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Grundriß der Naturphilosophie

Wilhelm Ostwald: Grundriß der Naturphilosophie - Kapitel 6
Quellenangabe
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typetractate
authorWilhelm Ostwald
titleGrundriß der Naturphilosophie
publisherVerlag von Philipp Reclam jun.
seriesBücher der Naturwissenschaft
volume1. Band
printrunDritte neu bearbeitete Auflage
editorSiegmund Günther
year1919
firstpub1908
correctorreuters@abc.de
senderwww.gaga.net
created201111201
projectid0533046f
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Dritter Teil.

Die Arbeitswissenschaften.

 

42. Allgemeines.

Die Spezialisierung des Objektes war in den Ordnungswissenschaften von dem denkbar allgemeinsten Dingbegriff, der kein anderes Kennzeichen als seine Unterscheidbarkeit von anderen Dingen besitzt, so weit gegangen, daß ein räumlich und zeitlich bestimmter Gegenstand in seinen Bewegungen verfolgt wurde. Dieser Gegenstand war allerdings nur dadurch bestimmt, daß er einen bestimmten Raum einnahm und demgemäß eine bestimmte Gestalt hatte; weitere Kennzeichen hat das Raumgebilde der Geometrie und Phoronomie in der Tat nicht aufzuweisen.

Hier treten nun die Arbeits- oder physischen Wissenschaften eine nach der anderen in ihr Recht und füllen den bloßen Raum des geometrischen Gebildes mit bestimmten Eigenschaften aus. Es sind dies die sekundären Qualitäten Lockes, von denen er annahm, daß sie nicht sowohl den Körpern selbst angehören, als vielmehr durch die Beschaffenheit der menschlichen Sinnesorgane uns nur so erscheinen, wie wir sie wahrnehmen. Gegenwärtig, wo wir über die Natur jener Eigenschaften, sowie über die Einrichtung unserer Sinnesorgane viel eingehendere Auskunft haben, besitzen wir auch bestimmtere Vorstellungen über den subjektiven Anteil der entsprechenden Erfahrungen und können ihn weitgehend von dem objektiven scheiden.

Alle Eigenschaften, welche wir an den physischen Gebilden zum Unterschiede von den geometrischen feststellen, lassen sich auf einen Grundbegriff zurückführen, der im Verein mit den im vorigen Kapitel erörterten Begriffen zur Kennzeichnung und Unterscheidung dieser Gebilde dient. Daß wir gleichgroße Würfel beispielsweise von verschiedenem Material, verschiedener Temperatur, verschiedenem Beleuchtungszustande usw. voneinander zu unterscheiden vermögen, läßt sich jedesmal und durchgängig darauf zurückführen, daß in dem betrachteten geometrischen Raume sich verschiedene Arten der Energie oder Arbeit im allgemeinen Sinne betätigen. Der Energiebegriff spielt daher für die physischen Wissenschaften ungefähr dieselbe Rolle, wie der Dingbegriff für die formalen, und in seiner allseitigen Kenntnis und Entwicklung besteht das Wesentliche dieses neuen Wissensgebietes. Entsprechend dieser Bedeutung ist er daher auch in einzelnen Formen längst bekannt und angewendet gewesen; die systematische Grundlegung aber des ganzen Wissensgebietes gehört erst der neuesten Zeit an.

 

43. Die Mechanik.

Die traditionelle Trennung der Mechanik in die Statik oder die Lehre vom Gleichgewicht und die Dynamik oder die Lehre von der Bewegung ist in neuerer Zeit oft beanstandet worden, da sie nicht dem Wesen der Sache entspräche, indem das Gleichgewicht nur der Grenzfall der Bewegung sei. Andererseits beruhen die klassischen Darstellungen dieser Wissenschaft auf jener Einteilung, so daß sie immerhin einen wesentlichen Unterschied ausdrücken muß. Diesen Unterschied lehrt die Anwendung des Energiebegriffes auf die Mechanik klar erkennen. Danach ist die Statik die Lehre von der Arbeit oder Lagenenergie und die Dynamik die Lehre von der lebendigen Kraft oder Bewegungsenergie.

Unter Arbeit im mechanischen Sinne versteht man den Aufwand, der für die Ortsbewegung physischer Körper erforderlich ist. Während geometrisch ein Würfel aus Blei mit einem gleichgroßen Würfel aus Glas gleich ist, erfahren wir eine große Verschiedenheit zwischen beiden, wenn wir sie etwa vom Fußboden auf den Tisch befördern wollen; wir nennen den bleiernen Würfel schwerer als den gläsernen, und finden, daß es mehr Arbeit kostet, den ersteren auf den Tisch zu heben, als den letzteren. Dies Urteil wird aus psychologischen Gründen besonders deutlich, wenn etwa der bleierne Würfel an der Grenze unserer Leistungsfähigkeit steht.

Die Arbeit ist nicht nur von der eben gekennzeichneten Verschiedenheit abhängig, sondern auch von der Strecke, durch welche wir eine derartige Leistung ausführen; sie nimmt zu in dem Maße, als die Strecke länger wird. In der Mechanik wird die Arbeit proportional der Strecke, und außerdem proportional jener besonderen Beschaffenheit gesetzt, die wir in dem angegebenen Beispiele das Gewicht nennen. Doch ist für jene Eigenschaft im mechanischen Sinne ein allgemeinerer Begriff gebildet worden, den man Kraft nennt, und von dem das Gewicht nur einen Sonderfall darstellt. Jedesmal, wenn mit einer Ortsveränderung ein Widerstand verbunden ist, sprechen wir von einer Kraft, und das Produkt aus Kraft und Weg nennen wir Arbeit.

Die Ursache dieser Art der Begriffsbildung liegt in folgendem. Es gibt eine große Anzahl verschiedener Maschinen, welche alle die Eigenschaft haben, daß man an einer bestimmten Stelle Arbeit in sie hineinsteckt, und an einer anderen Stelle aus ihnen entnehmen kann. Die Erfahrung einer ganzen Reihe von Jahrhunderten hat nun gezeigt, daß es auf keine Weise möglich ist, aus derartigen mechanischen Maschinen mehr Arbeit zu gewinnen, als man in sie hineingebracht hat. Vielmehr ist die erhaltene Arbeit stets kleiner, als die hineingebrachte, und nähert sich bei zunehmender Vervollkommnung der Maschine der Gleichheit. Für solche ideale Maschinen gilt somit das Gesetz von der Erhaltung der Arbeit, welches besagt, daß man eine gegebene Arbeitsmenge zwar in der mannigfaltigsten Weise nach Richtung, Kraft usw. umwandeln kann, daß es aber nicht möglich ist, ihre Menge zu verändern.

Daß man so sicher über dies Ergebnis urteilen kann, rührt daher, daß durch mehrere Jahrhunderte eine Anzahl der geschicktesten Mechaniker nach der Lösung des Problems des Perpetuum mobile gesucht hatten, d.h. nach der Konstruktion einer Maschine, welche mehr Arbeit entnehmen läßt, als man in sie hineingetan hat. Alle derartigen Versuche sind gescheitert; als positives Ergebnis dieser scheinbar vergeblichen Arbeit ist aber das Gesetz von der Erhaltung der Arbeit übriggeblieben. Wie groß und bedeutend dies Ergebnis ist, wird erst im Laufe der weiteren Darstellung zutage treten können.

Hier tritt uns zum ersten Male ein Gesetz entgegen, das die quantitative Erhaltung eines Dinges ausspricht, das im übrigen die verschiedenartigsten qualitativen Änderungen erfahren mag. Mit der Kenntnis dieser Tatsache verbindet sich unwillkürlich die Vorstellung, daß es sich hierbei um »dasselbe« Ding handele, das durch all diese Umwandlungen hindurchgehe, und dabei nur seine äußere Form ändere, ohne seinem Wesen nach geändert zu werden. Solche Vorstellungen sind zwar sehr verbreitet, sie haben aber ihre sehr bedenkliche Seite, da sie keinen klaren Begriffen entsprechen. Will man die quantitative Größe des Produktes aus Kraft und Weg das »Wesen« der Arbeit nennen, während man die für den jedesmaligen Einzelwert in Betracht kommenden Bestimmungen der Kraft und des Weges nach Größe und Richtung als ihre »Form« bezeichnet, so läßt sich natürlich nichts gegen eine bloße Namengebung einwenden. Aber man muß dabei im Auge behalten, daß der Unterschied, der hier zur Geltung kommt, ausschließlich darin liegt, daß die quantitativ gemessene Menge der Arbeit unverändert bleibt, während ihre Faktoren gleichzeitige und entgegengesetzte Änderungen erfahren.

Eine derartige Entdeckung, daß es eine quantitativ bestimmbare Größe gibt, welche unter mannigfaltiger Änderung ihrer Faktoren erfahrungsgemäß unverändert bleibt, hat immer nicht nur eine sehr einfache und durchsichtige Formulierung des entsprechenden Naturgesetzes zur Folge, sondern entspricht auch der allgemeinen Richtung des menschlichen Geistes, das »Dauernde im Wechsel« begrifflich herauszuarbeiten. Bezeichnet man dem Wortsinne entsprechend mit dem Namen Substanz alles, was unter wechselnden Umständen bestehen bleibt, so tritt uns in der Arbeit die erste Substanz entgegen, von der wir auf unserer wissenschaftlichen Wanderung Kenntnis erlangen. In der Entwicklungsgeschichte des menschlichen Denkens sind dieser Substanz allerdings andere, insbesondere Gewicht und Masse der wägbaren Körper (die gleichfalls einem Erhaltungsgesetz unterliegen) vorangegangen, so daß wir gegenwärtig mit diesem Worte einen stillschweigenden Nebensinn von Wägbarkeit zu verbinden geneigt sind. Indessen ist dies ein Überrest der noch immer sehr verbreiteten mechanistischen Weltanschauung, die, nachdem sie ihre Rolle in der Physik nahezu ausgespielt hat, doch im populären wissenschaftlichen Bewußtsein gemäß den Gesetzen des kollektiven Denkens voraussichtlich noch lange fortbestehen wird.

 

44. Bewegungsenergie.

Das Gesetz von der Erhaltung der Arbeit gilt keineswegs für alle Fälle, bei denen Arbeit verbraucht oder umgewandelt wird, sondern, wie erwähnt, nur für ideale Maschinen, d. h. für solche Fälle, die es eigentlich gar nicht gibt. Während aber bei unvollkommenen Maschinen wenigstens eine Annäherung an dies Gesetz erreicht wird, gibt es außerdem noch zahllose gesetzmäßige Fälle, in denen auch von einer Annäherung nicht die Rede sein kann. Fällt beispielsweise ein Stein aus einer Höhe zu Boden, so wird eine gewisse Arbeitsmenge verbraucht, die gleich der ist, mittels deren man den Stein wieder zu seiner ursprünglichen Höhe heben könnte. Diese Arbeitsmenge verschwindet anscheinend ganz, wenn der Stein auf dem Boden liegen bleibt. Diesen Fall werden wir später erörtern. Oder man kann das Fallen des Steines so leiten, daß er sich hernach wieder erheben kann. Dies geschieht beispielsweise, wenn man den Stein durch Befestigen an einem Faden zwingt, sich in einer Kreisbahn zu bewegen oder Pendelschwingungen auszuführen. Dann fällt er allerdings bis zu der tiefsten Stelle, die ihm der Faden gestattet, und hat also dort seine Arbeit verloren, ohne inzwischen andere Arbeit geleistet zu haben. Er ist aber in einen Zustand geraten, vermöge dessen er sich wieder erhebt, so daß (wieder nur im idealen Grenzfalle) er wieder die frühere Höhe erreicht und somit keine Arbeit verloren hat. Für diesen Augenblick also gilt wieder das Gesetz von der Erhaltung der Arbeit; in der Zwischenzeit aber sind neue Verhältnisse eingetreten.

Was den pendelnd sich bewegenden Stein von dem einfach heruntergefallenen Stein unterscheidet, ist, daß er in seiner tiefsten Lage nicht stilliegen bleibt, sondern eine gewisse Bewegungsgeschwindigkeit besitzt. Vermittels dieser erhebt er sich wieder, und nachdem er seine frühere Höhe erreicht hat, hat er auch seine Geschwindigkeit vollständig verloren. Es besteht somit ein Wechselverhältnis zwischen der Arbeit, die er einbüßt und der Geschwindigkeit, die er annimmt, und man kann sich daher die Frage stellen, wie sich dieses Verhältnis rechnerisch darstellt. Die Erfahrung lehrt, daß in jedem derartigen Falle sich eine Funktion der Geschwindigkeit und einer anderen Eigenschaft des Körpers, die man seine Masse nennt, aufstellen läßt, dergestalt, daß diese Funktion genau um ebensoviel zunimmt, als der Körper Arbeit ausgegeben hat, und umgekehrt. Die Summe aus dieser Funktion, welche die Bewegungsenergie des Körpers heißt, und der Arbeit ist somit konstant, und die anschaulichste Auffassung dieses Verhältnisses ist, daß sich die Arbeit in Bewegungsenergie umwandeln läßt und umgekehrt, derart, daß ganz bestimmte Beträge beider Größen einander gleichwertig oder äquivalent sind. Dies ist natürlich zunächst nur eine abgekürzte Art, die tatsächlichen Verhältnisse auszusprechen, denn man könnte ebensogut annehmen, daß die Arbeit wirklich verschwindet und die Bewegungsenergie wirklich neu entsteht, und daß nur das Verschwinden der einen Substanz mit dem Entstehen der anderen regelmäßig verbunden sei. Aber ein solches regelmäßiges Verbundensein ist ja der einzige Grund einer jeden kausalen Beziehung, und in solchem Sinne sind wir berechtigt, die verschwindende Arbeit als Ursache der entstehenden Bewegungsenergie anzusehen und dies Verhältnis kurzweg als eine Umwandlung zu bezeichnen.

Aus dem Gesetz von der Erhaltung der Arbeit wird somit unter Hinzuziehung solcher Fälle, in denen Arbeit in Bewegungsenergie übergeht, das Gesetz von der Erhaltung der Summe aus Arbeit und Bewegungsenergie. Wir werden dadurch genötigt, den Substanzbegriff, der zunächst nur die Arbeit enthielt, auf die Summe beider Größen auszudehnen und für diesen erweiterten Begriff einen neuen Namen einzuführen.

Es wird sich alsbald erweisen, daß auch alle Fälle der unvollkommenen Maschinen, wo ein Verschwinden von Arbeit, ohne Entstehung einer äquivalenten Menge Bewegungsenergie, stattfindet, unter entsprechender Erweiterung des Begriffes gleichfalls in das Erhaltungsgesetz einzubeziehen sind. Denn es hat sich erwiesen, daß in solchen Fällen irgend etwas anderes entsteht, sei es Wärme, oder Licht, oder elektrische Kraft usw. Diesen verallgemeinerten Begriff, welcher alle natürlichen Vorgänge umfaßt und für die Summe aller entsprechenden Werte ein Erhaltungsgesetz auszusprechen gestattet, nennen wir Energie. Das fragliche Gesetz heißt demnach: bei allen Vorgängen bleibt die Summe der vorhandenen Energien unverändert.

Der Satz von der Erhaltung der Arbeit bei vollkommenen Maschinen erweist sich als ein idealer Sonderfall dieses allgemeinen Gesetzes. Eine vollkommene Maschine ist eine solche, in der Arbeit nur in Arbeit anderer Art übergeht und in keine fremde Art Energie. Dann enthält die Gleichung, welche das allgemeine Energiegesetz ausdrückt, nämlich

verschwundene Energie = entstandene Energie

beiderseits nur die Arbeitsgröße, und drückt das Gesetz von der Erhaltung der Arbeit aus. Geht dagegen, wie beim Pendel, die Arbeit zum Teil zunehmend in Bewegungsenergie über, und umgekehrt, so heißt die Gleichung während der ersten Periode

verschwundene Arbeit = entstandene Bewegungsenergie

und während der zweiten Periode, wo das Pendel wieder ansteigt:

verschwundene Bewegungsenergie = entstandene Arbeit.

Während wir also die Arbeit nur mit beschränktem Recht eine Substanz nennen durften, da sich ihre Erhaltung auf vollkommene Maschinen beschränkt, dürfen wir die Energie ganz unbegrenzt eine Substanz nennen, denn es hat sich bisher noch jedesmal der Satz durchführen lassen, daß nie irgendeine Energiemenge verschwindet, ohne daß eine äquivalente Menge einer anderen Energie entsteht. Dies Gesetz von der Erhaltung der Energie ist demnach als ein Grundgesetz der physischen Wissenschaften zu bezeichnen. Aber nicht nur die gesamten Erscheinungen der Physik, einschließlich der Chemie, verlaufen im Rahmen des Erhaltungsgesetzes, sondern auch in allen späteren Wissenschaften, d. h. für alle Betätigungen der Lebewesen, muß es bis zum Beweise des Gegenteils als gültig angesehen werden, dergestalt, daß alle Lebenserscheinungen gleichfalls im Rahmen des Erhaltungsgesetzes verlaufen müssen. Dies entspricht der bereits mehrfach betonten allgemeinen Tatsache, daß alle Gesetze einer früheren Wissenschaft in allen folgenden Anwendung finden, da letztere nur Begriffe enthalten können, die durch Spezialisierung, d. h. Zufügung weiterer Bestimmungen, aus den Begriffen der früheren oder allgemeineren Wissenschaften entstanden sind.

 

45. Masse und Materie.

Es ist vorher bemerkt worden, daß die Bewegungsenergie außer von der Geschwindigkeit noch von einer anderen Größe abhängt. Eine Vorstellung von ihrer Beschaffenheit gewinnt man, wenn man verschiedene Körper in Bewegung zu setzen versucht. Die Muskeln der Arme leisten dabei gewisse Arbeitsbeträge, und man hat ein Gefühl dafür, ob diese größer oder kleiner sind. So ergibt sich ein anschauliches Bewußtsein für die Tatsache, daß verschiedene Körper für die gleiche Geschwindigkeit ganz verschiedene Arbeiten brauchen. Die Eigenschaft, die hier zur Wirkung gelangt, nennt man die Masse, und man setzt die Masse proportional der Arbeit, welche die verschiedenen Körper zur Erlangung der gleichen Geschwindigkeit gebrauchen. Da man die Arbeiten und die Geschwindigkeiten durch entsprechende Mittel sehr genau messen kann, so ist auch die Masse einer entsprechend genauen Messung zugänglich.

Alle uns bekannten wägbaren Körper haben Masse. Das heißt, daß mit der Eigenschaft, der Erde mit einer bestimmten Kraft zuzustreben (die man das Gewicht nennt), und der Eigenschaft, unter dem Einflusse bewegender Ursachen gewisse Geschwindigkeiten anzunehmen, ein regelmäßiger Zusammenhang besteht. Man kann leicht begreifen, daß wir nur solche Körper auf der Erde kennen lernen können, welche schwer sind, d. h. von der Erde festgehalten werden, da die anderen natürlich, wenn sie überhaupt vorhanden waren, die Erde längst verlassen haben würden. Daß ebendiese Körper alle auch Masse haben, erklärt sich auf ähnliche Weise. Denn ein Körper mit der Masse Null würde bei jedem Stoß eine unendlich große Geschwindigkeit annehmen und könnte daher nie Gegenstand unserer Beobachtung werden. So müssen auf Grund der physischen Bedingungen, die auf der Erdoberfläche bestehen, die uns bekannten Körper beide Eigenschaften, Masse und Gewicht, vereinigen.

Der Name, den man diesem Begriff des räumlichen Zusammenseins von Masse und Gewicht beilegt, heißt Materie. Erfahrungsmäßig besteht nun auch für diese Größen ein Erhaltungsgesetz. Dieses besagt, daß alle Änderungen, welche wir mit den wägbaren und mit Masse behafteten Körpern vornehmen mögen, deren Gewicht und Masse insgesamt nicht ändern. Nach der früher eingeführten Bezeichnungsweise müssen wir also auch das Gewicht und die Masse Substanzen nennen, denn beide bleiben bei allen möglichen Änderungen der Menge nach bestehen. Gewohnheitsmäßig pflegt man aber den Namen Substanz auf den aus Masse und Gewicht zusammengesetzten Begriff der Materie zu beziehen. Ja, man geht oft so weit, diesen Namen auf diesen einzigen Fall der verschiedenen Erhaltungsgesetze zu beschränken und unter Substanz ausschließlich jene Verbindung von Masse und Gewicht zu verstehen. Dies hängt mit der alsbald zu besprechenden Vorstellung zusammen, daß alle Naturerscheinungen sich schließlich als Bewegung von Materie auffassen lassen. Während des größeren Teils des neunzehnten Jahrhunderts hat diese Vorstellung, die man den wissenschaftlichen Materialismus nennt, nahezu unbestritten gegolten. Gegenwärtig macht sich zunehmend die Erkenntnis geltend, daß es sich hierbei nur um eine unbewiesene Vermutung gehandelt hat, deren Wahrscheinlichkeit zudem täglich geringer wird.

 

46. Energetische Mechanik.

Im Lichte der vorangegangenen Betrachtungen tritt uns das Gebiet der Wissenschaft, das man traditionell als Mechanik bezeichnet, als die Lehre von der Arbeit und der Bewegungsenergie entgegen. Und zwar erweist sich die Statik als die Lehre von der Arbeit, während die Dynamik außer der Bewegungsenergie für sich auch noch die Umwandlungserscheinungen der Arbeit in diese und umgekehrt behandelt. Das gleiche Verhältnis werden wir später, nur mannigfaltiger wiederfinden: ein jedes Gebiet der Physik erweist sich als die Wissenschaft von einer besonderen Energieart, und der Kenntnis dieser letzteren muß auch noch die Kenntnis aller Umwandlungsbeziehungen zu den vorher erörterten Energiearten zugefügt werden. Allerdings ist dieses System in der herkömmlichen Einteilung der Physik nicht streng durchgeführt, da außerdem die Rücksicht auf die verschiedenen menschlichen Sinnesapparate einen stark wirkenden Einteilungsgrund hergegeben hat. Indessen liegt dieser Grund nicht auf dem Gebiete der Physik, sondern auf dem der Physiologie und ist daher im Interesse einer strengen Systematik aufzugeben.

Die Mechanik ist von den physischen Wissenschaften diejenige, welche sich im Laufe der geschichtlichen Entwicklung am frühesten ausgebildet hatte. Hierzu hat neben der großen Verbreitung der mechanischen Erscheinungen und ihrer Bedeutung für die menschliche Lebensgestaltung auch die verhältnismäßig große Einfachheit ihrer Grundlagen beigetragen, welche eine frühe Entdeckungszeit ermöglichte. Insbesondere ist von allen Gebieten der Physik die Mechanik dasjenige, welches zuerst einer mathematischen Behandlung in weitem Umfange zugänglich gewesen ist. Dies konnte allerdings nur unter idealisierenden Annahmen (vollkommene Maschinen u. dergl.) geschehen, so daß die Ergebnisse dieser mathematischen Behandlung nicht selten mit der Wirklichkeit recht wenig mehr zu tun haben. Der Fehler, daß man das physische Problem aus den Augen verlor und die Mechanik zu einem Kapitel der Mathematik machte, ist nicht immer vermieden worden, und erst in neuester Zeit ist wieder das Bewußtsein hervorgetreten, daß die klassische Mechanik in ihrer willkürlichen Beschränkung auf weitgehend idealisierte Fälle der Gefahr zeitweilig unterlegen ist, den Zweck der Wissenschaft allzusehr aus dem Auge zu verlieren.

 

47. Die mechanistischen Theorien.

Wegen des zeitlichen Vorangehens ihrer Entwicklung hat die Mechanik vielfach als Vorbild für die formale Gestaltung der anderen physischen Wissenschaften gedient, ähnlich wie die Geometrie, die uns vom Altertum in der sehr durchgearbeiteten Form des Euklid überliefert worden war, vielfach als Vorbild für die wissenschaftliche Arbeit überhaupt benutzt worden ist. Derartige Analogiemethoden pflegen zu Anfang sich als recht nützlich zu erweisen, weil sie eine Anleitung geben, wo und wie neue Wissenschaften, bei denen alle Möglichkeiten offenstehen, überhaupt einmal angegriffen werden können. Weiterhin pflegen aber Schädigungen einzutreten. Denn eine jede neue Wissenschaft verlangt wegen der besonderen Mannigfaltigkeit, die sie zu behandeln hat, alsbald auch neue Methoden, und deren Auffindung und Einführung wird leicht verzögert und ist tatsächlich oft verzögert worden, weil man sich von dem Schema der Analogie nicht rechtzeitig loszumachen vermocht hat.

Denn nach der allgemeinen Beschaffenheit des menschlichen Geistes kann dieser vollkommen Neues überhaupt nicht aufnehmen; das Neue muß irgendwie mit Bekanntem verbunden sein, damit es organisch dem Gesamtbestande der Begriffe einverleibt werden kann. Daher ist es die erste, unwillkürliche Bewegung unseres Geistes neuen Erfahrungen oder Gedanken gegenüber, sich alsbald nach Stellen umzusehen, wo ein solcher Anschluß an das Bekannte ausführbar erscheint. Im Falle der Mechanik hat dieses Anschlußbedürfnis derart gewirkt, daß man versucht hat und noch versucht, überhaupt alle physischen Erscheinungen als mechanische aufzufassen und darzustellen.

Den Anstoß hierzu haben zunächst die außerordentlichen Erfolge gegeben, welche die Mechanik in der Zusammenfassung und Voraussagung der Bewegungen der Himmelskörper errungen hat. Die Namen Kopernikus, Kepler und Newton kennzeichnen die einzelnen Schritte in der Mechanisierung der Astronomie. Die Ursache liegt darin, daß die Himmelskörper tatsächlich mit sehr großer Annäherung dem Ideal des rein mechanischen Gebildes entsprechen, welches die klassische Mechanik behandelt hat. Diese Erfolge ermutigen zu dem Versuch, die so ausgiebigen Denkmittel nun auch auf alle anderen Erscheinungen der Natur anzuwenden. Eine alte Vorstellung, der zufolge alle physischen Dinge aus kleinsten festen Körperchen, den Atomen, zusammengesetzt seien, kam diesen Tendenzen entgegen und lud zu dem Versuche ein, die kleine Welt der Atome als denselben Gesetzen unterworfen anzusehen, die man ebenso erfolgreich in der großen Welt der Gestirne anzuwenden gelernt hatte.

So sehen wir denn, wie diese mechanistische Hypothese, die Annahme, daß alle Naturerscheinungen sich auf mechanische zurückfuhren lassen, sich mit einer gewissen Selbstverständlichkeit zur Geltung bringt, und mit dem Anspruch, ein tiefer Blick in die Natur zu sein, die Frage nach ihrer Berechtigung überhaupt gar nicht zu erheben gestattet. Hierbei sind denn auch die gleichen Wirkungen eingetreten, welche oben an den zu weit ausgedehnten oder zu gläubig aufgenommenen Analogieschlüssen geschildert worden sind. Während anfangs zweifellos vermöge der Erleichterung der Fragestellung eine Befruchtung der Spezialforschung durch die mechanistische Hypothese eingetreten war – man braucht beispielsweise nur an die Atomhypothese in der Chemie zu denken – haben später die Anstrengungen, für die allmählich zutage tretenden Unzulänglichkeiten der Hypothese weitere hypothetische Abhilfen zu finden, die Forschung nicht selten in Scheinprobleme geführt, d. h. vor Aufgaben, die nur im Sinne der Hypothese überhaupt Fragen sind, denen aber ein aufweisbarer sachlicher Inhalt nicht entspricht. Ihrer Natur nach sind denn auch derartige Probleme unlösbar und bilden eine unerschöpfliche Quelle wissenschaftlicher Meinungsverschiedenheiten.

Am auffallendsten sind die schädlichen Folgen jener Hypothese bei der wissenschaftlichen Behandlung der geistigen Erscheinungen zutage getreten. So bereitwillig man war, alle anderen Lebenserscheinungen, wie Verdauung, Assimilation, ja auch Zeugung und Vermehrung, sich als die Folge eines äußerst verwickelten Spieles der beteiligten Atome vorzustellen, so ging doch niemals der Mut so weit, diesen Gedanken auch auf das geistige Leben derart anzuwenden, daß dadurch alles hierüber gesagt sei. Vielmehr befand sich hier der Punkt, in welchem die philosophischen Systeme die verschiedenartigsten Mittel anzuwenden versuchten, um die geistige Welt der mechanischen anzuschließen. Von den verschiedenen Wendungen hat sich in unserer Zeit vorwiegend die von Leibniz vorgeschlagene der prästabilierten Harmonie erhalten, die man gegenwärtig die Theorie des psychophysischen Parallelismus nennt. Ihr zufolge nimmt man an, daß die geistige Welt ganz unabhängig neben der mechanischen bestehe, daß aber die Dinge von vornherein so geordnet seien, daß mit gewissen (nach einigen mit allen) mechanischen Vorgängen geistige gleichzeitig derart ablaufen, daß zwar beide Reihen sich nicht im mindesten beeinflussen, aber doch beständig einander auf das genaueste entsprechen. Wie ein derartiges Verhältnis zustande gekommen ist, und wie es sich erhält, bleibt ungesagt oder wird künftiger Aufklärung anheimgestellt.

Man braucht sich nur den Inhalt dieser Hypothese unbefangen zu vergegenwärtigen, um den Geschmack an ihr alsbald zu verlieren. In der Tat hat sie keine andere Existenzberechtigung als die Voraussetzung von der Gegensätzlichkeit der geistigen und der mechanischen Welt. Sobald man auf die Behauptung verzichtet, daß die nicht geistige Welt ausschließlich mechanisch sei, erhält man die Möglichkeit zurück, für die Theorie der geistigen Erscheinungen einen stetigen und regelmäßigen Anschluß an die Theorien aller anderen, insbesondere der Lebenserscheinungen, zu finden. Somit wird es sich in jeder Hinsicht als das Zweckmäßigste erweisen, statt durch vorgefaßte Hypothesen, wie die mechanistische, die Forschung einseitig und für die abweichenden Tatsachen nahezu blind zu machen, in regelmäßiger Systematik wie bisher von Stufe zu Stufe die neuen Mannigfaltigkeitselemente zu suchen, die bei dem fortschreitenden Aufbau der Wissenschaft berücksichtigt werden müssen, und sich bei dem Aufbau zusammenfassender Ideen auf diese getreulich zu beschränken.

 

48. Ergänzende Gebiete der Mechanik.

Mit den beiden Energiearten, der Arbeit und der Bewegungsenergie, ist zwar das Gebiet der reinen oder klassischen Mechanik begrenzt, doch sind damit die Mannigfaltigkeiten der mechanischen Energien nicht erschöpft, und demgemäß schließen sich auch noch andere Gebiete der Mechanik an das beschriebene, welche die entsprechenden Erscheinungen zum Gegenstande haben.

Verstehen wir unter mechanischen Energien alle solche, bei denen mit räumlichen Änderungen Energieänderungen verbunden sind, so werden wir so viel verschiedene Formen zu erwarten haben, als räumliche Begriffe anwendbar erschienen. Insbesondere ist die Form, der Rauminhalt und die Flächenbegrenzung der räumlichen Gebilde als Betätigungsgebiet der Energie erkennbar, welche nach jeder dieser Beziehungen andere Eigenschaften oder Mannigfaltigkeiten aufweist.

Die Formenergie betätigt sich darin, daß es Gebilde (die festen oder starren Körper) gibt, welche eine bestimmte Gestalt deshalb beibehalten, weil jede Änderung der Gestalt mit Arbeit oder anderem Energieaufwand verbunden ist. Sind die Änderungen klein, so sind sie von solcher Beschaffenheit, daß sie selbsttätig rückgängig werden, nachdem der ausgeübte Zwang aufgehört hat. Diese Eigenschaft nennt man Elastizität; ihre Theorie, die weitgehend und rationell entwickelt ist, pflegt allerdings mehr der mathematischen Physik im allgemeinen, als der Mechanik im besonderen zugerechnet zu werden. Bei größeren Gestaltänderungen geht die Formenergie oder elastische Energie in andere Formen über, und die Rückbildung der früheren Gestalt nach Aufhebung des Zwanges findet nicht mehr statt.

Andere Gebilde haben zwar keine (oder nur eine verschwindend geringe) Formenergie, indem sie Formänderungen ohne Arbeitsaufwand gestatten, wohl aber kann ihr Volum nur durch solchen geändert werden. Hier gibt es zwei Klassen. Erstens die Flüssigkeiten, welche ein bestimmtes Volum (entsprechend der bestimmten Gestalt der festen Körper) haben, dessen Änderung in jedem Sinne, Verkleinerung wie Vergrößerung, Arbeit erfordert. Zweitens die Gase mit einsinniger Volumenergie, bei denen nur die Verkleinerung des Volums Arbeit erfordert, während bei der Vergrößerung welche ausgegeben wird. Solche Körper können nur bestehen, solange durch das Vorhandensein einer entgegengerichteten Energie, z.B. die Elastizität der Gefäßwände, die Verausgabung ihrer Volumenergie durch freiwillige Ausdehnung verhindert wird. Die entsprechende Tendenz heißt Druck.

Endlich sind an den Grenzflächen zwischen verschiedenartigen Körpern Energiemengen anwesend, welche sich bei Veränderung dieser Grenzen geltend machen. Sie liegen stets in solcher Richtung, daß die Vergrößerung der Grenzflächen Arbeit erfordert und somit wegen des Gesetzes von der Erhaltung der Energie nicht von sich aus erfolgen kann. In solchen Fällen, wo etwa eine entgegengesetzt gerichtete Energie vorhanden war, hat sie sich im allgemeinen auch betätigt und dabei vorhandene Grenzen zum Verschwinden gebracht.

Da der Sitz dieser Energieart in den Grenz- oder Oberflächen liegt, so pflegt man sie Oberflächenenergie zu nennen. Die von ihr abhängigen Erscheinungen treten am deutlichsten an den Grenzflächen zwischen Flüssigkeiten und Gasen auf; sie heißen Kapillarerscheinungen. Dieser wunderliche Name, der von capilla, Haar, abstammt, rührt daher, daß infolge der Oberflächenenergie Flüssigkeiten in Röhren, die sie benetzen, ansteigen, und zwar um so höher, je enger die Röhre ist. Ist die Röhre haarfein, so läßt sich ein erhebliches Ansteigen beobachten, und dies ist hier der ganze Zusammenhang zwischen Name und Sache.

Die Mechanik der Flüssigkeiten heißt Hydromechanik, die der Gase Aeromechanik, nach der bekanntesten Flüssigkeit, dem Wasser, und dem bekanntesten Gase, der Luft. Die Lehre von der Oberflächenenergie bildet unter dem Namen Kapillaritätstheorie einen Teil der theoretischen Physik. Während früher auch diese Gebiete mehr im Sinne der klassischen Mechanik als Arbeits- oder vielmehr Spielgebiet mathematischer Aufgaben betrachtet wurden, hat in neuerer Zeit eine ausgedehnte Experimentalforschung ihren Einzug auch in diese Gebiete gehalten und die Notwendigkeit gezeigt, von den früheren allzuweit gegangenen Abstraktionen oder Idealisierungen zu einer besseren und tieferen Berücksichtigung der tatsächlich vorhandenen Mannigfaltigkeiten überzugehen.

 

49. Die Wärmelehre.

Die verschiedenartigen Energiearten, deren Gesamtheit in der Physik zusammengefaßt wird, haben sehr verschiedene Sonderbeschaffenheiten. Eine systematische Untersuchung der Mannigfaltigkeitseigenschaften, durch welche sich z. B. eine Arbeit von einer Wärme, elektrische Energie von Bewegungsenergie usw. unterscheidet und welches die wesentlichen, anderweit nicht vorhandenen Kennzeichen einer jeden einzelnen Energieart sind, ist bisher noch nicht ausgeführt worden. Man ist sich dessen gewiß, daß Unterschiede vorhanden sind, denn sonst könnte man sie eben nicht unterscheiden, und daß diese Unterschiede sehr bedeutend sind, denn es bestehen nur sehr selten Zweifel, welcher Energieart man eine besondere Erscheinung zuordnen soll. Aber eine systematische Naturgeschichte der Energiearten, in welcher die Besonderheiten jeder Spezies gekennzeichnet sind und das gesamte Material gemäß diesen Kennzeichen übersichtlich geordnet ist, steht noch aus, ebenso wie die systematische Tabelle der elementaren Begriffe.

Was nun die Wärmeenergie anlangt, so ist sie zunächst und am auffälligsten durch ihre physiologische Wirkung gekennzeichnet. Wir besitzen in der Hautoberfläche Organe sowohl für die Wärme- wie für die Kälteempfindung, d.h. für Temperaturen oberhalb und unterhalb der Hauttemperatur. Allerdings ist es nur ein sehr kleines Temperaturgebiet, welches diese Organe ertragen können, ohne geschädigt zu werden, und darüber hinaus müssen physikalische Apparate aller Art als »Thermometer« dienen.

Dem Mannigfaltigkeitscharakter nach gehört die Wärme zu den einfachsten Energiearten. Jede Wärmemenge ist durch eine Temperatur gekennzeichnet, ähnlich wie eine Bewegungsenergie durch eine Geschwindigkeit. Aber während eine Geschwindigkeit im Raume orientiert ist, so daß Geschwindigkeiten gleicher Größe noch eine dreifach unendliche Mannigfaltigkeit bezüglich der Richtung besitzen, ist eine Temperatur durch eine einfache Zahl, den Temperaturgrad, eindeutig und vollständig gekennzeichnet. Zwei Temperaturen von gleicher Höhe oder Gradzahl sind auf keine Weise zu unterscheiden, oder die Temperatur enthält außer ihrer Höhe keine mögliche Mannigfaltigkeit mehr.

Die gleiche Eigenschaft findet sich an der Wärmeenergie selbst wieder. Man ist gewohnt, bei der Wärmeenergie die Energiemenge selbst zu messen und sie als Wärmemenge zu bezeichnen, während man bei manchen anderen Energiearten nur die Faktoren mißt, in die man sie zerlegen kann, und sich von der Energie selbst keine gewohnte Vorstellung entwickelt. Eine Wärmemenge ist gleichfalls durch ihre Maßzahl vollständig gekennzeichnet.

Daß die Wärme eine Energie ist, d.h. daß sie in äquivalenter Menge aus anderen Energiearten entstehen und sich in diese wieder zurückverwandeln kann, ist eine Entdeckung, die trotz ihrer grundlegenden und allgemeinen Beschaffenheit erst in den vierziger Jahren des neunzehnten Jahrhunderts gemacht worden ist. Wie oft bei bedeutenden Fortschritten ist derselbe Gedanke gleichzeitig mehreren Forschern gekommen; am frühesten und am vollständigsten hat ihn Julius Robert Mayer von Heilbronn erfaßt und 1842 veröffentlicht. Mayer hat nicht nur gezeigt, daß die unvollkommenen Maschinen, welche (S. 145) die Geltung des Gesetzes von der Erhaltung der Arbeit einschränken, diese Eigenschaft daher haben, daß sie einen Teil der Arbeit in Wärme verwandeln, und daß mit Berücksichtigung dieses Teils das Erhaltungsgesetz genau durchführbar wird, sondern er hat auch aus den vorhandenen Daten der Physik in außerordentlich scharfsinniger Weise das mechanische Wärmeäquivalent berechnet, d.h. er hat bestimmt, wieviel Wärmeeinheiten (in dem damals gebräuchlichen Maß) einer Arbeitseinheit (in ihrem besonderen Maß) bei der gegenseitigen Umwandlung entsprechen. Und nicht nur auf die Wärme hat Mayer diese grundsätzliche Erkenntnis von dem Vorhandensein einer quantitativ unveränderlichen Substanz, die aus Arbeit entstehen und sich in sie verwandeln kann, beschränkt, sondern er hat als erster eine möglichst vollständige Tabelle aller damals bekannten Energiearten aufgestellt und ihre allgemeine gegenseitige Verwandlungsmöglichkeit behauptet und erwiesen.

Gegenwärtig macht sich bezüglich dieser gegenseitigen Umwandlungsgrößen der verschiedenen Energiearten das Bestreben geltend, sie alle in derselben Einheit zu messen. Das heißt, man bestimmt willkürlich irgendeine leicht herstellbare Energiemenge als Einheit und setzt fest, daß bei jeder anderen Energieart die Einheit gleich der Menge sein soll, die man aus jener Einheit bei der Umwandlung erhält. Als solche Einheit, die den Namen Erg (Abkürzung von Energie) führt, hat man aus formalen Gründen die Bewegungsenergie einer Masse von zwei Gramm gewählt, die sich mit einer Geschwindigkeit von einem Zentimeter in einer Sekunde bewegt. Der Betrag ist sehr klein, und für technische Zwecke ist eine 10 10-mal größere Einheit in Gebrauch. Für die Erwärmung eines Gramms Wasser um einen Grad bedarf man einer Energiemenge von 41 830 000 Erg.

 

50. Der zweite Hauptsatz.

An der Energieform der Wärme ist noch eine zweite fundamentale Entdeckung gemacht worden, welche sich ebenso wie das Erhaltungsgesetz auf alle Energiearten bezieht, bei der Wärme aber die ersten und wichtigsten Anwendungen gefunden hat. Während nämlich das Erhaltungsgesetz die Frage beantwortet, wieviel von der neuen Energieart entsteht, wenn sich eine gegebene Energiemenge umwandelt, aber keine Auskunft darüber gibt, wann eine solche Umwandlung eintritt, kennzeichnet dieses zweite Gesetz, das man deshalb den zweiten Hauptsatz nennt, gerade die Bedingungen für das Eintreten solcher Umwandlungen.

Die Entdeckung dieses Gesetzes liegt etwa zwanzig Jahre vor der des Erhaltungsgesetzes durch J. R. Mayer und ist durch einen französischen Ingenieuroffizier namens Sadi Carnot bewerkstelligt worden, der übrigens bald hernach starb, ohne die Anerkennung seines großen Werkes erlebt zu haben. Carnot fragte sich, worauf die Wirksamkeit der damals eben in Gebrauch gekommenen Dampfmaschinen beruhe, was ihn zunächst zu der allgemeineren Frage nach der Wirksamkeit der Wärmemaschinen überhaupt führte. Er erkannte, daß keine Wärmemaschine arbeiten kann, in welcher nicht die Wärme von höherer zu niederer Temperatur geht, ebenso wie keine Wassermühle arbeiten kann, in welcher nicht das Wasser von höherer zu niederer Stelle fließt, und stellte die Bedingungen fest, welche eine ideale Wärmemaschine erfüllen muß, d.h. eine solche Maschine, in welcher der größtmögliche Wert an Arbeit aus Wärme gewonnen wird. Eine solche ideale Maschine kann übrigens auf sehr verschiedene Weise gebaut sein, und Carnots Entdeckung besteht in der Erkenntnis, daß die aus der Wärmeeinheit zu erhaltende Arbeitsmenge von der Bauart einer idealen Maschine überhaupt nicht abhängt, sondern ausschließlich durch die Temperaturen bestimmt wird, zwischen denen der Wärmeübergang stattfindet. Dies ergab sich aus folgender Überlegung.

Zunächst muß eine ideale Maschine umkehrbar sein, d.h. sie muß ebensogut vorwärts, oder Wärme in Arbeit verwandelnd, wie rückwärts, Arbeit in Wärme verwandelnd, gehen können. Haben wir nun zwei ideale Maschinen zwischen denselben Temperaturen und nehmen wir an, die Maschine A erzeuge mehr Arbeit aus derselben Wärmemenge, als die Maschine B, so läßt man A vorwärtsgehen und betreibt mit der aus A erhaltenen Arbeit die Maschine B rückwärts. Da diese weniger Arbeit aus derselben Wärmemenge, also mehr Wärme aus der gleichen Arbeit erzeugt, so wird sich schließlich mehr Wärme auf der höheren Temperatur befinden, als ursprünglich dort vorhanden war. Nun aber gibt es erfahrungsmäßig in der Natur kein Mittel, durch welches ohne sonstige Änderung die Wärme veranlaßt werden kann, sich auf eine höhere Temperatur zu begeben; folglich ist auch eine solche Zusammenstellung von Maschinen, die dies bewirken müßten, unmöglich. Also die Maschine B kann nicht die Beschaffenheit haben, daß sie aus der gleichen Wärmemenge weniger Arbeit produziert als A.

Aber auch die umgekehrte Beschaffenheit ist nicht möglich, denn alsdann brauchte man beide Maschinen nur im umgekehrten Sinne zu koppeln und erhielte den gleichen Erfolg. Da also B weder weniger noch mehr Arbeit leisten kann als A, so müssen beide gleichviel Arbeit leisten, was zu beweisen war.

Man erkennt die Ähnlichkeit dieses Beweisganges mit dem des Erhaltungsgesetzes. Weil die beliebige Herstellung der Energie aus nichts nicht ausführbar ist, müssen bestimmte und unveränderliche Umwandlungsverhältnisse zwischen den Energiearten bestehen; dies ist der erste Hauptsatz. Weil ruhende Energie sich nicht freiwillig in Zustände begibt, in denen sie Arbeit leisten könnte, müssen die Arbeitsfähigkeiten der Maschinen bestimmte und unveränderliche Werte haben. Könnten wir nämlich die Wärme veranlassen, von selbst auf eine höhere Temperatur zu steigen, so könnten wir gleichfalls ein Perpetuum mobile bauen, das uns beständig Arbeit ohne Aufwand liefern würde. Nur wäre dies kein Perpetuum mobile, das Arbeit aus nichts schaffte, sondern eines, das Arbeit aus ruhender Energie herausbrächte. Auch dies zweite Perpetuum mobile ist erfahrungsmäßig unmöglich, und diese Unmöglichkeit ist der Inhalt des zweiten Hauptsatzes.

Man sieht es diesem anscheinend »selbstverständlichen« Satze nicht an, wie ausgiebig er sich in seinen Anwendungen zur Entdeckung einfacher, nicht zutage liegender Beziehungen gestaltet; so kann hier nur gesagt werden, daß diese Folgerungen den Hauptinhalt der ausgedehnten, Thermodynamik genannten Wissenschaft bilden, die sich auf die Umwandlung der Wärme in andere Energiearten bezieht. Nur muß hervorgehoben werden, daß die Anwendung dieses Gesetzes, wie bei seinem Ausspruche bereits zur Geltung gebracht wurde, sich nicht auf die Umwandlungen der Wärme allein beschränkt. Es handelt sich vielmehr um einen Satz, der auf alle Energiearten seine Anwendung findet. Denn in jeder Energieart findet sich eine Eigenschaft, welche der Temperatur bei der Wärme entspricht, und von deren Gleichheit oder Ungleichheit es abhängt, ob die fragliche Energie sich in Ruhe befindet, oder zu Umwandlungen bereit ist. Diese Eigenschaft heißt die Intensität der fraglichen Energieart. Bei der Arbeit ist dies beispielsweise die Kraft, bei der Volumenergie ist es der Druck. Ist einmal die Intensität in einem Gebilde gleich, so ruht dessen Energie und setzt sich freiwillig nie mehr in Bewegung.

Eine andere Form, diese Verhältnisse darzustellen, liegt in der Unterscheidung zwischen freier und ruhender Energie. Haben wir eine Wärmemenge, deren Temperatur über der ihrer Umgebung liegt, so kann sie nur so weit zur Leistung von Arbeit verwendet werden, bis ihre Temperatur auf die Umgebungstemperatur gefallen ist. Obwohl also dann noch reichlich Energie vorhanden ist, ist doch keine verwandlungsfähige oder freie Energie mehr vorhanden. Da Temperaturunterschiede ebenso wie andere Intensitätsunterschiede beständig die Tendenz haben, sich zu verkleinern, so nimmt der Vorrat an freier Energie auf der Erde immer ab, während doch nur ebendiese freie Energie die wertvolle Energie darstellt. Denn da alles Geschehen auf Energie-Umwandlung beruht, diese aber nur durch freie Energie möglich ist, so ist die letztere gleichzeitig die Bedingung alles Geschehens.

 

51. Elektrizität und Magnetismus.

Während die Kenntnis der Wärmeenergie in die ältesten Kulturzeiten zurückgeht, sind elektrische und magnetische Energie verhältnismäßig junge Errungenschaften. Insbesondere gehört die ausgiebigere technische Anwendung der beiden ganz und gar der neuesten Zeit an.

Beide Energiearten haften zwar ebenso wie die bisher besprochenen vorwiegend an der ponderablen »Materie«, aber doch in viel minderem und weniger regelmäßigem Maße. Während es noch nicht möglich ist, einen gegebenen Körper frei von Wärme zu machen (obwohl man sich in der letzten Zeit dem absoluten Nullpunkt ganz erheblich genähert hat), ist die Freiheit von elektrischer und magnetischer Energie für die meisten Körper der normale Zustand. Dies hängt mit der Besonderheit zusammen, daß die elektrischen und magnetischen Eigenschaften ausgeprägt zweiseitig symmetrisch oder polar organisiert sind. Diese Eigenschaft findet sich sonst bei keiner anderen Energieart und kann als naturgeschichtliches Kennzeichen der genannten dienen. In den Begriffen des positiven und negativen Magnetismus, der positiven und negativen Elektrizität macht sich diese Eigentümlichkeit geltend, die daher rührt, daß zwei gleiche entgegengesetzte Mengen jener beiden Größen sich nicht zum doppelten Werte, sondern zur Null addieren. Für den Laien sei bemerkt, daß jene »Mengen« keine Energiegrößen sind, sondern Faktoren der betreffenden Energien, Die Energie selbst in ihren verschiedenen Formen ist eine ausschließlich positive Größe, und verschiedene Beträge derselben addieren sich nur zur Summe, niemals zur Differenz ihrer Zahlenwerte. Mit dem negativen Zeichen versieht man die vom Gebilde ausgegebene Energie, im Gegensatz zur aufgenommenen; es handelt sich also hier um eine bloße Angabe einer Rechenoperation.

Der eben erwähnte Umstand, daß elektrische und magnetische Energie meist nur vorübergehend existieren (mit der bemerkenswerten Ausnahme des magnetischen Zustandes der Erde indessen), ist wahrscheinlich als Ursache dafür aufzufassen, daß wir keine Sinnesapparate für sie entwickelt haben, zumal da die natürlich auftretenden Mengen hiervon auf unseren Zustand nur in ganz seltenen Fällen (Gewitter) gelegentlich einen Einfluß haben. Andererseits beruht die moderne Entwicklung der Elektrotechnik auf der Eigenschaft der elektrischen Energie, daß sich sehr große Mengen derselben längs einem dünnen Draht auf große Entfernungen ohne erheblichen Verlust fortleiten und am gewünschten Orte leicht in beliebige andere Formen der Energie verwandeln lassen. Da aber das Aufsammeln und Aufbewahren großer Mengen elektrischer Energie technisch nicht ausführbar ist, so müssen die elektrischen Anlagen derart beschaffen sein, daß die jeweils erforderlichen Mengen im Augenblicke des Verbrauches erzeugt werden. Als Quelle dient vorwiegend die chemische Energie der Steinkohle, die erst in Wärme, dann in mechanische Energie und zuletzt endlich in elektrische umgewandelt wird. Dieser sehr umständliche Vorgang ist erforderlich, weil eine technisch ausführbare Umwandlung der chemischen Energie der Kohle unmittelbar in elektrische noch nicht erfunden worden ist. Dagegen läßt sich mechanische Energie leicht und vollständig in elektrische verwandeln; hierauf beruht die Ausnutzung vieler »Wasserkräfte«, deren Energie erst durch die große Wandlungsfähigkeit der elektrischen Form brauchbar zu machen gewesen ist.

 

52. Licht.

Ähnlich dem Schalle, der zwar seinen eigenen Sinnesapparat am Menschen hat, aber doch keine eigentümliche Energieart ist, sondern sich als eine Verknüpfung mechanischer Energien herausgestellt hat, scheint es in unseren Tagen mit dem Lichte zu gehen. Auch hier wird es sehr wahrscheinlich, daß es sich nicht um eine eigene Energieart handelt, sondern um eine besondere Verknüpfung elektrischer und magnetischer Energie. Zwar ist der Ring des Beweises noch nicht ganz geschlossen, die Lücke ist aber so klein geworden, daß man immerhin das erwähnte Resultat als wahrscheinlich hinnehmen kann.

Wie dem auch sei, jedenfalls handelt es sich beim Licht um Energie, die nach den bekannten Gesetzen mit einer ungeheuren Geschwindigkeit durch den Raum eilt. Wir wollen sie strahlende Energie nennen, da der optisch sichtbare Anteil, dem der Name Licht im ursprünglichen Sinne allein zukommt, nur ein sehr geringes Stückchen aus einem großen Gebiet darstellt, dessen Eigenschaften ganz stetig sich von einem zum anderen Ende ändern.

Die strahlende Energie kennzeichnet sich als ein oszillatorischer oder wellenartiger Vorgang. Solange dieser Umstand nicht bekannt war (bis zum Beginn des neunzehnten Jahrhunderts), dachte man sich das Licht als aus kleinen Kügelchen bestehend, die mit jener großen Geschwindigkeit geradlinig durch den Raum schießen. Um die inzwischen erkannte Wellennatur zu »erklären«, nahm man später an, es handele sich um elastische Schwingungen eines im übrigen unbekannten, alldurchdringenden Dinges, das man Äther nannte. Diese elastische Schwingungstheorie ist dann in unserer Zeit zugunsten einer elektromagnetischen verlassen worden, für welche recht erhebliche experimentelle Gründe sprechen, Ob ihr das Schicksal erspart bleiben wird, welches die älteren Lichttheorien (oder vielmehr Hypothesen) getroffen hat, läßt sich noch nicht mit einiger Wahrscheinlichkeit voraussehen.

Die strahlende Energie ist von sehr erheblicher Wichtigkeit für die menschlichen Verhältnisse. Als Licht dient sie unter Mitwirkung entsprechender Empfangsapparate, der Augen, zu einer mannigfaltigeren Vermittelung zwischen unserem Körper und seiner Außenwelt, als irgendeine andere Energieart bewirken kann. Die als Licht aus dem Weltraum zu uns dringenden Energiemengen kennzeichnen die äußersten Räume, von denen wir noch auf irgendeine Weise Kunde haben, und endlich bilden die von der Sonne zu uns strahlenden Energiemengen den Vorrat, auf dessen Kosten das gesamte organische Leben auf Erden gedeiht. Selbst die in den fossilen Kohlen aufgespeicherten chemischen Energievorräte stellen nichts anderes als Ansammlungen früherer Sonnenstrahlung dar, welche durch die Pflanzen in die Dauerform der chemischen Energie umgesetzt worden ist.

Dem Lichte haben sich in neuester Zeit entdeckte andere Formen der strahlenden Energie angeschlossen, die unter mannigfaltigen Umständen erzeugt und auch von gewissen Stoffen dauernd ausgesendet werden. Die wissenschaftliche Bearbeitung dieser äußerst mannigfaltigen und ungewöhnlichen Erscheinungen hat ergeben, daß es sich um besondere Umwandlungen der chemischen Energie (s.w.u.) handelt, durch welche die Grundlehren der chemischen Wissenschaft eine tiefgreifende Entwicklung erfahren haben. Gegen die Energiegesetze selbst hat sich nämlich trotz der Sonderbarkeit dieser neuen Strahlungen kein Widerspruch herausgestellt.

 

53. Chemische Energie.

Da die chemische Energie eine Art Energie neben manchen anderen ist, so erscheint es als nicht berechtigt, für sie eine besondere Wissenschaft einzurichten, da doch alle anderen Energiearten innerhalb der Physik Unterkunft finden müssen.

Das tatsächliche Verhältnis des Bestehens der Chemie als besonderer, bereits vielfach unterteilter Wissenschaft rechtfertigt sich aber zunächst von außen dadurch, daß die Chemie im praktischen Leben und in der Industrie einen sehr ausgedehnten Raum einnimmt, der dem der gesamten Physik vergleichbar, wenn nicht überlegen ist. Psychologisch ergibt sich die Denk- und Arbeitsweise des Chemikers so erheblich verschieden von der des Physikers, daß auch deshalb eine Trennung angemessen erscheint. Endlich aber liegt in der Beschaffenheit der chemischen Energie selbst gegenüber den anderen Arten ein bedeutender Unterschied.

Während es z.B. nur eine Art Wärme oder Bewegungsenergie gibt, und in der Elektrik nur die beiden polar entgegengesetzten Formen, so gibt es in der Chemie wie auch nach weitgehendster theoretischer Reduktion doch mindestens 80 Arten, nämlich so viele, als es chemische Elemente gibt. Das erfahrungsmäßige Gesetz, daß sich die Elemente nicht ineinander umwandeln lassen, In neuester Zeit sind Umwandlungen von Elementen ineinander beobachtet worden, indessen unter so besonderen Verhältnissen, daß einstweilen von der Berücksichtigung dieser neuen Entdeckungen abgesehen werden kann. beschränkt auch die entsprechenden Umwandlungen der chemischen Energie ineinander und kennzeichnet so die Unabhängigkeit dieser verschiedenen Arten. Hieraus ergibt sich denn eine unverhältnismäßig viel größere Mannigfaltigkeit der Verhältnisse, die in den vielen Tausenden individualisierter chemischer Stoffe oder Verbindungen ihren Ausdruck findet.

Die große Mannigfaltigkeit und die geringe Gesetzmäßigkeit, die man bisher bezüglich der Eigenschaften und gegenseitigen Beziehungen dieser vielen Stoffe ermittelt hat, machen die gegenwärtige Chemie mehr zu einer beschreibenden als rationalen Wissenschaft. Erst seit drei Jahrzehnten ist ein ernstlicher und erfolgreicher Versuch begonnen worden, die strengeren Methoden der Physik auch auf die Untersuchung chemischer Erscheinungen anzuwenden. Soweit diese Arbeiten bisher gehen, haben sich hierbei auch weitreichende und umfassende Gesetzmäßigkeiten nachweisen lassen.

Die Bedeutung der Chemie für das menschliche Leben liegt nach zwei Richtungen. Einmal beruht der Energiebetrieb des menschlichen Körpers (ebenso wie der aller anderen Lebewesen) ganz vorwiegend auf der Betätigung chemischer Energien in den mannigfaltigsten Formen. Somit ist die Chemie für die Biologie, insbesondere die Physiologie von allen physischen Wissenschaften die wichtigste. Sodann ist bereits mehrfach betont worden, daß die chemische Energie die besondere Eigenschaft hat, sich sehr lange aufbewahren zu lassen, ohne in andere Formen überzugehen und sich zu zerstreuen. Gleichzeitig läßt sich in dieser Form die Energie am stärksten konzentrieren; von chemischer Energie kann man in einem gegebenen Raume mehr unterbringen, als von irgendeiner anderen Energie. Beide Eigentümlichkeiten darf man wohl auch als den Grund ansehen, warum die Lebewesen ganz vorwiegend mittels chemischer Energie betrieben werden. Jedenfalls sind sie der Grund, weshalb die chemische Energie als erste Quelle für fast alle in der Industrie gebrauchte Energie dient.

Die oben erwähnte Mannigfaltigkeit der chemischen Energie ist ferner die Ursache für die besondere Art, in welcher chemische Energie sich in andere Formen umwandelt. Für die anderen Arten ist hierzu nichts Weiteres erforderlich: stößt ein geschleuderter Stein gegen eine Mauer, so verliert er eben seine Bewegungsenergie, indem diese größtenteils in Wärme übergeht. Damit aber die chemische Energie z.B. der Steinkohle verfügbar wird, ist die Steinkohle allein nicht genügend, sondern es gehört noch ein zweiter chemischer Stoff, z.B. der Sauerstoff der Luft, dazu. Durch die Wechselwirkung beider entsteht ein neuer Stoff, und erst bei diesem Vorgange wird ein entsprechender Anteil der chemischen Energie verfügbar. Allerdings gibt es auch einige wenige chemische Vorgänge (allotrope und isomere Umwandlungen), bei denen ein einzelner Stoff ohne Mitwirkung eines anderen Energie ausgeben kann. Aber diese Beträge sind verschwindend klein gegenüber denen, die bei der Wechselwirkung zweier und mehrerer Stoffe frei werden. Gerade die hierdurch gegebene geringere Gelegenheit der Transformation chemischer Energie ist der Hauptgrund dafür, daß sie sich so lange und leicht aufbewahren läßt. Man braucht eben nur die Berührung mit dem anderen Stoffe zu verhindern. Allerdings erweist sich diese Aufgabe in höchster theoretischer Strenge als nahezu unlösbar; praktisch dagegen kann sie wenigstens auf so lange Zeiten leicht gelöst werden, daß es besonderer Hilfsmittel bedarf, um zu erkennen, daß es sich um eine temporäre, nicht um eine grundsätzliche Lösung handelt. In wissenschaftlicher Ausdrucksweise ist dies dahin zu begründen, daß man die Diffusion der verschiedenen Stoffe ineinander theoretisch nie vollkommen ausschließen kann, während allerdings die Geschwindigkeit der Diffusion über Strecken, die sich nur nach Dezimetern messen, bereits außerordentlich klein ist.

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