Spektralanalyse und die vereinfachte Darstellung von Entdeckungen: Bunsen, Kirchhoff, Alter

BLOG: RELATIV EINFACH

… aber nicht einfacher
RELATIV EINFACH

Ich bin gerade dabei, für meine Blogbeiträge zur Vorlesung Methoden der Astronomie für Nichtphysiker den Abschnitt über Spektrallinien und Spektralanalyse aufzuschreiben. Hier noch eine Notiz vorab: Gerade in einer Zeit, wo die einen “postfaktisch!” schreiben und die anderen sich darüber aufregen, fand ich am Beispiel meines Themas spannend, welche Fallstricke es für solche populärwissenschaftlichen Darstellungen gibt – am Beispiel der Priorität von Entdeckungen.

Entdeckungen – wer war der erste?

Es gibt (mindestens) drei Stufen des Umgangs mit wissenschaftlichen Entdeckungen. In der ersten Stufe wird die Standardform der verkürzten Geschichte wiederholt. Bei meinem Thema wäre dies: Gustav Kirchhoff und Robert Bunsen haben Mitte des 19. Jahrhunderts entdeckt, dass sich chemische Elemente anhand ihrer Spektrallinien identifizieren lassen.

Das ist die am meisten vereinfachte Form, die einen komplexen Prozess auf wenige Protagonisten reduziert, die Großen der Wissenschaft, und auf das einfache Ereignis der “Entdeckung”. So steht es im physikalischen Lehrbuch, in dem Wissenschaftsgeschichte ja gerne nur als ungefähres Beiwerk dient und entsprechend zusammengekürzt wird, bis eine aller Sackgassen und Abzweigungen entkleidete Legende vom linearen Fortschritt entsteht.

bunsen-fig2
Kirchhoff und Bunsen: “Chemische Analyse durch Spectralbeobachtungen” in Annalen der Physik und Chemie, Bd. 110 No. 6, 1860, S. 161-189. Neu herausgegeben von Gabriele Dörflinger, Universitätsbibliothek Heidelberg

Die zweite Stufe wird oft nicht weniger naiv-verkürzt präsentiert, aber kommt mit Neuigkeiten, mit Enthüllungen: Sensation! Nicht ABC hat im Jahre X die Entdeckung gemacht, sondern bereits DEF im Jahre Y! Die Geschichte muss umgeschrieben werden!

Nun ist es richtig, dass man sehen sollte, wer was wann entdeckt hat; oft lagen bestimmte Entdeckungen ja auch gewissermaßen “in der Luft” und es war rückblickend nur eine Frage der Zeit, wann jemand den richtigen Versuch machen oder den richtigen Schluss ziehen würde.

David Alter und die Spektralanalyse

Aber bei genauerem Hinsehen, so die dritte Stufe, zeigt sich dann meist, dass es eben doch komplizierter war. Nehmen wir den heute weitgehend vergessenen Fast-Vor-Entdecker der Spektralanalyse, der Arzt David Alter aus Pennsylvania (siehe Retcofsky 2003).

(Und ja, ich bin froh, in einem Zeitalter zu leben, wo ich bei der Verfolgung solcher Quellen binnen Minuten im Internet fündig werde – früher hätte ich dafür in die Bibliothek fahren, in diesem Falle wahrscheinlich per Fernleihe den Artikel bestellen müssen und hätte dann erst in einigen Wochen weiterschreiben können.)

In den von Retcofsky angegebenen Artikeln, Alter 1854 und Alter 1855, veröffentlicht im Fachjournal der wissenschaftlichen Gesellschaft von Boston, kann man nachlesen, dass Alter in der Tat interessante Experimente gemacht und dokumentiert hat: dass das Licht bestimmter Metalle charakteristische Linien aufweist, und dass auch Gase charakteristische Linien haben. Inspiriert wurden Alters Forschungen übrigens durch die Fraunhoferlinien.

Kirchhoff und Bunsen

Aber im Einzelnen sieht man dann doch deutliche Unterschiede zu dem Vorgehen von Kirchhoff und Bunsen – die haben sich systematisch bemüht, andere mögliche Einflüsse, z.B. der Temperatur, auszuschließen, und so zu zeigen, dass es tatsächlich die chemischen Elemente sind, die für die unterschiedlichen Linien verantwortlich sind, keine sonstigen z.B. physikalischen Eigenschaften.

Und der Durchbruch, nämlich der Beleg, dass es nicht nur um Kuriositäten ging, sondern um ein nützliches Verfahren, gelang Kirchhoff und Bunsen bei Cäsium und Rubidium, also bis dahin unbekannten Elementen, die erst anhand ihrer Spektrallinien nachgewiesen und anschließlich von Bunsen chemisch isoliert wurden.

Wo Alter eher schematisch die Farben der Linien vergleicht, bemühten sich Kirchhoff und Bunsen um Genauigkeit. Die zahlte sich dann z.B. bei dem Nachweis aus, dass sich dunkle Fraunhoferlinien im Sonnenspektrum tatsächlich bei derselben Wellenlänge befinden wie helle, angeregte Linien erhitzter Proben chemische Elemente. Das war der Beginn der Astrochemie: Rückschlüssen vom Spektrum der Sonne oder der Sterne auf deren chemische Zusammensetzung.

Gründlich entdecken

Daher wäre es falsch, jetzt Kirchhoff und Bunsen beiseitezuschubsen und stattdessen Alter den Titel “Entdecker der Spektralanalyse” anzuheften. Was bei Alter interessante Betrachtungen waren, bekam bei Kirchhoff und Bunsen Hand und Fuß, mit systematischen Tests und Anwendungen, deren Nutzen jedem Chemiker einsichtig war.

Es war demnach wie bei der europäischen Entdeckung Amerikas. Auch da gibt es ja eine Industrie an Büchern und Artikeln, wer denn da vor Kolumbus noch alles am Werke gewesen sein soll. Dabei steht dasselbe verengte Verständnis von Entdeckung im Hintergrund. Ich weiß nicht, von wem die Formulierung stammt, Kolumbus sei wichtig, weil er (unter den europäischen Entdeckern) derjenige gewesen sei, der Amerika gründlich genug entdeckt habe, dass es nach ihm niemand noch einmal entdecken musste. Das war für den Fortgang der geschichtlichen Entwicklung das Entscheidende. Und genauso ist es auch bei wissenschaftlichen Entdeckungen.

Sicher hatten Kirchhoff und Bunsen außerdem noch den unfairen Vorteil, dass sie in der Wissenschaft gut vernetzt waren, in Heidelberg in einem anregenden und kommunikativen Umfeld, und dass zu jenem Zeitpunkt insbesondere Bunsen bereits einen soliden wissenschaftlichen Ruf hatte. Sprich: Selbst wenn Alter einerseits, Kirchhoff/Bunsen andererseits in ihrer Forschung genau dasselbe getan hätten, wäre gut möglich gewesen, dass trotzdem niemand von Alters Arbeit erfahren hätte und nur die Ergebnisse Kirchhoffs und Bunsens in der Fachwelt bekannt geworden wären.

Aber so war es in diesem Falle eben nicht. Kirchhoff und Bunsen haben schlicht so gründlich und umfangreich gearbeitet, dass nach ihrer Entdeckung niemand weiteres mehr die Spektralanalyse entdecken musste.

 

Markus Pössel hatte bereits während des Physikstudiums an der Universität Hamburg gemerkt: Die Herausforderung, physikalische Themen so aufzuarbeiten und darzustellen, dass sie auch für Nichtphysiker verständlich werden, war für ihn mindestens ebenso interessant wie die eigentliche Forschungsarbeit. Nach seiner Promotion am Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut) in Potsdam blieb er dem Institut als "Outreach scientist" erhalten, war während des Einsteinjahres 2005 an verschiedenen Ausstellungsprojekten beteiligt und schuf das Webportal Einstein Online. Ende 2007 wechselte er für ein Jahr zum World Science Festival in New York. Seit Anfang 2009 ist er wissenschaftlicher Mitarbeiter am Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg, wo er das Haus der Astronomie leitet, ein Zentrum für astronomische Öffentlichkeits- und Bildungsarbeit. Pössel bloggt, ist Autor/Koautor mehrerer Bücher, und schreibt regelmäßig für die Zeitschrift Sterne und Weltraum.

10 Kommentare

  1. Die Frage, wer der oder die erste war, dem/der eine Entdeckung gelungen ist, beantwortet sich also letztlich mit der besten / genauesten Antwort auf das fragliche Problem.

    Es geht gar nicht so sehr darum, wer was wann entdeckt hat – und meist waren (sind) es ja auch mehrere, die “..den richtigen Versuch machen oder den richtigen Schluss ziehen (…)”. Im Fall von Kirchhoff und Bunsen kam hinzu, dass sie zur damaligen scientific community gehörten, aber auch das ist nicht generell ausschlaggebend gewesen (was heute wohl anders ist): Gregor Mendel ist mit seinen Vererbungsregeln in die Geschichte eingegangen, obwohl er Abt war und kein Vererbungsforscher wie de Vries, Tschermak und Correns, die diese Regeln nach ihm (wieder-)entdeckt hatten.

    Letztlich geht es um die Sorgfalt der Arbeit – aber auch und vor allem um die Möglichkeiten, die “Forscher” haben.
    Mich interessiert das Thema natürlich besonders wegen seiner Parallele zu meiner Arbeit: Die ersten, die zur selben Entdeckung wie ich gekommen waren, waren drei us-amerikanische Psychologen, die 1978 ihre Ergebnisse veröffentlicht hatten. Das wurde von der scientifc community zur Kenntnis genommen, aber der Schlussfolgerung wollte dann doch niemand folgen – das gaben die Ergebnisse einfach nicht her – trotz sorgfältiger Arbeit.
    1986 kam eine Mathematikerin zu exakt derselben Entdeckung – nur fiel die eben nicht in ihr Fachgebiet, weshalb sie den wesentlichen Teil der Lösung nicht liefern konnte.
    13 Jahre nach ihr kam ich zu dieser Entdeckung und, wie ich meinte, auch im richtigen Fachgebiet. In diesen 17 Jahren, die seitdem vergangen sind, stellte sich heraus, dass die Lösung weit über das Fachgebiet der Psychologie und der Neurowissenschaften hinausgeht. Inzwischen bin ich bei der Physik der Philosophie gelandet – und alles, was jetzt noch fehlt, ist die Mathematisierung. Die daran scheitert, dass es diese Mathematik noch nicht gibt und die derzeitige nicht ausreicht, um zu beschreiben, was ich bisher nur in natürlicher Sprache formulieren kann: die Formel für die Grundregel der Kausalität.

    Wer als der bzw. die erste gilt, hängt also immer auch davon ab, ob alle Voraussetzungen gegeben sind, die für die Entdeckung als Lösung eines Problems unabdingbar sind.

    • “Beste / genaueste Antwort” allerdings auch nicht – da gibt es zuviele Gegenbeispiele von Leuten, die im stillen Kämmerlein arbeiten und nichts veröffentlichen, bis alles perfekt ist – nur dass die Wissenschaft dann längst weiter ist. Insofern: diejenige Antwort, die gerade gut genug ist, reicht – ist aber schwer zu definieren!

  2. Ok, sagen wir es so: Zum Zeitpunkt, da die Antwort erstmals öffentlich gemacht und anerkannt wird, ist sie wohl die beste und genaueste. Im Rückblick bzw. bei der Beschäftigung mit ihr fällt dann auf, dass sie gut genug gewesen ist, aber eben doch nicht ausreicht.

    Einsteins Spezielle Relativitätstheorie war erst einmal gut genug, Mendels Vererbungsregeln dagegen zu seinen Lebzeiten nicht, weil man zum damaligen Zeitpunkt noch nichts von Genen wusste.

    Eine Rolle spielt also auch, wie gut eine Entdeckung ins herrschende Weltbild passt. Wegeners Plattentektonik passte zunächst überhaupt nicht, und weder ihm noch Mendel hat es genutzt, dass sie post(h)um zu Ehren kamen.

    Wallace und Darwin hatten ihre Idee von der Evolution zur selben Zeit, entscheidend waren zum einen die Unterschiede, zum anderen aber, dass Darwin mit der Erstveröffentlichung vor Linnean society die Nase vorn hatte – obwohl es der Gag schlechthin ist, dass die Mitglieder dieser Gesellschaft alle Fachleute waren, aber vom Vorsitzenden der gesellschaft in die Sommerpause verabschiedet wurden mit den Worten, wie schade es sei, dass es auch in diesem Jahr keine bemerkenswerte Entdeckung gegeben habe, die ihr Fachgebiet vorangebracht hätte.

    • > Einsteins Spezielle Relativitätstheorie war erst einmal gut genug, Mendels Vererbungsregeln dagegen zu seinen Lebzeiten nicht, weil man zum damaligen Zeitpunkt noch nichts von Genen wusste.

      Diese Formulierung zu Mendels Entdeckung ist wohl reichlich deplatziert. Viel besser passt die Formulierung aus der Wikipedia: The profound significance of Mendel’s work was not recognized until the turn of the 20th century. … Mendel explained inheritance in terms of discrete factors—genes—that are passed along from generation to generation according to the rules of probability.

  3. Heute gilt ja:

    Modern scientists are sometimes judged by the number of times their work is cited by others—this is actually a key indicator of the relative importance of a work in science

    Dies galt wohl schon zur Zeit von Bunsen und Kirchhoff. Ihre Arbeit wurde gelesen und von anderen verwendet und die Gründlichkeit der Arbeit überzeugte sowohl Leser als auch reproduzierende Experimentatoren. Das lässt die Frage aufkommen, ob es Entdeckungen gibt, wo die Entdecker nicht gründlich arbeiteten und trotzdem den Entdeckerruhm einheimsten? Dazu fällt mir kein Beispiel ein.
    Es gibt aber “Negativ-Entdeckungen”, die mit einem Entdecker-Namen verbunden bleiben. Mit Negativ-Entdeckungen meine ich, dass eine gründliche Untersuchung eben nichts von dem fand, was man eigentlich erwartete. Das Michelson-Moorley-Experiment ist ein solches Beispiel: Michelson und Moorley wollten (Zitat Wikipedia) “die Geschwindigkeit der Erde relativ zum Lichtäther auf ihrer Bahn um die Sonne nachweisen” indem sie die Lichtgeschwindigkeiten in Bewegungsrichtung der Erde mit der Lichtgeschwindigkeit senkrecht dazu bestimmten. Ihre für damalige Verhältnisse sehr genauen Untersuchungen lieferte aber annähernd ein Nullresultat. Trotz oder gerade wegen dem Nullresultat ist ihre “Negativ-Entdeckung” aber in die Geschichte eingegangen.

  4. Dazu kommt bei der Prioritätsfrage ja in der Physik auch die Frage Theoretische Beschreibung/ Experiment wie bei der Entdeckung der elektromagnetischen Wellen.

    Da gab es ja die theoretische Entdeckung, dass durch Hinzufügen des Verschiebungsstroms zu den Maxwell’schen Gleichungen man Wellengleichungen für die Felder erhält, durch Maxwell.
    Die erste Messung durch Hertz war dann aufgrund dieser Vorhersage ein paar Jahre später. Davor hatten schon einige Leute die elektromagnetischen Wellen gemessen, dachten aber, es wäre nur Induktion; oder die Publikation wurde aus diesem Grund abgelehnt.

    Dazu kommen dann noch Entdeckungen von Wellen sehr großer Frequenz wie bei Röntgen, oder technische Umsetzung bei Marconi, sodass dass Ganze Bild sehr unübersichtlich wird. Außerdem wollen ja die Leute oder Institution oder Nationen oder wer auch immer im Nachhinein den Ruhm der Mitentdeckung einheimsen.

    PS Maxwell hat zu den Maxwell’schen Gleichungen nur einen Summanden hinzugefügt und doch tragen sie insgesamt seinen Namen.

    • Die Theorie ist sicher wichtig; bei Bunsen und Kirchhoff ist das eine interessante Mischung: die Deutung der Spektrallinien hängt ja direkt mit Kirchhoffs allgemeineren Gesetzen für Emission und Absorption von Strahlung zusammen.

      Zu Maxwell: Da finde ich das PS verkürzend. Die große Leistung war aus meiner Sicht, zu erkennen, dass und wie diese unterschiedlichen Phänomene zusammenhängen (Elektrische Phänomene, magnetische Phänomene, Licht), und direkt nachzuweisen wie das funktioniert – eben unter Hinzufügung des unter diesen Voraussetzungen zwingend nötigen Zusatzterms.

  5. Ja, Maxwell,subsumiert quasi alle seine Vorgänger – und bleibt als einziger klassischer Elektromagnetismusforscher in unserem kollektiven Gedächtnis erhalten.
    Irgendwann werden auch die Namen Bunsen und Kirchhoff nur noch Verwunderung und keine Erinnerung mehr hervorrufen. Übrigbleiben tun von den Physikern nur die (vermeintlichen?) Geisteriesen: Newton, Maxwell, Einstein, die Quantenbande (Bohr, Heisenberg, Schrödinger,Dirac). Wers aber in diesem Jahrhundert – wenn überhaupt -, auch noch auf diese Liste schafft, bleibt ungewiss.

  6. For a short while we could congratulate ourselves on discovering completely new physics. It did not last long, because, on a trip to Paris, Thouless met Paul Martin, who was spending a sabbatical there, and he said that he had heard the story before, from some Russian visitor who knew of Berezinskii’s work. This was too early for us to have the translations available, we had little knowledge of Russian between us, and we cannot remember why we did not get a colleague to translate the papers for us. We cited two papers by Berezinskii; the first of these is irrelevant, but the second anticipated our published work by a year. For reasons we do not know, and about which it is inappropriate for us to speculate, our work had more impact than Berezinskii’s, and was much more often quoted.

    Kosterlitz und Thouless weisen selber darauf hin, dass sie sich wundern wie wenig Beachtung Beresinskis Arbeit fand:

    http://www.worldscientific.com/doi/suppl/10.1142/8572/suppl_file/8572_chap01.pdf