die man bis dahin auf schweflige Dünste oder brennbare Gase zurückgeführt hatte, einen kosmischen Ursprung nachzuweisen. Benzenberg und Brandes beobachteten Sternschnuppenfälle von den Endpunkten einer 27000 Pariser Fuß langen Standlinie. Indem sie den Ort und die Zeit des Verschwindens genau anmerkten, vermochten sie in vielen Fällen die Identität der beobachteten Erscheinungen nachzuweisen und aus den gewonnenen Daten planetarische Geschwindigkeiten, sowie auf einen kosmischen Ursprung hinweisende Höhen zu ermitteln442.

War es in der vorhergehenden Periode durch Bradleys Entdeckung der Aberration gelungen, einen sinnlichen Beweis für die Bewegung der Erde um die Sonne zu erbringen, so vermochte Benzenberg einen solchen Nachweis auch für die Rotation zu führen. Bekanntlich lautete einer der Scheingründe gegen die koppernikanische Weltansicht dahin, ein frei fallender Körper müsse, weil die Erde sich unter ihm fortbewege, einen westlich von seinem Ausgangspunkt gelegenen Ort treffen. Newton wies im Jahre 1679 darauf hin, daß bei dem freien Fall infolge des Beharrungsvermögens und der größeren Geschwindigkeit in tangentialer Richtung, welche der Körper zu Beginn der Fallbewegung besitzt, im Gegenteil eine östliche Abweichung zu erwarten sei. Die Royal Society beschloß durch genaue Fallversuche Newtons Annahme auf ihre Richtigkeit zu prüfen. Da man jedoch mit zu geringen Höhen experimentierte, verlief die Angelegenheit ergebnislos. Es dauerte länger als ein Jahrhundert, bis neue Untersuchungen und zwar mit besserem Erfolge angestellt wurden. Dies geschah durch Guglielmini in Bologna in einem Turme, der schon den Fallversuchen Ricciolis443 gedient hatte.

Guglielmini444 wählte diesen Turm, weil sein Inneres für derartige Versuche wie gemacht war und sich darin Fallhöhen von 240 Par. Fuß erreichen ließen. Die Versuche erforderten manche Vorsichtsmaßregel, da jeder Luftzug, sowie Erschütterungen des Gebäudes oder der Kugel selbst im Augenblicke des Loslassens ausgeschlossen sein mußten. Guglielminis Versuche, über welche Benzenberg eingehend berichtet, sind zwar ein schöner Beweis unermüdlicher Ausdauer, sie ließen auch deutlich eine östliche Abweichung erkennen, trotzdem waren sie noch nicht so frei von Fehlern, daß sie eine genügende Übereinstimmung zwischen der Theorie und der Beobachtung erkennen ließen. Mit großer Spannung sah die gelehrte Welt einer endgültigen Entscheidung der von Guglielmini wieder angeregten, Jahrhunderte alten Frage entgegen. Diese Entscheidung brachten unabhängig voneinander zwei deutsche Physiker Benzenberg und Reich.

Den Nachweis der von der Theorie geforderten Abweichung führte Benzenberg durch seine 1802 im Michaelisturm zu Hamburg, sowie in einem rheinischen Kohlenschachte angestellten Fallversuche445. Bei einer Höhe von 235, beziehungsweise 262 Fuß ergab sich eine deutliche Abweichung von mehreren Linien. Die zu dem gleichen Zwecke angestellten Versuche446 Reichs zeigten bei einer Fallhöhe von 488 Fuß eine östliche, der Theorie ihrer Größe nach genau entsprechende Abweichung von 12,6 Linien.

Die Astronomie war in dieser von uns nach Laplace und Herschel benannten Periode noch wesentlich Himmelsmechanik. Für ein Studium der Himmelskörper, das über die Fragen nach der Form, der Verteilung und der Bewegung hinausging, fehlten noch fast alle physikalischen und chemischen Grundlagen. Sie erwuchsen erst im 19. Jahrhundert auf den Gebieten der Wärmelehre und der Optik. Erst nachdem wir auf diesen Gebieten die weitere Entwicklung verfolgt haben, können wir zur Astronomie zurückkehren und ihre Ausgestaltung zu einer kosmischen Physik und Chemie verfolgen.

17. Die Grundlagen der mechanischen Wärmetheorie.

Die Neubegründung der Chemie durch Lavoisier, sowie die Entdeckung der galvanischen Elektrizität und ihrer hauptsächlichsten Wirkungen waren Umwälzungen und Erweiterungen von solcher Bedeutung, daß sie wohl imstande waren, eine neue Epoche zu eröffnen. Letztere ist unter anderem auch dadurch gekennzeichnet, daß die Physik und die Chemie, seitdem man den Zusammenhang zwischen chemischen Vorgängen und elektrischen Erscheinungen erkannt hatte, in immer engere Fühlung traten. Dies hatte eine Fülle von grundlegenden Entdeckungen zur Folge, die uns in den nächsten Abschnitten beschäftigen sollen, Entdeckungen, auf denen die um die Mitte des 19. Jahrhunderts entstehende großartige Konzeption von der Einheit der Kraft, sowie unsere heutigen Vorstellungen von dem Wesen der Materie in erster Linie beruhen. Im engsten Anschluß an diesen Fortschritt erwuchsen ferner Theorien, die sich zu einem bleibenden Besitz der Wissenschaft entwickelt haben. Diese Theorien betrafen insbesondere die Wärmelehre und die Optik, Gebiete, auf denen die frühere Lehre von den Imponderabilien durch eine auf mechanischen Grundlagen fußende Erklärung ersetzt wurde.

Die Vorstellung, daß wir es in der Wärme nicht mit einem Stoff, sondern mit einer Bewegung der kleinsten Teilchen zu tun haben, begegnet uns schon im Beginn des 18. Jahrhunderts447. Die ersten, für die seit der Mitte des 19. Jahrhunderts zur Herrschaft gelangende, mechanische Theorie der Wärme als grundlegend zu betrachtenden Versuche und Folgerungen gehören indes jener Zeit an, in welcher gegen das Ende des 18. Jahrhunderts der hier geschilderte großartige Aufschwung der Chemie und der Physik beginnt. Am erfolgreichsten nach dieser Richtung waren die Bemühungen Rumfords448.

Rumford wurde 1753 in Nordamerika geboren. Er stand während des Befreiungskampfes auf englischer Seite und kam 1776 nach London. Rumford war ein sehr geschickter, wissenschaftlich und praktisch gleich hervorragender Mensch, der besonders durch sein Bemühen, im Kriegswesen und im sozialen Leben Neuerungen einzuführen, überall die Aufmerksamkeit der Machthaber auf sich lenkte. Eine Reihe von Jahren war Rumford in Bayern tätig. Er richtete dort Werkstätten ein, brachte es bis zum Kriegsminister und wurde schließlich in Anerkennung seiner Verdienste in den Grafenstand erhoben. 1800 rief er in London die Royal Institution ins Leben. Einige Jahre später siedelte er nach Paris über. Dort heiratete er die Witwe Lavoisiers, deren Salon den Sammelpunkt der gelehrten Welt bildete. Von Bonaparte, zu dessen großen Zügen seine Vorliebe für die Wissenschaft und seine Achtung gegenüber ihren Vertretern gehören, wurde auch Rumford mit Auszeichnung behandelt. Er starb in Paris im Jahre 1814.

Rumford wiederholte zunächst den schon von Boyle angestellten, gegen die Stoffnatur der Wärme gedeuteten Wägungsversuch. Er setzte zwei Flaschen, die gleiche Mengen Quecksilber und Wasser enthielten, genau ins Gleichgewicht, während die Temperatur der Umgebung 61° betrug. Das Ganze wurde dann in ein Zimmer gebracht, das eine Temperatur von 34° besaß. Obgleich die spezifische Wärme des Wassers etwa 30mal so groß ist wie diejenige des Quecksilbers, das Wasser also eine viel größere Wärmemenge abgegeben hatte, zeigte sich nicht der geringste Ausschlag449.

Wollte man trotzdem an der stofflichen Beschaffenheit der Wärme festhalten, so mußte man wenigstens annehmen, daß ein isoliertes System von Körpern nicht beständig der Umgebung Wärme mitteilen kann, ohne allmählich erschöpft zu werden. Indem Rumford durch den Versuch bewies, daß durch gegenseitige Reibung zweier Körper unbegrenzte Wärmemengen erzeugt werden können, entzog er der soeben erwähnten Voraussetzung von der stofflichen Natur der Wärme den Boden. Über diesen berühmt gewordenen Versuch berichtet Rumford der Royal Society im Jahre 1798450. »Da ich seit kurzem«, beginnt er, »die Oberaufsicht beim Kanonenbohren im Zeughause zu München hatte, so überraschte mich der beträchtliche Wärmegrad, den eine Kanone in kurzer Zeit beim Bohren erhält.« Wäre die spezifische Wärme der Späne eine geringere als diejenige des zusammenhängenden Metalles, so hätte man das Auftreten der Wärme auf einen solchen Unterschied der Kapazitäten zurückführen können. Der Versuch ergab jedoch, daß Stücke und feine Spänchen eines Metalles dieselbe spezifische Wärme besitzen. Brachte man nämlich gleiche Mengen der Spänchen und der Stücke, welche auf die Temperatur des kochenden Wassers erhitzt waren, in gleiche Mengen kalten Wassers, so erfuhr das letztere in beiden Fällen dieselbe Temperaturerhöhung.

Da chemische Vorgänge, sowie irgend welche Zuleitung von Wärme bei den Bohrversuchen ausgeschlossen waren, so blieb nichts anderes übrig, als die Ursache der Wärmeentwicklung in der Bewegung zu erblicken. Die weiteren Versuche bezweckten den Nachweis, daß diese Wärmequelle nicht versiegt, solange die Bewegung dauert. Hieran schloß sich schon das erste Aufdämmern der Erkenntnis, daß einem gewissen Aufwand an Arbeit eine bestimmte Menge erzeugter Wärme entspricht. Rumford ließ nämlich einen aus Kanonenmetall bestehenden Zylinder von 112,13 Pfund Gewicht in einem Kasten (Abb. 53) rotieren, der 18,77 Pfund Wasser enthielt. Wurde die Drehung, bei der ein stumpfer eiserner Bohrer m n gegen das Metall gepreßt wurde, durch die Kraft eines Pferdes bewerkstelligt, so kochte das Wasser nach 2 Stunden und 30 Minuten. »Die Überraschung und das Staunen der Umstehenden, solch eine Wassermasse ohne Feuer zum Kochen gebracht zu sehen, war über alle Beschreibung groß«, heißt es in dem Berichte Rumfords451. Die Rechnung ergab, daß die ganze Menge der erzeugten Wärme, die sich auf das Wasser und die Metallstücke verteilte, hinreichend war, um 26,58 Pfund eiskalten Wassers zum Sieden zu bringen, ungerechnet diejenige Wärme, die während des Versuches verloren ging. Diese Wärmemenge entspricht nach Rumford einer Pferdekraft. Da nach Watt die letztere imstande ist, 33 000 Pfund in der Minute einen Fuß hoch zu heben, so würde eine weitere Berechnung gezeigt haben, daß diejenige Wärme, die ein Pfund Wasser um 1° erwärmt, einer mechanischen Leistung von 1034 Fußpfund entspricht. Spätere, genauere Untersuchungen, welche der Engländer Joule anstellte, haben für dieses Äquivalent den Wert von 772 Fußpfund ergeben. Der beträchtliche Unterschied wird daraus erklärlich, daß Rumford die Verluste nicht in Rechnung zog, und daß bezüglich des Arbeitsaufwandes nur eine rohe Annäherung an die von Watt als eine Pferdekraft bestimmte Größe vorlag.

Von gleicher Beweiskraft für die Immaterialität der Wärme wie der Rumfordsche Versuch war ein von Davy angestelltes Experiment. In seinen 1799 veröffentlichten452 »Untersuchungen über Wärme, Licht und Atmung« teilte dieser Forscher mit, daß er bei 29° Fahrenheit, also einer unter dem Gefrierpunkt liegenden Temperatur, zwei an Stäben befestigte Eisstücke durch gegenseitige Reibung zum Schmelzen gebracht habe453. Obgleich die Wärmekapazität des Schmelzwassers größer ist als diejenige von Eis, zeigte das erhaltene Wasser dennoch eine Temperatur von 35° Fahrenheit. Auch Davy schloß hieraus, daß die Wärme kein Stoff, sondern eine unmittelbare Folge der Bewegung sei. Er dachte sich die Materie von zwei Kräften, der Anziehung und der Abstoßung, beherrscht. Die Erscheinungen der Wärme rühren nach Davy, dessen Vorstellungen sich im wesentlichen mit den heute geltenden Anschauungen decken, von einer besonderen Bewegung der Körperteilchen her. Alle festen Körper werden durch heftiges Reiben ausgedehnt, indem ihre Teilchen in schwingende Bewegung kommen und sich voneinander entfernen. Die verschiedenen Aggregatszustände werden gleichfalls ganz im Sinne der neueren Physik aus dem Verhältnis zwischen Anziehung und Abstoßung erklärt. Je nachdem die erstere oder die letztere überwiegt oder beide nahezu gleich sind, ist der Körper fest, gasförmig oder flüssig. Die Abstoßung kann durch chemische Vorgänge oder durch Mitteilung des Bewegungszustandes benachbarter Körper erregt werden. In letzterem Falle ist die Bewegungsgröße, die der eine Körper gewinnt, genau gleich derjenigen, welche der andere verliert.

Davy gehört zu jenen Vorläufern von Mayer, Joule und Helmholtz, die von der Allgemeingültigkeit des Prinzips von der Erhaltung der Kraft schon eine deutliche Ahnung hatten. Dafür zeugt auch sein Ausspruch: »Es läßt sich keine erhabenere Vorstellung von den Bewegungen der Materie gewinnen, als daß die verschiedenen Arten der Bewegung sich fortwährend ineinander umwandeln.«

Rumford und Davy waren jedoch ihrer Zeit vorausgeeilt. Die von ihnen entwickelte Lehre sollte erst um die Mitte des 19. Jahrhunderts durch die zuerst genannten Männer erneuert und fortentwickelt werden.

Die weitere Entwicklung der Prinzipien der Thermodynamik knüpft besonders an Entdeckungen an, die man über das Verhalten der Gase bei Temperatur- und Volumenveränderungen und über die Beziehungen zwischen beiden machte.

Gegen das Ende des 18. Jahrhunderts wurden die Physiker darauf aufmerksam, daß zusammengepreßte Luft bei ihrer Ausdehnung sich abkühlt. Man entdeckte diese Tatsache, als man die Luft aus einer Windbüchse gegen ein Thermometer strömen ließ und dabei ein Fallen des Quecksilbers beobachtete454. Auch glaubte man hieraus die niedrige Temperatur auf hohen Bergen erklären zu können. Dies war allerdings in dieser Allgemeinheit ein Fehlschluß, da die Abkühlung nur im Augenblicke der Verdünnung und im Zusammenhange mit einer mechanischen Leistung auftritt, mit diesem mechanischen Vorgange also in engster Beziehung steht. Verdünnte Luft ist also nicht etwa an sich kälter als dichtere. Dagegen hat die Meteorologie die Temperaturänderungen aufsteigender und niedersinkender Luftmassen zur Erklärung mancher Witterungserscheinung verwerten können. Ein welch wesentlicher Faktor mit der neuen Erkenntnis gewonnen war, läßt sich daraus ermessen, daß die Abkühlung für trockene aufsteigende Luft bei 100 Metern Steighöhe sich schon auf einen Grad beläuft. Niedersinkende Luft erfährt eine entsprechende Temperaturzunahme, und diese Wärmeschwankungen sind wieder für den relativen Feuchtigkeitsgehalt der Luft bedingend.

Systematische Untersuchungen über die bei der Verdünnung und der Ausdehnung der Luft eintretenden Wärmeschwankungen stellte zuerst Dalton455 an, doch war er weit davon entfernt, sie auf ihre wahre Ursache zurückzuführen. Er glaubte nämlich, dichtere Luft besitze eine geringere Wärmekapazität als verdünnte. Eine solche Annahme mußte auf den sonderbaren Schluß führen, daß dem Vakuum die größte Wärmekapazität zukomme. Um dieselbe Zeit, als Dalton seine Versuche bekannt gab, wurde die gelehrte Welt in hohem Grade durch die Entdeckung überrascht, daß durch eine plötzliche Verdichtung der Luft Stoffe, wie der Zündschwamm, auf die Entzündungstemperatur gebracht werden können456. Die Annahme Daltons, daß diese Erscheinung auf eine Änderung der Wärmekapazität zurückzuführen sei, wurde durch einen entscheidenden Versuch Gay-Lussacs widerlegt. Nebenbei bemerkt, hatte man bei den Versuchen Rumfords auch zuerst an eine Änderung der Wärmekapazität gedacht457. Gay-Lussac stellte den erwähnten Versuch in folgender Weise an. Der Behälter A sei mit einem Gas gefüllt, B sei evakuiert. Stellt man nun zwischen beiden Behältern eine Verbindung her, so verdoppelt das Gas sein Volumen. Gay-Lussac erwartete, eine Abkühlung eintreten zu sehen und war überrascht, daß im ganzen keine Temperaturveränderung stattfand458. Der nach B überströmende Teil des Gases wurde nämlich um ebenso viel erwärmt, wie der in A zurückbleibende abgekühlt wurde. Die spezifische Wärme oder die Wärmekapazität konnte sich also durch die Volumvergrößerung nicht geändert haben.

Da die Ausdehnung eines Gases unter Wärmeverbrauch vor sich geht, so mußte man mehr Wärme zuführen, um das Gas auf eine bestimmte Temperatur zu erhitzen, wenn die Erwärmung unter gleichzeitiger Ausdehnung erfolgte, als wenn sie bei konstantem Volumen vor sich ging. In letzterem Falle nahm mit der Erwähnung der Druck des eingeschlossenen Gases zu.

Es galt nun zu untersuchen, ob sich für diese zunächst nur nach ihrer qualitativen Natur erkannte Eigenart der Gase auch eine quantitative Beziehung finden läßt, d. h. ob der Wärmeverbrauch bei konstantem Druck und einer entsprechenden Ausdehnung des Gases und der Wärmeverbrauch bei konstantem Volumen in einem bestimmten Verhältnis stehen. Ohne hier näher auf den Gang der Untersuchung einzugehen, sei bemerkt, daß man dies Verhältnis der spezifischen Wärme bei konstantem Druck zur spezifischen Wärme bei konstantem Volumen gleich etwa 1,4 : 1 ermittelte. So erhielt man für die damals als permanent betrachteten Gase folgende Werte:

Die übrigen Gase zeigten für dieses Verhältnis etwas niedrigere Werte, z. B.

Es gelang erst einer späteren Periode, den Mehrbedarf an Wärme mit der Arbeit in Beziehung zu bringen, welche das Gas leistet, wenn es sich unter konstantem Druck ausdehnt. Wir werden sehen, wie Robert Mayer aus dem Wert 1,421 das Wärmeäquivalent berechnete. Die weitere Entwicklung der Thermodynamik wurde bis Mayer am meisten dadurch gehindert, daß man an der alten Stofftheorie festhielt. Man dachte sich die ihr Volumen »ändernden Körper« ähnlich einem Schwamm, der beim Zusammenpressen den Wärmestoff von sich gibt und ihn bei seiner Ausdehnung wieder aufsaugt459. Auch Carnot, mit dessen Verdiensten um die Begründung der Thermodynamik wir uns in einem späteren Abschnitt beschäftigen werden, hielt an der Stofftheorie fest, vermittelte aber durch seine Arbeit den Übergang zu der durch Mayer, Joule und Helmholtz gewonnenen Einsicht in die Umwandlungsfähigkeit von Wärme und Arbeit.

18. Fortschritte der Optik und Sieg der Wellentheorie.

Daß die Teile des Spektrums nicht nur hinsichtlich der Wärmewirkung, wie Herschel nachgewiesen, sondern auch hinsichtlich des chemischen Verhaltens große Unterschiede zeigen, war schon durch Scheele nachgewiesen worden. Dieser brachte in das Spektrum ein Stück Papier, das er mit Chlorsilber überzogen hatte. Von dieser Substanz wußte man, daß sie am Lichte allmählich geschwärzt wird. Scheele bemerkte460, daß das Chlorsilber im Violett weit eher schwarz wird als in den anderen Farben. Dieser einfache Versuch läßt sich als der Anfang der heute so hoch entwickelten Spektralphotographie betrachten. Die Analogie des von Scheele erhaltenen Befundes mit den Ergebnissen Herschels trat noch deutlicher hervor, als 1801 das Vorkommen von chemisch wirksamen Strahlen über das Violett hinaus nachgewiesen wurde461. Auch in diesem Falle ergab sich, daß das Maximum der Wirkung jenseits des sichtbaren Teiles gelegen ist, da die Zersetzung des Chlorsilbers hier energischer als im Violett selbst vor sich geht. Die ultravioletten Strahlen wurden daher seit der Zeit auch wohl als chemische Strahlen bezeichnet.

Wieder ein Jahr später (1802) wurde die Kenntnis von der Beschaffenheit des Spektrums um eine Entdeckung von der allergrößten Tragweite bereichert. Der Engländer Wollaston462, der sich gleichfalls um den Nachweis der ultravioletten Strahlen verdient gemacht hat, bemerkte, daß das hinter einem feinen Spalt erzeugte Sonnenspektrum vom zahlreichen dunklen Linien durchzogen ist463. Wie diese Entdeckung von Fraunhofer erneuert und zur Grundlage der Spektralanalyse gemacht wurde, soll in einem späteren Abschnitt gezeigt werden.

In diesem Zeitraum, in welchem die Optik um so manchen wichtigen Fortschritt bereichert wurde, sollte auch der alte, an die Namen Newton und Huygens sich knüpfende Streit über das Wesen des Lichtes zu gunsten der von letzterem vertretenen Theorie entschieden und damit in die Lehre von den Imponderabilien eine zweite Bresche gelegt werden. Der erste Angriff auf die Emanationstheorie erfolgte im Vaterlande Newtons durch Young464, welcher die von Hooke begonnene und von Newton fortgesetzte Untersuchung der Farben dünner Blättchen wieder aufnahm.

Jene Folge von hellen und dunklen Streifen oder Ringen, die Newton im gleichartigen Lichte beobachtet hatte, ohne dafür eine Erklärung finden zu können, die mehr als eine bloße Umschreibung war, führte Young auf das Zusammentreffen der von der ersten und zweiten begrenzenden Fläche zurückgeworfenen Strahlen zurück. Er bezeichnete diese Erscheinung mit dem noch jetzt dafür gebräuchlichen Namen als Interferenz und suchte darzutun, daß ein Hinzufügen von Licht zu Licht in ähnlicher Weise Dunkelheit zur Folge haben könne, wie durch das Zusammentreffen von gleichen aber entgegengesetzten Bewegungen, z. B. Schwingungen verschiedener Phase, Ruhe entsteht.

Young gelang sogar der Nachweis, daß die Interferenz sich auch auf den unsichtbaren, ultravioletten Teil des Spektrums erstreckt. Er erreichte dies durch folgende Versuchsanordnung465. Der ultraviolette Teil des Spektrums wurde auf eine dünne, zur Erzeugung der farbigen Ringe geeignete Schicht geworfen und von den begrenzenden Flächen so reflektiert, daß der unsichtbare Reflex auf ein mit Silberlösung getränktes Papier fiel. Nach einiger Zeit entstanden auf letzterem die bekannten dunklen Ringe. Das dieser Erscheinung zugrunde liegende Prinzip der Interferenz sprach Young in folgenden Worten aus466: »Wenn zwei Wellen verschiedenen Ursprungs sich in gleicher oder in nahezu gleicher Richtung fortpflanzen, so besteht ihre Gesamtwirkung in der Vereinigung der einer jeden entsprechenden Bewegung.«

Die Bewegungen, welche das Licht zur Folge haben, geschehen nach Young in einem dünnen, außerordentlich elastischen Äther, der das Weltall erfüllt. Die Verschiedenheit der Farben erklärt Young aus der Häufigkeit der Schwingungen, welche durch jene Bewegung des Äthers in der Netzhaut erzeugt werden. Letztere denkt er sich aus drei verschiedenartigen, die Empfindung der drei Grundfarben vermittelnden Nervenelementen zusammengesetzt. Die Erregung der einen Art von Fasern soll demgemäß die Empfindung Rot, die der zweiten die Empfindung Grün zur Folge haben, während die dritte Art vorzugsweise durch das violette Licht gereizt werden soll. So wird z. B. homogenes rotes Licht die rotempfindenden Nervenfasern stark erregen, während es auf die beiden anderen Arten nur eine schwache Wirkung ausübt. Werden alle drei Arten in gleicher Stärke getroffen, so entsteht der Eindruck Weiß. Diese Lehre Youngs wurde später von Helmholtz wieder aufgenommen und eingehender begründet467.

Wie das Licht so wird auch die strahlende Wärme nach Young auf die Bewegung des Äthers zurückgeführt. Nach ihm unterscheiden sich die Wärmeschwingungen einzig durch ihre Länge und die ihnen zukommende Schwingungszahl von den Lichtschwingungen. Die wesentlichste Schwäche der von Young entwickelten Lehre bestand in der schon von Huygens gemachten Annahme, die schwingende Bewegung erfolge longitudinal, d. h. in der Fortpflanzungsrichtung. Daß eine solche Annahme die ursprüngliche war, ist begreiflich, da man zu einer Wellentheorie des Lichtes gelangte, indem man die Licht- und die Schallerscheinungen als analoge Vorgänge betrachtete. Der Schall war aber schon längst auf longitudinale Schwingungen der Luftteilchen zurückgeführt.

Jene Schwäche der von Young entwickelten Lehre trat besonders zutage, als Malus die Polarisation durch Reflexion entdeckte. Wird ein Lichtstrahl reflektiert oder gebrochen, so werden bekanntlich seine physikalischen Eigenschaften im allgemeinen nicht geändert, sondern er verhält sich geradeso, als ob er von dem leuchtenden Körper käme. Bei der Brechung findet zwar in der Regel eine Zerlegung des zusammengesetzten Lichtes statt, doch besitzt jede der erhaltenen Komponenten ihre konstante Eigenschaft, was schon Newton dadurch nachwies, daß er aus diesen Komponenten den weißen Strahl in seiner früheren Beschaffenheit wieder zusammensetzte. Von dieser Eigenschaft des gewöhnlichen Lichtes gänzlich abweichend ist dagegen, wie auch Newton erkannte, das Verhalten eines Lichtstrahls, welcher die zu Newtons Zeiten an dem Kalkspat entdeckte Doppelbrechung erlitten hat. Die erhaltenen Strahlen gehen nämlich bei einer bestimmten Lage durch einen zweiten Kalkspatkristall hindurch, ohne wieder zerlegt zu werden, während bei einer anderen Lage des zweiten Kristalles eine nochmalige Teilung stattfindet. Hieran knüpfte Newton die Bemerkung, ein solcher Lichtstrahl möge wohl verschiedene Seiten besitzen, die mit voneinander abweichenden Eigenschaften begabt seien468.

Nahezu ein Jahrhundert sollte es dauern, bis ein Zufall lehrte, daß derartiges polarisiertes Licht keine vereinzelte, nur an gewissen Mineralien auftretende Erscheinung ist. Es war im Jahre 1808, als der französische Physiker Malus469 eines Tages durch einen isländischen Doppelspat nach den von der untergehenden Sonne beleuchteten Fenstern des Palais du Luxembourg blickte. Malus drehte den Kristall und nahm dabei zu seinem Erstaunen wahr, daß die Bilder, welche dieser lieferte, abwechselnd ihre Stärke veränderten. Zuerst dachte er an eine Beeinflussung des Sonnenlichtes bei seinem Durchgang durch die Atmosphäre. Später erkannte er jedoch, daß in diesem Falle die Reflexion die einzige Ursache der Polarisation des Lichtes ist470. Malus fand, daß unter einem bestimmten, von der Natur des reflektierten Stoffes abhängigen Winkel die Polarisation in solchem Grade stattfindet, daß von den Doppelbildern, welche der Kalkspat liefert, das eine bei einer gewissen Lage des Kalkspats verschwindet. Diese Versuche vermochte Young aus seiner Lehre infolge der erwähnten Schwäche nicht zu erklären, worüber Malus, ein unerschütterlicher Anhänger der Emissionstheorie, große Freude empfand471.

Die endgültige Beseitigung dieser Theorie gelang erst dem Franzosen Fresnel472. Fresnel begann seine optischen Untersuchungen im Jahre 1815. Noch im selben Jahre veröffentlichte er eine Arbeit, die mit einem Preise gekrönt wurde. Sie handelte von der Beugung des Lichtes473. Schon in dieser Abhandlung erklärte Fresnel die bei der Beugung auftretenden Fransen aus der Undulationstheorie des Lichtes. »Man begreift leicht«, heißt es in jener Schrift, »daß die Schwingungen zweier Lichtstrahlen, die sich unter einem sehr kleinen Winkel kreuzen, einander aufheben können. Und zwar geschieht dies, wenn die Knoten des einen Strahles mit den Schwingungsbäuchen des anderen zusammenfallen.« Aus der in diesen Worten ausgesprochenen Theorie der Interferenz erklärte Fresnel auch die Farben dünner Blättchen. Von ausschlaggebender Bedeutung waren seine Interferenzversuche mit polarisiertem Licht. Sie zeigten, daß zwei polarisierte Strahlen nur dann interferieren, wenn ihre Polarisationsebenen parallel zu einander sind. Lagen die Polarisationsebenen senkrecht zu einander, so traten keine Interferenzerscheinungen ein. Dies Verhalten war mit der Annahme longitudinaler Schwingungen des Äthers nicht vereinbar. Es läßt sich aber leicht begreifen, wenn man voraussetzt, daß das Licht in transversalen Ätherschwingungen besteht. Unter dieser Annahme können nämlich benachbarte Strahlen, wenn ihre Schwingungen in zwei zueinander senkrecht stehenden Ebenen erfolgen, sich nicht gegenseitig beeinflussen. Zu der Theorie, daß das Licht in transversalen Schwingungen des Äthers bestehe, gelangte Fresnel um 1820. In ihren allgemeinen Grundzügen hat er diese Theorie im Jahre 1823 entwickelt474.

In der Fassung, welche Fresnel der Undulationstheorie verliehen, ist sie in den Besitz der Wissenschaft übergegangen. Ihre Herrschaft erschien um so mehr gesichert, als es gelang, nicht nur die später entdeckten Erscheinungen aus dieser Theorie zu deuten, sondern sogar Vorgänge zu beschreiben, deren Stattfinden erst spätere Versuche dargetan haben475.

Die von Young und Fresnel entwickelten theoretischen Anschauungen erhielten eine wertvolle Stütze durch die analytischen Untersuchungen über die Wellenbewegung, welche der bedeutende französische Mathematiker Cauchy anstellte. Schon im Jahre 1815 hatte dieser für eine Arbeit über die »Theorie der Wellen« den großen Preis der Akademie erhalten. Seit dem Jahre 1829 hat er zahlreiche Beiträge zur Befestigung der Wellentheorie des Lichtes geliefert. Bis dahin war es nicht gelungen, die Dispersion aus dieser Theorie zu folgern. Den Grund erkannte Fresnel darin, daß der Einfluß der Körpermoleküle auf den Äther noch zu berücksichtigen blieb. Cauchy gelang es, diese Lücke auszufüllen und damit den Schlußstein in die Undulationstheorie zu fügen. Indem er das Verhältnis der Wellenlänge zum Abstand der Ätherteilchen berücksichtigte, gelangte er zu einem Ausdruck für die Geschwindigkeit des Lichtes, der für verschiedenfarbiges Licht eine verschieden große Brechung ergab. Cauchy setzte bei seiner Ableitung voraus, daß das Licht sich in optisch dichteren Mitteln mit geringerer Geschwindigkeit fortpflanze. Foucaults experimenteller Nachweis, daß dies wirklich zutrifft476, sowie Fraunhofers Messungen der Wellenlängen477 haben Cauchys Annahme bestätigt und somit zur weiteren Befestigung der theoretischen Optik beigetragen.

Während der ersten Hälfte des 19. Jahrhunderts begann sich der umgestaltende Einfluß, den die Dampfkraft auf die Entwicklung des Verkehrs und der Gewerbe gewinnen sollte, mehr und mehr geltend zu machen. Es kann daher nicht Wunder nehmen, daß sich die Physiker mit der bewegenden Kraft der Wärme eingehender beschäftigten. So entstanden im Beginn der zwanziger Jahre Carnots epochemachende Betrachtungen über die bewegende Kraft des Feuers478, in denen dieser Forscher als ein Vorläufer von R. Mayer, Joule und Helmholtz, den Begründern der mechanischen Wärmetheorie, erscheint.

Sadi Carnot wurde 1796 in Paris als Sohn des großen Revolutionsmannes geboren. Er war Zögling der École polytechnique und gehörte später der Armee als Genieoffizier an. Die Abhandlung, welche uns beschäftigt, ist die einzige abgerundete Arbeit, die Carnot veröffentlicht hat. Er starb in noch jugendlichem Alter (1832). Carnot machte darauf aufmerksam, daß die Erzeugung von Bewegung bei den Wärmemaschinen stets an eine Wiederherstellung des Gleichgewichts der Wärme gebunden ist, d. h. an einen Übergang der Wärme von einem Körper mit mehr oder weniger erhöhter Temperatur auf einen anderen, dessen Temperatur niedriger ist. Bei einer in Tätigkeit befindlichen Dampfmaschine z. B. durchdringt die in der Feuerung durch Verbrennung entwickelte Wärme die Wände des Kessels und erzeugt den Dampf; dieser nimmt die Wärme mit sich, führt sie zum Zylinder, wo sie irgend einen Dienst tut und von dort in den Kondensator. In letzter Linie bemächtigt sich daher das kalte Wasser des Kondensators der durch die Verbrennung erzeugten Wärme.

»Überall, wo ein Temperaturunterschied besteht,« sagt Carnot, »und wo daher die Wiederherstellung des Gleichgewichts der Wärme eintritt, kann auch die Erzeugung von bewegender Kraft stattfinden. Der Wasserdampf ist ein Mittel, aber er ist nicht das einzige; alle Stoffe können zu diesem Zwecke benutzt werden. Alle sind fähig, Zusammenziehung und Ausdehnung durch den Wechsel von Kälte und Wärme zu erfahren. Bei diesen Volumänderungen vermögen die Körper bestimmte Widerstände zu überwinden und auf diese Weise bewegende Kraft zu entwickeln. Ein fester Körper, beispielsweise ein Metallstab, vermehrt und vermindert seine Länge, wenn er abwechselnd erwärmt und abgekühlt wird, und vermag Körper zu bewegen, die an seinen Enden befestigt sind. Eine gasförmige Flüssigkeit kann durch Temperaturänderungen erhebliche Änderungen des Volumens erfahren. Wenn sie sich in einem mit einem Kolben versehenen Zylinder befindet, kann sie ausgedehnte Bewegungen hervorbringen. Die Dämpfe aller Stoffe vermögen denselben Dienst zu leisten wie der Wasserdampf.«

Aber, auch umgekehrt sei es stets möglich, wo man eine Bewegung anwende, Temperaturunterschiede entstehen zu lassen. So seien der Stoß und die Reibung Mittel, die Temperatur der Körper zu erhöhen. Bei dem geschilderten Ausgleich dachte Carnot zunächst nur an eine Bewegung der Wärme, deren materielle Natur er noch voraussetzte. Er hat jedoch, wie aus seinem Nachlaß hervorgeht479, später die Annahme einer Konstanz der Wärme aufgegeben und sogar das mechanische Wärmeäquivalent ziemlich genau bestimmt480. Zu den Grundlagen der mechanischen Wärmetheorie gehört vor allem Carnots Konzeption des Kreisprozesses. Carnot geht von der Tatsache aus, daß die Temperatur eines Gases zunimmt, wenn es zusammengedrückt wird, daß sie dagegen fällt, wenn man das Gas rasch ausdehnt. Will man daher ein Gas nach dem Zusammendrücken auf seine ursprüngliche Temperatur zurückführen, so muß man ihm Wärme entziehen. Ebenso kann man bei der Ausdehnung eines Gases seine Temperaturerniedrigung vermeiden, wenn man ihm eine bestimmte Menge Wärme zuführt.