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Einstein und die Macht des Quanten-Vakuums
Der Wettlauf um die definitive Technologie und die Kontrolle der vier Naturkräfte hat begonnen!
von Carlos Calvet

Aus der Einleitung: Das Vakuum
Bereits die Alten Griechen befassten sich in ihrem "Goldenen Zeitalter" (IV Jahrhundert v. Chr.) mit der Frage, ob es ein Vakuum geben knne - d.h. die vllige Abwesenheit von Luft. Aus diesem Grund fanden die griechischen Naturphilosophen Demokrit und Leukipp es logisch anzunehmen, die Welt wre in Atome und leeren Raum aufgeteilt. Das folgerten sie aus ihrer Annahme, es gbe ein unteilbares Partikel - genannt "Atomus", das in etwa unserem Atom entspricht. Die Abwesenheit solcher Atome entsprche folglich der Absoluten Leere oder dem Vakuum, in dem sich die unteilbaren Partikel frei bewegen knnen.
Aristoteles (384-322 v. Chr.) untersuchte als erster die Gesetzmigkeiten der menschlichen Logik durch eine eingehende Analyse der physikalischen Realitt. Aus diesem Grund lehnte er das Vakuum ab, denn der khnen Logik nach konnte es kein Vakuum geben, da das, ein Zustand "ohne Wiederkehr" wre. Tatschlich knnte man sich vorstellen, den Raum von Teilchen frei zu machen - aber wie bekommen wir dann die Teilchen wieder an ihrem Platz? Die Natur wrde also das Vakuum frchten (horror vacui).
Um seine Ideen zu untermauern, entwickelte Aristoteles zahlreiche Gedankenexperimente. So stellte er sich z. B. vor, ein Stein knne im absoluten Vakuum nicht existieren, da er nicht wsste, wohin er fallen sollte. Da es im Vakuum keine Orientierungsmglichkeit, kein Oben und Unten geben knne, sei die Entstehung des Vakuums unmglich, denn es wrde nach seiner Entstehung fr immer existieren und wir wrden hingegen nicht mehr in unserer Teilchenwelt existieren knnen da diese fr immer verschwunden wre.
Aristoteles beeinflusste fast 2000 Jahre lang die Welt der Wissenschaften und die Religionen mit seinen einleuchtenden Ideen. Von 1450 bis 1600 (Renaissance) verfolgten katholische Knige und Kaiser protestantische und calvinistische Widersacher Aristoteles'. Sehr streng ging ab 1567 der Herzog von Alba (von Phillip II - dem Erfinder der Inquisition - eingesetzt) in den spanischen Niederlanden vor. Er grndete den Rat der Unruhen (vom Volk wegen seiner Blutrnstigkeit auch "Blutsrat" genannt), der insgesamt ca. 12.000 Hinrichtungen befahl. Es war den Wissenschaftlern verboten, auch nur daran zu denken, es knne ein Vakuum geben. Die Verfolgung war hier so hnlich wie bei denen, die an das heliozentrische Weltbild - entgegen der Erde als Mittelpunkt des Universums - glaubten.
Aber schon im 17. Jahrhundert arbeiteten einige Naturforscher wieder daran, ein Vakuum knstlich herzustellen. Als dies bekannt wurde, war es eine groe Sensation und sogar Laien sprachen ber das Vakuum.
Es sollte der italienische Physiker und Mathematiker Evangelista Torricelli (1608-1647) sein, der als erster den groen Durchbruch schaffte. Inspiriert durch die Arbeiten von Galileo, schrieb er eine Abhandlung ber Mechanik - "De Motu", ber die Bewegung). Galileo war so begeistert von diesem Buch, dass er 1641 Torricelli nach Florenz einlud, um ihm in seinen letzten Tagen als Schriftfhrer und Gehilfe zur Seite zu stehen. Er sollte Galileo nur noch drei Monate lang begleiten und bernahm seine Stelle als Mathematiklehrer an der Florentiner Akademie.
Galileo hatte ihm einst vorgeschlagen, mit Flssigkeiten zu experimentieren. So nahm er 1643 ein mit Quecksilber geflltes Rohr, das an einem Ende verschlossen war, und stlpte es kopfber in eine Wanne voller Quecksilber. Das erste Glasrohr, das er nahm, war circa einen Meter lang, und er beobachtete, wie sich am oberen Ende des Rohres ein Vakuum bildete. Das Vakuum entstand wegen des Gewichts des Quecksilbers, als es die Erdanziehungskraft zu Boden drckte. Die Hhe der Quecksilbersule war jedoch unabhngig von der Lnge des Rohres und pendelte sich stets auf eine Hhe von etwa 760 Millimetern ein. Daraus war zu schlieen, dass es zwei Krfte gab, die dieses Resultat ermglichten. Tatschlich schwankte die Hhe der Quecksilbersule leicht von Tag zu Tag und in Abhngigkeit vom Wetter. Bei einem Tiefdruckgebiet sank die Quecksilbersule und bei einem Hoch stieg sie.
Torricelli war es also gelungen, als erster experimentell ein Vakuum herzustellen, und er fand dabei noch, dass es die Luft ber uns ist, die die Quecksilbersule auf den Wert von 760 Millimetern bringt. Er folgerte daraus, dass wir in einem Meer aus Luft eingetaucht leben und dass der Druck, den diese ganze Luft ausbt, sich in der Hhe der Quecksilbersule widerspiegelt. Er erfand nebenbei auerdem das Barometer. Seine Arbeit verffentlichte er aber nicht sofort. Vielleicht, weil er sich ihrer enormen Tragweite nicht bewusst war (inzwischen hatte er sich vom Thema abgewandt und sich in die Berechnung von zykloiden Bewegungen - die Bewegung eines Fixpunktes an einem Rad - vertieft). In seinem 1644 verffentlichten Werk "Opera Geometrica" (ber die Geometrie) erwhnte Torricelli seine Erfahrungen mit bewegten Fluiden und Projektilen. Dabei waren seine geometrischen Entwicklungen sehr ntzlich bei der Berechnung von Integralen.
Torricelli hatte also das Prinzip des horror vacui' widerlegt und die Weiterentwicklung der Wissenschaften somit entgegen dem Aberglauben der damaligen Kirche begnstigt. Er fand, dass die Erzeugung eines Vakuums durch die Existenz von Luft erschwert wird.
Schon bald folgten andere dem Beispiel Torricellis. So der franzsische Physiker und Religionsphilosoph Blaise Pascal (1623-1662), der 1648 den selben Versuch Torricellis in seiner Stadt (Clermont-Ferrand) und auf dem nahe gelegenen, 1465 Meter hohen Berg Puy de Dome durchfhrte. Wie er erwartet hatte, war die Quecksilbersule auf dem Berg niedriger, da dort weniger Luft auf ihr lastete. Der Erfolg brachte Pascal dazu, sich ber diejenigen lustig zu machen, die immer noch an den horror vacui' glaubten - noch Jahre zuvor eine Unmglichkeit.
Er wiederholte den Versuch bei verschiedenen Wetterlagen und bewies, dass feuchte Luft schwerer ist als trockene, da die Quecksilbersule bei feuchtem Wetter mehr Druck anzeigte. Auerdem erfand er den digitalen Rechner, der den mechanischen Rechnern der 40er Jahre hnelte, sowie die Spritze und die Hydraulikpresse - all dies auf der Grundlage seiner Untersuchungen in den Feldern der Geometrie, der Hydrodynamik, des hydrostatischen Drucks und des Luftdrucks. Das Pascalsche Gesetz besagt, dass sich ein Druck in einem Fluidum gleichmig in alle Richtungen ausbreitet. Daraus entwickelte er seine Theorie ber das Druckgleichgewicht in stabilen Systemen, das, in Verbindung mit seinem Doppelvakuumexperiment, ihn dazu fhrte, zu beweisen, dass der Druck, den das Vakuum ausbt, gleich Null ist.
Der Erfolg Torricellis sollte noch viele Andere mit sich ziehen, die alle zusammen eins gemeinsam hatten: die Erforschung der Gase und der Fluide. In dieser Richtung findet sich auch der irische Chemiker und Naturphilosoph, Robert Boyle (1627-1691), der in England lebte. Whrend einer Europareise las er die Werke Galileos und baute zusammen mit Robert Hooke eine Luftpumpe, mit der er die Experimente durchfhrte, die 1662 letztendlich zu seinem Gesetz fhrten. Er fand nmlich heraus, dass bei konstanter Temperatur das Volumen eines Gases sich indirekt proportional zu seinem Druck verhlt, d. h., wenn der Druck steigt, verringert sich das Volumen, und umgekehrt, so dass das Produkt von Druck und Volumen immer konstant ist. (Ich bin immer wieder positiv von den Fhigkeiten von Wissenschaftlern berrascht, die aus einer geringen Menge an Information, eine ganze Gesetzgebung machen knnen - das ist es wahrscheinlich, was einen Wissenschaftler von einem Nicht-Gelehrten unterscheidet. In diesem Fall: Die Vereinigung von zyklischen Vernderungen von Druck und Volumen in Form einer einzigen Zahl - einer Konstante - einfach genial!)
Der franzsische Physiker Edme Mariotte fand das selbe Resultat 1676, so dass dieses Gesetz in Europa auch das Boyle-Mariotte-Gesetz genannt wird.
Boyle verffentlichte ein Jahr vor seinem Gesetz (1661) zudem das Buch "Der skeptische Chemiker", in dem die aristotelische Weltanschauung und die Alchimie angegriffen wurden. Er vertrat die moderne Meinung, Materie knne nicht aus einem Gewirr von verschiedenen Einzelteilen bestehen, sondern nur aus einem einzigen Teilchen (Atom), das in Form von verschiedenartiger Komplexitt im Stande ist, die gesamte Vielfalt an Mineralien und Gesteinen zu erklren. Ab 1668 arbeitete er in London an der Verglhung von Metallen und an der Unterscheidung zwischen Suren und Basen. Sein Gesetz ist generell gltig, obwohl bei hherem Druck das Volumen eines realen Gases nicht so schnell absinkt wie das von theoretischen, perfekten Gasen. Aus diesem Unterschied konnte man spter die kinetische Theorie der Gase ableiten.
Boyle vertrat brigens auch die Meinung, alle Christen mssten Naturwissenschaften erlernen, da Religion und Wissenschaft in Wirklichkeit Eins wren, d. h., man kme durch beide zum selben Schluss. (Und so ist Boyle sozusagen der "Vater" meiner eigenen Einstellung zu diesem Thema!) Andernfalls msse eine der beiden falsch sein. (Auch hier: Was fr ein Weitblick!)
In Magdeburg gab es zur selben Zeit einen Brgermeister Namens Otto von Guericke (1602-1686), der kein Gelehrter, sondern Autodidakt und praktischer Ingenieur war. Er erschuf die erste Entlftungspumpe, die mit einem Kolben arbeitete und im Stande war, ganze Gefe leer zu pumpen. Damit studierte er die Auswirkungen des Vakuums in der Physik und die Abwesenheit von Luft in der Verbrennung und der Atmung. So fasziniert war er von dem Widerstand der Luft, sich aus dem Vakuum heraus zu bewegen, dass er darber sagte: "Das Nichts ist kstlicher als Gold, bar jeden Werdens und Vergehens, es ist erquickender als die Gnade des Lichts, edler als der Knige Blut, dem Himmel gleich, hher als die Sterne, gewaltig wie des Blitzes Strahl", und er hatte gar nicht mal so unrecht, denn, wenn man den Wert der Dinge anhand der Anstrengung bewertet, mit der man sie erreicht, ist der Wert des Vakuums tatschlich unermesslich hoch.
1663 machte Guericke am Hof des Groen Kurfrsten zu Berlin sein wohl berhmtestes Experiment, indem er zwei Blechhalbkugeln zusammenfgte und mit seinen Pumpen leer pumpte. Dann spannte er 30 Pferde an die, so gebildete Kugel, die sie zu beiden Seiten hin aufbrechen sollten. Aber den Pferden war es nicht mglich die beiden Halbkugeln wieder auseinander zu bringen, so sehr sie auch wieherten und schnauften. Guericke erklrte dem erstaunten Publikum, dass es die Luft sei, die er herausgepumpt hatte, die fr diesen Effekt verantwortlich war. Heute wissen wir, dass im Inneren einer solchen Kugel ein Unterdruck entsteht, wenn Luft abgepumpt wird, so dass das Gewicht der Auenluft die Halbkugeln zusammenhlt. Bemerkenswert ist jedoch, dass ein gewaltiger Unterdruck entsteht, nur weil wir ein wenig Luft aus dem Inneren der Kugel entfernt haben. Dieses Thema wird uns noch oft beschftigen, denn es ist auch das Wirkungsprinzip des Quantenvakuums.
Guericke war ein echter Unternehmer und verkaufte seine Luftpumpen, die wahrhaftig technische Meisterleistungen waren. Die Idee der Leere inspirierte Andere, um so wichtige Dinge wie Glhlampen, Leuchtrhren, Thermoskannen, Isolierungen oder auch Bildschirmrhren herzustellen. Die Vakuumtechnik ist auch erforderlich, um z. B. gefriergetrocknete Genussmittel oder knstlichen Schnee herzustellen. Kein Fernseher oder Khlschrank wrde heutzutage auf das Vakuum verzichten knnen und ein groer Teil der Chemie wre ohne es nicht mglich gewesen.
Die Luftpumpen von Guericke wurden schlielich mit einem Hebel ausgestattet und 1663 baute er auerdem noch die erste elektrostatische Maschine, die im Stande war, elektrische Entladungen zu produzieren.
Christiaan Huygens (1629-1695) war ein technischer Physiker aus den Niederlanden, wo sein Vater Rembrandt "entdeckt" hatte. Als Zeitgenosse von Isaac Newton widmete er sich der Astronomie und entdeckte 1656 die Ringe und Monde des Saturn und 1659 Oberflchenstrukturen auf dem Mars. Aber seine physikalische Genialitt war noch viel beeindruckender: 1657 patentierte er die erste Pendeluhr und berechnete die Zentrifugalkraft fr die gleichmige Kreisbewegung. Auch entwickelte er einige der ersten praktischen Vakuumpumpen. 1665 entwickelte er zusammen mit Robert Hooke die Lichtwellentheorie, die im Stande war, selbst die Farbenspiele von Seifenblasen und lflecken auf dem Wasser zu erklren. Die Anwendung seiner Lichtwellentheorie auf die Ausbreitung des Lichts im Vakuum bewies, dass entgegen der ffentlichen Meinung das Vakuum das Licht in keiner Weise beeinflusst, d. h., das Vakuum hat nicht die Konsistenz irgendeines Krpers, wie damals die Leute glaubten.
Der franzsische Mathematiker, Physiker und Erfinder Jacques-Alexandre Charles (1746-1823) baute mit Nicolas und Anne-Jean Robert einen der ersten Wasserstoffballons, in denen er und Nicolas 1783 die erste Fahrt machten. Im Verlauf ihrer Flge stiegen sie bis zu einer Hhe von mehr als 1 1/2 Kilometern auf.
Zuerst arbeitete Charles im franzsischen Finanzministerium, aber dann widmete er sich den Wissenschaften und experimentierte u. A. mit Elektrizitt, erfand ein Hydrometer und ein Reflexionsgoniometer, verbesserte das Heliostat von Gravesande sowie Fahrenheits Aerometer. 1787 fand er ein Gesetz, das besagt, dass das Produkt von Volumen und Temperatur eines Gases, geteilt durch seine jeweilige absolute Temperatur, konstant ist (so ein hnliches Gesetz hatte zuvor auch Boyle gefunden, aber bei konstanter Temperatur). Wenn wir also ein Gas bei konstantem Druck erhitzen, ist das Volumen einer bestimmten Gasmenge proportional zu seiner absoluten Temperatur. Das Gesetz ist gltig bei geringem Druck und hoher Temperatur, stellt einen speziellen Fall der allgemeinen Gesetze der Gase dar und kann, wie einst das Boyle-Gesetz, auch von der kinetischen Theorie der Gase abgeleitet werden, die spter entstand.
Die selbe Gesetzmigkeit fand 1802 Joseph Gay-Lussac, als er die Beziehung zwischen dem Volumen und der Temperatur von Gasen bei gleichmigem Druck erforschte. 1795 wurde Charles als Mitglied der Pariser Wissenschaftsakademie gekrt und somit Physikprofessor, obwohl auch er sich dabei eher den mathematischen Entwicklungen widmete. (Daraus knnte man schlieen, dass die damaligen Wissenschaftler einsahen, dass die Mathematik weit hinter den physikalischen Errungenschaften hinterher humpelte, weswegen sie sich daran machten, sie weiterzuentwickeln. Offenbar kamen die physikalischen Erkenntnisse aus der Natur schneller zum Vorschein als die Mathematik aus den Kpfen der Denker!)
Der englische Chemiker und Physiker John Dalton (1766-1844) war schon mit 12 Jahren Lehrer in Manchester, wo er die meiste Zeit lebte. Seine Karriere begann er 1787 mit der Erkundung des Wetters und er machte bemerkenswerte Beobachtungen ber die Nordlichter, die Passatwinde und die Ursache des Regens. Als Chemiker bestimmte er die Temperatur, bei der das Wasser seine maximale Dichte besitzt (ca. 4 C) und arbeitete auch an der Ursache der Farbenblindheit.
1804 fand Dalton ein Gesetz ber den Teildruck von Gasen in Gasgemischen, so dass der Gesamtdruck die Summe von allen Teildrucken in einem Gemisch mit einem bestimmten Volumen und einer gewissen Temperatur ist (wohl bemerkt ist hier das Volumen eines jeden Gases im Gemisch gleich, denn alle Molekle im Gas knnen sich frei im gesamten Gef bewegen). Das Gesetz ist in ungefhr gltig bei idealen Gasen bei niedrigem Druck und hoher Temperatur und ist u. A. eine Schlussfolgerung der spter entwickelten kinetischen Theorie der Gase. Man sagt auch, er htte zudem festgestellt, dass Gase bei Erhitzung expandieren (eigentlich merkwrdig, dass dies nicht schon zuvor Charles beobachtete, als er sein Gesetz aufstellte, wo doch die Temperatur Volumen und Druck eines Gases verndern konnte!)
Dalton fhrte auch Experimente durch, die die Lslichkeit von Gasen in Wasser sowie die Diffusionsgeschwindigkeit von Gasen zeigten und dabei die konstante Zusammensetzung der Atmosphre bewiesen. Er stellte fest, dass Atome ein relatives Gewicht besitzen und dass sie sich immer in gewissen Proportionen miteinander verbinden. Das erlaubte 1808 die Entwicklung der Atomtheorie der chemischen Reaktionen, die besagt, dass alle Elemente aus kleinen Einzelteilen bestehen, die unter sich identisch sind und nicht chemisch verndert werden knnen. Somit wurde Dalton zu einem der Vter der modernen Teilchenphysik.
Amadeo Avogadro, Frst von Quaregna und Ceretto (1776-1856), verbrachte sein Leben in Turin, Italien, wo er Professor der hohen Physik war. Er war ein Physiker, der die Eigenschaft von Gasen untersuchte, nach der Gase sich in chemischen Reaktionen immer in einer gewissen simplen Proportion verbinden. Das verleitete ihn schlielich dazu, 1811 ein Gesetz zu erstellen, das besagt, dass gleiche Gasvolumina bei gleichen Temperatur- und Druckverhltnissen immer die gleiche Anzahl an Moleklen beinhalten. Zur gleichen Zeit stellte er somit auch fest, dass gasfrmige Elemente wie Wasserstoff, Sauerstoff und Stickstoff als Molekle auftreten, genauer gesagt, als biatomare Molekle, im Gegensatz zu festen Elementen. Seine molekulare Theorie der Gase wurde jedoch erst 1858 anerkannt, als der italienische Chemiker Stanislao Cannizzaro ein logisches System zur Klassifizierung chemischer Elemente erstellte.
Avogadro fand dabei eine Konstante, die besagt, dass sich in jedem Mol-Gramm (also das Atomgewicht des Gases, ausgedrckt in Gramm) die selbe Anzahl an Moleklen befindet, nmlich 6,023 x 1026 Molekle per Kilogramm-Mol. (Wenn das Molekulargewicht des Sauerstoffs 32 ist, dann enthalten 32 Kilogramm Sauerstoff 6,023 x 1026 Molekle.) Diese verblffend einfache Relation ist in ungefhr gltig fr Gase bei geringem Druck und hoher Temperatur und leitet sich, wie auch alle Gasgesetze zuvor und danach, von der kinetischen Theorie der Gase ab.
Eine weitere Konsequenz von Avogadros Gesetz ist, dass ein Mol eines Gases bei Standardbedingungen (0 C, 1 atm) genau 22,4 Liter Volumen hat. Es wurde nun immer klarer, dass die Molekle in den Gasen kleinen Schwingungen ausgesetzt sind, die letztendlich alle uns bekannten Gren (Druck, Volumen, Temperatur) ausmachen.
Joseph Fourier (1768-1830) war ein brillanter franzsischer Mathematiker und befasste sich mit der Wrmeleitung. Er entwickelte dafr partiale Differential-gleichungen, die den Zustand von Wrme im Gleichgewicht und von Wrmeaustausch in Festkrpern festlegten. Bei der Lsung seiner Gleichungen fand er die so genannte Fourier-Serie, eine unendliche Serie von trigonometrischen Gleichungen, die zwischen den internen Bedingungen und den Oberflchenbedingun-gen von Festkrpern unterschieden. Dank seiner hervorragenden Leistungen erhielt er 1810 den Groen Preis der Mathematik des Franzsischen Instituts und verffentlichte 1811 seine, so genannte "Harmonische Analyse".
Joseph-Louis Gay-Lussac (1778-1850) war ein brillanter franzsischer Experimentator. Er fand 1802 eine Beziehung zwischen dem Volumen und der Temperatur von Gasen bei gleich bleibendem Druck. 1808 isolierten Humphry Davy und Gay-Lussac vllig unabhngig voneinander das Element Boron und obwohl Gay-Lussac es als erster isolierte, verffentlichte Davy seine Arbeit zuerst. (Ich glaube aber, dass dies im Prinzip keinen groen Effekt auf die Genialitt von Forschern haben sollte, und denke, dass man heutzutage mit Recht doppelte Entdecker zulsst, wenn man bedenkt, dass es sehr viele Forscher auf allen Gebieten der Wissenschaften gibt und dass das eigentliche Ziel nicht der eigene Nutzen, sondern die Entwicklung der gesamten Wissenschaft sein sollte.)
1808 verffentlichte Gay-Lussac sein Gesetz der Kombinationsvolumina in chemischen Reaktionen von Gasen, das eine logische Schlussfolgerung der Arbeiten von Dalton und Avogadro ist, denn wenn Gase aus Moleklen bestehen und gleiche Mengen gleiche Volumina besitzen, mssen sie auch in einer bestimmten Proportion reagieren.
Gay-Lussac entwickelte zudem noch das Bleikammerverfahren fr die Herstellung von Schwefelsure, das so wichtig ist, dass die heutigen Absorptionstrme von seinen Trmen abstammen. Auerdem erforschte er noch beispielhaft das Element Yod.
Gustave de Coriolis (1792-1843) war ein franzsischer Wissenschaftler und arbeitete mit rotierenden Krpern. Ein rotierender Globus (z. B. die Erde) erzeugt eine Flussrichtung, und es entsteht durch die Zentrifugalkraft eine zweite Kraft, die senkrecht zur Flussrichtung und zur Rotationsachse steht. Das bedeutet, in einem Gewsser wird auf der nrdlichen Halbkugel das Wasser von unten nach oben und auf der sdlichen Halbkugel von oben nach unten gedrckt. Dabei verschiebt sich die Flussrichtung generell nach Osten. Das ist die Grundlage aller groen Luft- und Meeresstrmungen auf der Erde. 1835 beschrieb er die Coriolis-Kraft, die gerade diese Bewegungen bestimmt. Auerdem entwickelte er Gleichungen fr Arbeit und kinetische Energie, die von bewegten Festkrpern abstammen.
Ludwig Eduard Boltzmann (1844-1906) war ein sterreichischer Physiker und Physik- und Mathematikprofessor in Wien, Graz, Mnchen und Leipzig. Sein grter Beitrag war die Entwicklung der statistischen Mechanik und ihre Anwendung auf die Welt der Atome. So erklrte seine Statistik der atomaren Bewegungen, durch die Masse, die Ladung und die Struktur der Materie ihre makroskopischen Eigenschaften wie Viskositt, Wrmeleitfhigkeit und Diffusion.
Er fand 1871 eine klassische Erklrung fr die so genannte "spezifische Dulong-Petit-Wrme", entwickelte 1872 das H-Theorem und fand 1877 die Wahrscheinlichkeitsgleichung fr die Entropie. Demnach war das zweite Gesetz der Thermodynamik (Wrme kann von selbst nur von warmen zu kalten Krpern flieen) nichts weiter als das Resultat der mechanischen Bewegung von Atomen und im Endeffekt eine Statistik. Das thermische Gleichgewicht in einem System wird dadurch erreicht, dass die Materie sich immer mehr dem wahrscheinlichsten Wert nhert, auf dem sie sich schlielich stabilisiert.
Diese Forschungen erlaubten es ihm, den Energieaustausch zwischen verschiedenen Teilen eines Krpers oder Systems bei einer festgelegten Temperatur zu erkunden. Daraus ergab sich wiederum die Einsicht, dass der Mittelwert an Energie, der erforderlich ist, um ein Atom in verschiedene Richtungen zu bewegen, immer gleich ist. Dieser Wert ist eine Konstante, die in Joules pro Grad Kelvin ausgedrckt wird, da die Bewegung eines Atoms eine Temperatur in der makroskopischen Welt darstellt. Die Boltzmann-Konstante hat einen Wert von 1,38062 x 10-23 J/K und findet in der modernen Physik eine weitreichende Anwendung, zusammen mit der Planckschen Konstante und anderen Werten.
1884 leitete Boltzmann das Stefansche Gesetz von schwarzen Krpern ab und 1897 fand er, dass der Elektromagnetismus sich in der Zeit symmetrisch verhlt - d. h., er verndert sich nicht, egal, ob die Zeit vorwrts oder rckwrts luft. Er leitete auch eine Integer-Differenzialgleichung fr die Verteilungsnderungen von kollidierenden Atomen ab und legte die ersten Grundsteine fr die statistische Mechanik sowohl auf klassischer als auch auf quantenmechanischer Ebene. Er sagte also im Endeffekt, dass die Welt der Atome nur auf statistischer Ebene verstanden werden knne, und bereitete somit das Feld fr die kommende Quantenmechanik des Werner Heisenberg vor, die im Prinzip besagt, Quanten sind reine Statistik. Aber erst um 1900 begann man die Arbeit von Boltzmann zu wrdigen, als sich die Atomphysik entwickelte und man Fluktuationen wie die Brownsche Bewegung von Moleklen in einem Fluidum zu erklren vermochte. Diese Phnomene waren offensichtlich statistischer Natur, d. h., die genaue Bewegungsrichtung der Molekle war unvorhersehbar. Somit half Boltzmann auch, den Determinismus abzuschaffen.
Hendrik A. Lorentz (1853-1928) war ein niederlndischer Mathematiker und arbeitete an Berechnungen ber den Elektromagnetismus. So verbesserte er bereits in seiner Doktorarbeit Maxwells elektromagnetische Theorie. Er versuchte die Existenz des thers zu erklren, indem er annahm, dass sich Gegenstnde relativistisch verkleinern (Fitzgerald-Lorentz-Kontraktion) und Uhren langsamer laufen, noch bevor Einstein die Relativittstheorie entwickelte. 1892 stellte er die Hypothese auf, dass Elektrizitt aus geladenen Teilchen entspringe. 1895 entwickelte er die, so genannte Lorentz-Transformation, in der Zeitverlangsamung und Lngenkrzung vereinheitlicht werden. Dazu nahm er an - sicherlich von Poincar beeinflusst, der bereits ahnte, die Lichtgeschwindigkeit sei konstant -, die Lichtgeschwindigkeit sei effektiv fr verschiedene Beobachter konstant und die Transformation von einem Beobachter zum anderen linear (also, regelmig). Es sollten noch mehrere Arbeiten ber die Lorentz-Transformation folgen.
Ferner schlug Lorentz vor, dass Lichtwellen aus der Oszillation von elektrisch geladenen Teilchen in Atomen entstehen. So fand er 1895 z. B. die elektromagnetische Kraft eines geladenen Teilchens.


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