Energie

Rektoratsrede

Eidgenössischen Technischen Hochschule von

Polygraphischer Verlag A.-G. Zürich • 1945

Die Chronik berichtet: Im Jahre 1715 zeigte ein Mann mit Namen Orffyreus in Merseburg eine Maschine, welche die Eigenschaft besaß, wochenlang von selbst in Bewegung zu bleiben. Viel Volkes wanderte herbei, das Wunder zu beschauen. Orffyreus nannte seine Maschine «Triumphans Perpetuum mobile Orffyreanum» und brachte an ihr eine Büchse an zur Sammlung von Geldbeiträgen für wohltätige Zwecke. Der Landgraf von Hessen-Kassel, ein eifriger Förderer der Wissenschaften, erteilte ihm den Titel eines Kommerzienrates und berief ihn an seinen Hof. Da behauptete eine Dienstmagd, sie hätte helfen müssen, das Perpetuum mobile von einem Nebenraume aus anzutreiben. Sie schwor ihre Aussage zwar wieder ab, und viele Bewunderer ließen sich in ihrem Glauben an Offyreus nicht irremachen. Aber sein Ruhm war dahin, und er starb einige Zeit später verlassen und vergessen.

Heute wissen wir, daß es ein Perpetuum mobile nicht gibt. Dieses Wissen ist uns zu einer Selbstverständlichkeit geworden. Die Physik lehrt, daß zur Leistung von Arbeit Energie notwendig ist, und daß Energie sich weder aus nichts erzeugen noch vernichten, sondern nur umwandeln läßt. Diese Einsicht hat sich kristallisiert im Satze von der Erhaltung der Energie, der heute einen Grundpfeiler unserer gesamten Naturerkenntnis bildet. Gegen diesen Satz verstößt das Perpetuum mobile. Bestünde auch nur ein einziger Mechanismus solcher Art, so ließe sich die Welt aus den Angeln heben. Schon im Jahre 1775 beschloß die Académie des Sciences in Paris, keine Vorschläge eines Perpetuum mobile mehr zur Prüfung entgegenzunehmen, mit der kurzen und bündigen Begründung: «Le mouvement perpétuel est absolument impossible.»

Die Entdeckung des Satzes von der Erhaltung der Energie in seiner klassischen, allgemeinen Form liegt aber nur wenig mehr als hundert Jahre zurück. Wie durch den Riß einer Wolkendecke eröffnete sie einen Blick in jenes ferne Königreich der Natur, das hinter dem Schattenspiel der Erscheinungen liegt, und das beherrscht wird durch die Gesetze einer letzten Einfachheit, Einheitlichkeit

und Denknotwendigkeit. Es war ein weiter Weg, der zu den Höhen dieser Erkenntnis führte. Große Gedanken haben ihre Geschichte.

In Urzeiten mochte wohl das Naturgeschehen dem Menschen vor allem als ein Bild steter Schöpfung und Vernichtung sich dargeboten haben. Wellen gleich tauchten für ihn die Ereignisse aus dem Ozean der Zeit empor und zerrannen wieder wie Wellen. Erst mit dem Einsetzen einer eigentlichen Kultur verschwand der Glaube an den blinden Zufall und trat an seine Stelle die Überzeugung eines Beharrens im Wechsel, wie (lies durch Goethes Worte seinen Ausdruck findet:

«Alle Gestalten sind ähnlich und keine gleichet der andern,
Und so deutet das Chor auf ein geheimes Gesetz.»

Ursache und Wirkung wurden unterschieden, und aus ihrer innigen Verflechtung das geistige Gefäß der kausalen Vorstellungen geformt, welches, an sich noch leer, bereit war, den Erfahrungsinhalt der Naturbeobachtung aufzunehmen. Der Begriff einer kausalen Ordnung ist die älteste Wurzel des Satzes von der Erhaltung der Energie und überhaupt jener höchst bedeutungsvollen physikalischen Beziehungen, welche als Erhaltungssätze bekannt sind. Wir finden sie bereits bei den Denkern des Altertums, von welchen wir nur einen nennen wollen: Demokrit.

Demokrit, im Jahre 460 vor Beginn unserer Zeitrechnung in der ionischen Kolonie Abdera geboren, konnte mit berechtigtem Stolze von sich sagen: «Unter allen meinen Zeitgenossen habe ich das größte Stück der Erde durchschweift, nach dem Entlegensten forschend, und die meisten Himmelsstriche und Länder gesehen, die meisten denkenden Männer gehört; und in der geometrischen Konstruktion und Beweisführung hat mich niemand, haben mich nicht einmal die Geometer der Ägypter übertroffen, bei denen ich im ganzen fünf Jahre als Fremdling verweilt habe.» Seine Schüler aber ermahnte er: «Nicht nach der Fülle des Wissens sollt ihr streben, sondern nach der Fülle des Verstandes.» Er lehrte: «Aus nichts wird nichts. Nichts, was ist, kann vernichtet werden. Alle Veränderung ist nur Verbindung und Trennung von Teilen. Nichts geschieht zufällig, sondern alles aus einem Grunde und mit Notwendigkeit. Nichts existiert, als (1er leere Raum und die Atome;

alles andere ist Meinung. Die Atome sind ein Letztes und Unteilbares und ihre Bewegung ist ewig.»

Der Erhaltungsgedanke der Antike fand mit der erwachenden neuzeitlichen Forschung seine Wiederbelebung durch zwei große Philosophen, René Descartes und Georg Wilhelm Leibniz, welche an Art zwar verschieden, doch an Seltenheit der Begabung gleich ausgezeichnet waren. Descartes wurde 1596 in La Haye in der Touraine geboren. Seine Erziehung erhielt er in einem Jesuitenkollegium. Der Dreißigjährige Krieg bildet den düsteren szenischen hintergrund seines Lebens. Er starb 1650 in Stockholm als der Lehrer der Schwedenkönigin Christine, der gelehrten Tochter Gustav Adolfs. Als Descartes' Hauptwerk gelten seine «Principia philosophiae». Hier entwickelt er eine eigenartige Lehre von der Unzerstörbarkeit der Bewegung. Weil Bewegung immer war und nie aufhört, ist Gott deren letzte Ursache. Und weil Gott immer derselbe bleibt, so muß auch die in der Welt vorhandene Bewegungsmenge unverändert bleiben. Dem außerordentlich scharfen Verstande Descartes' gelingt es aber, mit «Bewegungsmenge» einen exakten Begriff zu verbinden. Er versteht darunter das Produkt aus der Masse und der Geschwindigkeit eines Körpers, d. h. das, was wir heute Bewegungsgröße oder Impuls nennen. So stellt er den für die Physik grundlegenden Satz von der Erhaltung des Impulses erstmalig auf. Nicht ganz dreihundert Jahre später wurde durch die Relativitätstheorie dessen innere Verbundenheit mit dem Satz von tier Erhaltung der Energie aufgezeigt. Descartes' unvergängliche Verdienste liegen in erster Linie auf dem Gebiete der Mathematik. Er ist der eigentliche Schöpfer der analytischen Geometrie. Das weitgesteckte Ziel seines Strebens bestand im Auffinden allgemeiner, strenger Denkformen, welche geeignet sind, das Naturgeschehen exakt zu beschreiben. Er sagt selbst: «Nach aufmerksamer Erwägung habe ich gefunden, daß alle Wissenschaften, die es mit der Erfassung der Ordnung und des Maßes zu tun haben, sich auf die Mathematik beziehen, gleichviel ob sie dieses Maß in den Zahlen, Figuren, Gestirnen oder in ganz anderen Objekten aufsuchen, und daß es deshalb eine Universaiwissenschaft geben muß, die alles auf Ordnung und Maß Bezügliche entwickelt».

Wie Descartes als ein Vorläufer ist der um ein halbes Jahrhundert

jüngere, weltmännische und weltgewandte Leibniz als ein Vertreter der Aufklärung zu betrachten. Auch Leibniz ist groß als Mathematiker. Es ist bekannt, daß er gleichzeitig und unabhängig von Newton die Grundlagen der Differential- und Integralrechnung erfand. Die wichtigsten heute noch gebräuchlichen Bezeichnungsweisen dieser Rechnungsmethoden stammen von ihm. Leibniz unterscheidet bei einer Bewegung lebendige und tote Kräfte. Die lebendigen Kräfte sind es, welche Wirkung auszuüben imstande sind. Als Maß für diese Wirkung wird die Ursache festgesetzt, welche das Auftreten der lebendigen Kräfte überhaupt ermöglicht. Ein Stein kann erst fallen, wenn er sich in gehobener Lage befindet. Daher wählt Leibniz als Maß der lebendigen Kraft des Falles die Hubarbeit, durch welche ein schwerer Körper in seine Ausgangslage verbracht wird. Auf diese Weise gelangt Leibniz ganz allgemein zur Definition der lebendigen Kraft als dem halben Produkt aus der Masse und dem Quadrate der Geschwindigkeit eines Körpers. Der Ausdruck Lebendige Kraft hat sich bis heute noch erhalten, obwohl sein Ursprung meist vergessen ist. Man bevorzugt die Bezeichnung Kinetische Energie oder Energie der Bewegung. Der alte Gedanke von der Unvergänglichkeit der Bewegung im Weltall wird bei Leibniz zum Satze von der Erhaltung der lebendigen Kraft. Er schreibt selbst: «Es ist nun sicher zweckmäßig anzunehmen, daß sich stets der gleiche Gesamtbetrag an Bewegungsfähigkeit in der Natur erhält und sich weder vermehrt noch vermindert, denn wir sehen ja bei keinem Körper Kraft verlorengehen, ohne daß sie sich auf einen andern überträgt; daher kann auch niemals eine immerwährende mechanische Bewegung von selbst zustande kommen, denn keine Maschine, geschweige denn die gesamte Welt, kann ihre Kraft steigern ohne neuen Antrieb von außen her.»

Die Leibnizsche Lehre von der lebendigen Kraft wurde vor allem von dem großen Basler Mathematiker Daniel Bernoulli, Sohn des ebenfalls bedeutenden Johann Bernoulli, weiter ausgebaut. Ihm verdanken wir die erste exakte und allgemeine, auch heute noch gültige Formulierung des Energiesatzes der Mechanik; er legte sie nieder in der 1748 erschienenen Abhandlung «Sur le principe de la conservation des forces vives». Der Begriff der potentiellen Energie ist ihm geläufig, wenn er auch den Namen noch nicht verwendet.

Er berechnet die in einem Kubikfuß Schwarzpulver schlummernde Energie in mechanischem Maße und findet, daß sie ausreichend wäre, ein Gewicht von nahezu 200 Millionen Pfund einen Fuß hoch zu heben, «eine Arbeit, welche wohl hundert stämmige. Männer nicht im Zeitraum eines Tages verrichten könnten». Dieser Wert entspricht durchaus der richtigen Größenordnung. Er erkennt den Zusammenhang der Wärme eines Körpers mit der Bewegungsenergie seiner kleinsten Teilchen. In seiner berühmten Hydrodynamik lehrt er: «Je stärker die Wärme ist, um so heftiger ist unter allen Umständen die Bewegung der Teilchen», und entwickelt aus dieser Vorstellung grundlegende Gedanken zu einer kinetischen Theorie der Gase.

Die Welt schien nun reif zu sein, eine große neue Wahrheit zu erfahren, nämlich die erste Verallgemeinerung des mechanischen Energieprinzipes auf das Gebiet der Wärme und damit die Lehre von der Äquivalenz von Wärme und Arbeit. Denn auch die Technik regte sich. Von 1765 an erfindet James Watt die doppelt wirkende Dampfmaschine mit Selbststeuerung, Schwungrad und Kurbel. Aber letzten Endes hatte es das Energieprinzip mit der ganzen Wissenschaft zu tun, und in diesem weiten Felde waren die Gegenströmungen noch zu zahlreich. Hemmend wirkte einerseits die mehr und mehr an Boden gewinnende Auffassung von der Wärme als einem unzerstörbaren Stoffe, anderseits und vor allem aber die Anschauung vieler Forscher, daß das Ziel der Naturwissenschaften lediglich in einem getreuen Beobachten der Erscheinungen beruhe, nicht aber in einer Analyse der Natur auf der Grundlage des Abstrakten. Für diese Richtung kennzeichnend ist die Haltung des alternden Goethe, z. B. wenn er sagt: «Als getrennt muß sich darstellen Physik von Mathematik. Die große Aufgabe wäre, die mathematisch-philosophischen Theorien aus den Teilen der Physik zu verbannen, in welchen sie Erkenntnis statt zu fördern nur verhindern, und in welchen die mathematische Behandlung durch Einseitigkeit der Entwicklung der neueren wissenschaftlichen Bildung eine so verkehrte Anwendung gefunden hat. Es ist eben das größte Unheil der neueren Physik, daß man die Experimente gleichsam vom Menschen abgesondert hat und bloß in dem, was künstliche Instrumente zeigen, die Natur erkennen, ja was sie leisten kann,

dadurch beschränken und beweisen will.» Rund ein halbes Jahrhundert mußte noch verstreichen, bis die Bahn für die neue Erkenntnis frei war. Aber dann erfolgte der Durchbruch mit Macht. Er bedeutet, wenigstens in seinen Auswirkungen, das größte wissenschaftliche Ereignis des 19. Jahrhunderts. An ihn knüpfen sich vor allein drei Namen: Julius Robert Mayer, James Prescott Joule und Hermann von Helmholtz. Ein Vierter, dem ebenfalls ein Anteil an der Krone gebührt hätte, war zu früh verblichen: Sadi Carnot.

Im Jahre 1840 unternimmt der 26jährige Arzt Robert Mayer aus Heilbronn eine Reise nach Ost-Indien. Er ist ein temperamentvoller Feuerkopf, der sich für alles brennend interessiert, was in der Natur vorgeht. Bei Aderlassen auf Java glaubt er zu beobachten, daß das venöse Blut heller sei als in nördlichen Breitegraden. Blitzartig durchzucken ihn einige Gedanken. Die Überzeugung ergreift von ihm Besitz, daß (lie Physiologie des Stoffwechsels den gleichen physikalischen Gesetzen unterworfen sei, wie die unbelebte Natur. Er vermutet eine quantitative Abhängigkeit des Wärmehaushaltes im Körper von der Temperatur der Umgebung. Physik weiß er wenig. Aber er ist durchdrungen von der Größe und Bedeutung der Zusammenhänge, welche sich ihm offenbaren. Das Gesetz von Ursache und Wirkung muß für die Natur in ihrer ganzen Allgemeinheit gelten, und zahlenmäßig genau so groß wie die Ursache war, muß auch die Wirkung sein. Von der Reise zurückgekehrt, trägt er seine Ideen dem tüchtigen Tübinger Physiker Nörremberg vor und erhält zur Antwort: «Ja, wenn Sie ein neues Experiment auf Ihre Theorien gründen können, dann ist Ihre Sache gemacht.» Nörremberg erhebt ferner den Einwand, daß Flüssigkeiten beim Schütteln sich erwärmen müßten. Robert Mayer geht nach Hause und stellt Versuche an. Es ist uns ein ausgedehnter Briefwechsel von Mayer erhalten, so daß wir über viele Einzelheiten unterrichtet sind. Am 12. September 1841 schreibt er an seinen Freund Baur: «Den Nachweis, den Nörremberg verlangt, daß durch Schütteln sich Wärme erzeugen läßt, habe ich durch viele, stets gelungene, vorsichtige Versuche geleistet. Eine Lebensfrage für meine Theorien, die sich mit mathematischer Gewißheit entwickeln lassen, bleibt nun die Lösung der Frage: Wie hoch muß ein Gewicht — etwa 100 Pfund — über die Erde erhoben sein,

daß die dieser Erhebung entsprechende und durch das Herablassen des Gewichtes zu gewinnende Menge von Bewegung gleich sei der Menge von Wärme, welche erforderlich, um ein Pfund Eis von 0 ⁰ in Wasser von 0 ⁰ zu verwandeln?» Um eine solche Zahl geht nun alles. «Wahrlich, ich sage Euch», läßt er später in einem Briefe sich vernehmen, «eine einzige Zahl hat mehr wahren Wert als eine kostbare Bibliothek voll Hypothesen!».

Im Jahre 1842 erscheint in Liebigs und Wöhlers «Annalen der Chemie und Pharmacie» eine kurze Veröffentlichung Robert Mayers unter dem Titel «Bemerkungen über die Kräfte der unbelebten Natur.» In dieser in mancher Hinsicht noch anfechtbaren Arbeit erscheint zum erstenmal diejenige Zahl, welche gestattet, Wärmeeinheiten in mechanischem Maße anzugeben und welche man das mechanische Wärmeäquivalent genannt hat. Mayer findet auf geistreichem Wege durch Rechnung, daß einer verbrauchten Kilo-Kalorie Wärme ein mechanischer Arbeitsbetrag von 365 Meter-Kilogramm entsprechen müsse. Es ist nebensächlich, daß diese Zahl später auf den genaueren Wert von 427 Meter-Kilogramm zu verbessern war; sie genügte, den Heilbronner Arzt unsterblich zu machen.

Mayers Arbeiten blieben mehrere Jahre hindurch unbeachtet. Obwohl er ein Gegner fruchtloser Naturphilosophie war, sind seine Gedankengänge naturphilosophischer Art und knüpft er an die großen Philosophen des Altertums an. Immer wieder begegnen wir in seinen Schriften dem Satze: «Causa aequat effectum», d. h. die Ursache ist gleichwertig mit der Wirkung, oder «Aus nichts wird nichts; nichts was ist, kann vernichtet werden.» Mayer besaß eine mächtige schöpferische Phantasie, aber ein gleiches Maß von unbeirrbarem Wissen war ihm versagt. Dieser Gegensatz führte zu einer inneren Problematik, welche sein späteres Leben zeitweise schwer überschattete.

Der Experimentator, dessen es bedurfte, um durch genaueste Messungen den zahlenmäßigen Nachweis für den Kreislauf der Energie zu führen, war James Prescott Joule. Joule begann seine Arbeiten unberührt von Mayers Ideenwelt. Seine erste Mitteilung erschien 1843 unter dem Titel «Über die erwärmenden Wirkungen der Magneto-Elektrizität und über den mechanischen Wert der

Wärme». Joule war Physiker aus Liebhaberei, aber er besaß den in der Forschung so überaus wichtigen Sinn für das Wesentliche. Er hat gemessen, und dadurch war er groß, denn seine Messungen entschieden alles. Auch Joule blieb die Anerkennung längere Zeit versagt. William Thomson, der spätere Lord Kelvin, der in der Geschichte der Physik zu den bedeutendsten Thermodynamikern zählt, berichtet über einen Vortrag, welchen Joule anläßlich der Versammlung der englischen Naturforscher in Oxford 1847 hielt: «Als ich Joules Abhandlung vorlesen hörte, war ich anfangs in Versuchung, mich zu erheben und zu erklären, daß sie unrichtig sein müsse. Allein nach und nach sah ich ein, daß die Abhandlung eine große Wahrheit und eine große Entdeckung enthielt.»

in Hermann von Helmholtz tritt nun der Mann auf den Plan, der mit überragendem Können den Gedanken der Erhaltung der Energie in seiner ganzen Allgemeinheit und Tragweite erfaßte und in die Grundlagen des physikalischen Wissens seiner Zeit einzufügen verstand. Seine berühmte Arbeit «Über die Erhaltung der Kraft» — später von Wilhelm Ostwald als erstes Heft der Sammlung «Klassiker der exakten Wissenschaften» herausgegeben — ist ein Jugendwerk, welches Helmholtz als junger Militärarzt im wesentlichen schon in den Jahren 1843 und 1844 fertig gestellt hatte, und dessen Inhalt er am 23. Juli 1847 vor der Physikalischen Gesellschaft in Berlin vortrug. In späteren Jahren erzählte er über dessen Entstehung: «Die Überzeugung von der Unmöglichkeit eines Perpetuum mobile habe ich während meiner Schulzeit oft genug aussprechen und die Unvollständigkeit der dafür zu erbringenden Beweise erörtern hören. Als Eleve des Friedrich-Wilhelm-Institutes hatte ich in der Bibliothek desselben Assistenz geleistet, und in den unbeschäftigten Minuten die Werke von Daniel Bernoulli, d'Alembert und anderer Mathematiker des vorigen Jahrhunderts mir herausgesucht und durchmustert. So stieß ich auf die Frage: Welche Beziehungen müssen zwischen den verschiedenartigen Naturkräften bestehen, wenn allgemein kein Perpetuum mobile möglich sein soll?, und die weitere: Bestehen nun tatsächlich alle diese Beziehungen?» Über seine Arbeit selbst bemerkt Helmholtz in deren Einleitung: «Gegenstand derselben ist der Versuch, ein bisher nur mit Beschränkungen angewendetes, notwendiges Grundgesetz der

Mechanik ganz allgemein durchzuführen, eine Idee, die in neueren Zeiten von vielen Seiten in Anregung gekommen, aber hier zum ersten Male vollständig ausgeführt ist.» Helmholtz hat den Energie. Satz der Mechanik tatsächlich auf alle Gebiete und Anwendungsmöglichkeiten der Physik erweitert. Um dies tun zu können, mußte er voraussetzen, daß alle Kräfte der Natur letzten Endes mechanischer Art seien. Damit war das weitreichende Postulat ausgesprochen, daß alles Naturerkennen schließlich auf die Gesetze der Mechanik zurückzuführen sei. Es bedeutete dies aber nicht weniger als das physikalische Forschungsprogramm der nächsten Dezennien. Helmholtz fährt in seiner Einleitung weiter: «Es bestimmt sich also endlich die Aufgabe der physikalischen Naturwissenschaften dahin, die Naturerscheinungen zurückzuführen auf unveränderliche, anziehende und abstoßende Kräfte, deren Intensität von der Entfernung abhängt. Die Lösbarkeit dieser Aufgabe ist zugleich die Bedingung der vollständigen Begreiflichkeit der Natur.» Emil Dubois-Reymond, ein Jugendfreund von Helmholtz, der später als Physiologe zu hohem wissenschaftlichem Ansehen gelangte, nannte diese Einleitung begeistert «ein historisches Dokument großer wissenschaftlicher Konzeption für alle Zeiten». Der Widerspruch der älteren Physiker-Generation war groß. Von der vornehmen physikalischen Zeitschrift «Poggendorffs Annalen der Physik und Chemie» wurde das Helmholtzsche Manuskript zurückgewiesen mit den Begleitworten Poggendorffs: «Meine unmaßgebliche Meinung wäre, der Verfasser ließe die Abhandlung für sich erscheinen.» Und es geschah so.

Die Entdeckung des allgemeinen Gesetzes von der Erhaltung der Energie war ein Sieg der Jugend. Robert Mayer war 28 Jahre alt, als seine erste Abhandlung erschien, Joule 25jährig und Helmholtz 26jährig. Ein großes Ziel war erreicht. Der ungeschliffene Edelstein eines weit zurückreichenden Gedankengutes hatte am Prüfstein der Erfahrung Form und Gestalt und damit seinen unschätzbaren Wert gewonnen. Auf den Fluren der Wissenschaft begann es zu keimen und zu grünen. Die gesamten Naturwissenschaften hatten ein gemeinsames Fundament erhalten. Insbesondere traten die verschiedenen Disziplinen der Physik wie Mechanik, Wärmelehre, Optik und Elektrizitätslehre, nunmehr durch das

Band des Energieaustausches verbunden, miteinander in erkennbaren engeren Zusammenhang. Die Chemie empfing Anregungen und Richtlinien ihrer Forschung. Gebieterisch pochte das Zeitalter der Technik an die Tore. Eisenbahn, Dampfschiff und Telegraph schufen neue Wege für den Austausch geistiger und materieller Güter. Das Rauschen eines gewaltigen Frühlings ging durch jene Tage. Und die Historiker schrieben das Jahr 1848.

Die weitere Entwicklung des Energiesatzes im 19. Jahrhundert bedeutet vor allem Anwendung. Zu vielseitig und zu verzweigt ist hier das Einzelne, als daß alles gesagt werden könnte. Doch gebietet die Pflicht, zwei Namen nicht zu vergessen: Rudolf Clausius und William Thomson. Clausius und Thomson sind bekannt geworden als die Schöpfer eines weiteren fundamentalen, das ganze Naturgeschehen umspannenden Satzes, des sogenannten zweiten Hauptsatzes der Wärmelehre oder besser des Satzes von der Zunahme der Gesamtentropie. Dieser Satz ist gänzlich verschieden vom Satze von der Erhaltung der Energie, ergänzt ihn aber grundlegend, indem seine Aussage sich auf die Richtung der in der Natur auftretenden Prozesse bezieht. Ähnliche Angaben enthält der Energiesatz nicht. Das Wort Energie wurde erst 1853 von dem englischen Physiker Rankine in dem heute geläufigen Sinne eingeführt und angewendet. William Thomson hat die Bezeichnung Energie übernommen und verbreitet. Der Ausdruck Entropie wurde von Clausius in bewußter Anlehnung an das Wort Energie geprägt. Erstmalig führte er ihn ein in einem berühmten Vortrage, welchen er am 24. April 1865 vor der Zürcher Naturforschenden Gesellschaft hielt, und welchen er mit den Worten schloß: «1. Die Energie des Weltalls ist konstant; 2. die Entropie der Welt strebt einem Maximum zu.»

Der Satz von der Erhaltung der Energie vermochte trotz seiner immensen Fruchtbarkeit auf das Wesen der Energie selbst nur wenig Licht zu werfen. Dazu waren neue Erkenntnisse notwendig, welche erst das 20. Jahrhundert durch die Relativitätstheorie und die Quantentheorie brachte.

Die Relativitätstheorie bedeutet zugleich Abschluß und Krönung der Physik des 19. Jahrhunderts. Wie der Schlußstein eines Gewölbes faßt sie die einzelnen Gebiete der Physik zusammen.

welche sie zugleich erweitert und präzisiert. Ihre Fruchtbarkeit verdankt sie der Kraft der Gedanken, welche ihr Schöpfer, Albert Einstein, mit seherischer Gabe und bewunderungswürdigem Scharfsinn in sie hineinlegte. Die Relativitätstheorie verneint die absolute Geltung von Raum und Zeit; sowohl der Raum- wie der Zeitmessung wird lediglich relative Bedeutung zuerkannt. Der Energie schreibt sie Trägheit zu, ja mehr noch, sie erklärt die Masse als eine Erscheinungsform der Energie. Masse und Energie sind identisch! Einstein selbst hat das Gesetz von der Identität von Masse und Energie als das wichtigste Ergebnis der Relativitätstheorie bezeichnet. Energie ist träge, sie hat Gewicht. Transportierte Energie besitzt Impuls. Die Energie des Lichtes und der Strahlung ist davon nicht ausgenommen. Die Masse verliert ihren primären Charakter als unzerstörbare Substanz. Nun verschmelzen die Sätze von der Erhaltung der Energie und von der Erhaltung der Masse zu einer neuen Einheit: Die Summe von Masse und Energie bleibt in einem abgeschlossenen System konstant.

Wir sind nicht gewohnt, Energien als Masse uns zu denken, aber wir müssen es lernen. Zahlen zeigen uns, daß der Verbrauch an elektrischer Energie in der Schweiz im Durchschnitt der letzten 20 Jahre um 250 Millionen Kilowattstunden jährlich gestiegen ist, was einer Verbrennungswärme von 30000 Tonnen bester Kohle gleichkommen würde und jährliche Neuinvestierungen von 50 bis 100 Millionen Franken erforderte. Dieser Energiezuwachs bedeutet 10 Gramm und damit weniger als das Gewicht eines Fünffrankenstückes. Der totale Energiebedarf der Schweiz, der zur Zeit noch nicht ganz zu einem Fünftel auf elektrischem Wege gedeckt werden kann, beträgt etwa 45 Milliarden Kilowattstunden im Jahre, was 1,8 Kilogramm Masse entspricht. Wenn einmal bei vollständiger Ausnutzung unserer ausbaufähigen Wasserkräfte 20 Milliarden Kilowattstunden elektrische Energie erzeugt werden, dann rinnen im Jahre 800 Gramm träger und ponderabler Masse als elektromagnetische Wellen längs der Adern der Hochspannungsleitungen und Verteilanlagen von den Kraftwerken in die Verbrauchsstellen.

Es ist bekannt, daß die Relativitätstheorie eine Stufe hoher formaler Vollkommenheit erreicht hat. In der Physik bedeutet die Form aber nicht nur eine Schale, sondern stets auch einen Anteil

am Kern des Wesentlichen. Unter Aufopferung jeder Anschaulichkeit, aber unter Wahrung einer höchsten Ökonomie und Folgerichtigkeit des Denkens werden Raum und Zeit zu einer vierdimensionalen Welt von absoluter Geltung vereinigt. In dieser Welt des Absoluten erscheint der Energiesatz in einer letzten Vollendung: den Satz von der Erhaltung der Masse bereits umfassend, wächst er mit dem Satze von der Erhaltung des Impulses zusammen und bildet mit ihm ein einziges und allumfassendes Erhaltungsgesetz, den Energie-Impuls-Satz. Energie und Impuls sind untergeordnete Stufen eines höheren physikalischen Begriffes. Die Visionen eines Descartes und eines Leibniz aber durften in dieser Form ihren endgültigen Ausdruck finden.

Die Voraussagen der Relativitätstheorie müssen in einer Welt geprüft werden, der andere Größenordnungen zukommen als unserer täglichen Umgebung. Es ist der Mikrokosmos der Atome, in welchem der Satz von der Identität von Masse und Energie seine schönste Bestätigung findet. Wir stellen uns heute die Atome als Gebilde vor mit einem äußerst kleinen, die wesentliche Masse enthaltenden Kern, der elektrisch positiv geladen und von einer Hülle elektrisch-negativer Elektronen umgeben ist. Der Kern baut sich aus elementaren Bausteinen auf, den Protonen und den Neutronen. Die Protonen sind Wasserstoffkerne. Die Neutronen sind ihnen an Masse nahezu gleich, jedoch elektrisch ungeladen. Wenn Kerne labil werden und zerfallen, nennen wir sie radioaktiv. Die Physik besitzt Mittel, wenn auch in geringem Ausmaße, Kerne zu enger Berührung zu bringen und damit Umwandlungen der Kerne oder Kernreaktionen einzuleiten. Unsere klassische Chemie befaßt sich im Gegensatz dazu mit materiellen Umsetzungen, bei welchen die Kerne erhalten bleiben; die dabei auftretenden Energietönungen bedeuten massemäßig nur wenig. Daher kennt die Chemie konstante Atomgewichte und gilt in ihr das Gesetz von der Erhaltung der Masse. Anders in der Kernchemie. Unter dem Gesichtspunkte der Äquivalenz von Masse und Energie erscheinen die Kerne als Orte höchster Energiekonzentration. Die Kernreaktionen enthüllen sich dann als ein Austausch von Energien, sei es potentieller, kinetischer oder strahlungsmäßiger Art. Es ist erstaunlich, mit welcher Genauigkeit heute gerade infolge der Berücksichtigung des bei den

Kernreaktionen auftretenden Energieumsatzes die Atomgewichte bestimmt werden können. Zwei Protonen und zwei Neutronen besitzen im Zustande räumlicher Trennung eine Summe der Atomgewichte gleich 4.0331, in bekannter Weise bezogen auf Sauerstoff gleich 16.0000. Treten sie zur Bildung eines Heliumkernes zusammen, so findet man für letzteren nur noch ein Atomgewicht von 4.0028. Die Massendifferenz von rund 30 Milligramm auf 4 Gramm entstandenes Helium entspricht verlorener potentieller Energie und ist abgestrahlt worden. Es bedeutet dies den gewaltigen Betrag von 650 Millionen Kilo-Kalorien. Die Reaktionswärmen der Kernprozesse sind also ungeheuer groß.

Als Begleiterscheinung von Kernumwandlungen kann sogar Strahlung eines bestimmten Energiebetrages verschwinden und an ihrer Stelle ein Teilchenpaar von äquivalenter Masse entstehen. Man spricht von Materialisierung der Strahlung. Es geschieht dies beispielsweise bei der Erzeugung eines positiven und eines negativen Elektrons aus äußerst kurzwelliger Strahlung. Auf der andern Seite können ein positives und ein negatives Elektron sich vereinigen und unter Bildung eines ihrer Masse äquivalenten Energiebetrages von Strahlung vollständig verschwinden. Das bedeutet Zerstrahlung der Materie. Immer bleibt aber die Gesamtsumme von Masse und Energie erhalten.

Die Kenntnis der Kernreaktionen hat uns heute die Lösung eines alten und schwierigen Rätsels ermöglicht, nämlich den scheinbar unerschöpflichen Vorrat der Sonne an Strahlungsenergie zu erklären. Aus Messungen wissen wir, daß bei senkrechtem Einfall der Sonnenstrahlung einem Quadratmeter Erdoberfläche während jeder Minute ein Energiebetrag von 19 Kilo-Kalorien zugeführt wird, was umgerechnet auf den Quadratmeter und die Sekunde eine Leistung von 1,35 Kilowatt ausmacht. Daraus ergibt sich ein sekundlicher Energiegewinn der gesamten Erde von 170 Billionen Kilowatt, eine Leistung, welche viele Millionen Kraftwerke nicht aufbringen könnten und welche doch nur dem zweimilliardsten Teil der von der Sonne überhaupt ausgestrahlten Energiemenge entspricht. Dabei ist die Strahlung der Sonne infolge ihrer hohen Temperatur so überaus stark, daß ein einziger Quadratmeter Sonnenoberfläche je Sekunde etwa 60000 Kilowatt abgibt

und damit dasselbe leistet, was nur unsere mächtigsten Generatoren vermögen. Wäre die kosmische Glut der Sonne ein Feuer gewöhnlicher Art, so müßte ihr alle zwei Stunden ein ganzer Mond aus Kohle oder alle sechs Tage eine aus Kohle bestehende Erde zugeführt werden, damit ihre Wärme und Leuchtkraft erhalten blieben. Eine ganz aus Steinkohle bestehende Sonne aber würde in einem Zeitraume von rund 5000 Jahren restlos verbrannt sein.

Nahezu der gesamte energetische Austausch auf dieser Erde entstammt der Sonne. Die Verdampfung des Wassers in den Meeren, Seen und Flüssen, die Hebung der so entstandenen Feuchtigkeit um Tausende von Metern und ihr Abtransport um Hunderte von Kilometern, was schließlich die Niederschlagsbildung in Form von Regen und Schnee ermöglicht — all das ist nicht nur ein Werk der Sonnenenergie, sondern findet überdies bis ins einzelne sein Gleichnis im Ablauf einer ungeheuren Dampfmaschine, welche durch drahtlose Energieübertragung aus hunderfünfzig Millionen Kilometern Distanz, nämlich der Entfernung Sonne-Erde, geheizt wird. Ohne Sonnenenergie ist kein Leben denkbar. Schätzungsweise 16 Milliarden Tonnen Kohlenstoff werden jährlich durch sie in den Pflanzen unter Mitwirkung des Chlorophylls gebunden. Sie ist es, welche die durch die Verbrennungsprozesse im menschlichen und tierischen Körper sowie in den Maschinen entwertete Energie zu höheren Formen wieder aufwertet. In den Kohlenlagern der Erde liegt seit Jahrtausenden Sonnenenergie für die Verwendungszwecke der Zukunft bereit, und auch unsere Gletscher und Firne bedeuten Speicher der Sonnenenergie zum Verbrauche in unseren Kraftwerken.

Dabei wissen wir, daß die Sonne ihre Tätigkeit seit mehr als einer Milliarde Jahren in unvermindertem Grade aufrecht erhalten hat. Man kann heute mit sehr großer Wahrscheinlichkeit behaupten, daß im Innern der Sonne sich Kernreaktions-Zyklen abspielen, aus deren Bilanz die Strahlungsenergie der Sonne bestritten wird. Vermutlich verwandelt sich in einem mehrstufigen Prozeß Wasserstoff in Helium, wobei pro Gramm umgesetzten Wasserstoffes eine Energiemenge von rund 150 Millionen Kilo-Kalorien frei wird und abgestrahlt werden kann. Der auf diese Weise von der Sonne im Jahre abgegebene Energiebetrag von 2,7 10 30 Kilo-Kalorien

bedeutet einen Massenverlust von 125 Billionen Tonnen, der aber unmerklich ist, da er nur rund dem 15billionsten Teile der Gesamtmasse der Sonne gleichkommt. Unser Zentralgestirn wird daher mit Sicherheit noch viele Milliarden Jahre leben können, bevor irgendwelche Zeichen des Alterns sich an ihm bemerkbar machen werden. So könnte die Sonne wohl als ein Perpetuum mobile erscheinen, in Wirklichkeit aber ist sie eine futuristische Maschine zur Auswertung der Atomkern-Energie.

Aber auch der Energie, dieser Weltherrin, deren Macht zu preisen ein Gelehrter wie Wilhelm Ostwald nicht müde wurde, sind ihre Grenzen gesetzt. Die Kenntnis dieser Grenzen verdanken wir der Quantentheorie. in letzterer hat die Atomlehre des 20. Jahrhunderts ihre Zusammenfassung gefunden. Den ersten Küstenstreifen dieses Neulandes entdeckte im Jahre 1900 Max Planck, als er bei der Aufstellung seines berühmten Strahlungsgesetzes sich gezwungen sah, die Vorstellung einer elementaren, quantenhaften Unterteilung der Energie einzuführen, und gleichzeitig auf eino Naturkonstante von fundamentaler Bedeutung stieß: das universelle Wirkungsquantum. In ihrer Vollständigkeit und Widerspruchsfreiheit stellt die Quantentheorie heute eine eigentliche Physik der prinzipiell kleinsten Einheiten der Natur dar; in ihrem abstrakten Gewande gleicht sie einer Mathematik des Atoms. Die Quantentheorie zeigt, daß die Grenzen des Energiebegriffes da liegen, wo die Möglichkeit physikalischer Messungen grundsätzlich aufhört. Ihre strenge Formulierung findet diese Tatsache in den berühmten Unbestimmtheitsrelationen Werner Heisenbergs, welche besagen, daß man nie eine physikalische Größe beliebig genau messen kann, ohne zu gleicher Zeit und notwendigerweise die Meßgenauigkeit einer andern zugeordneten Größe zu beeinträchtigen. Das Produkt aus den Meßfehlern, also aus den Unbestimmtheiten der beiden Größen, kann dabei nie kleiner sein als ein bestimmter Betrag, der gleich ist dem Planckschen universellen Wirkungsquantum. Energie und Zeit bilden nun ein solches Paar zugeordneter Größen; die Natur hat Energie und Zeit durch eine geheimnisvolle innere Bindung ausgezeichnet. Eine Energiemessung von äußerster Genauigkeit schließt eine gleichzeitige äußerst genaue Zeitmessung aus. Es können daher Energiebeträge nur definiert werden für Vorgänge

oder Zustände innerhalb eines genügend breiten Zeitintervalles. Fur Geschehnisse, welche selbst nach atomaren Vorstellungen von sehr kurzer Dauer sind, existiert der Energiebegriff überhaupt nicht mehr. Der Satz von der Erhaltung der Energie versagt nie, wo überhaupt von Energie gesprochen werden kann. Aber es gibt Vorgänge, welche keine energetischen Aussagen mehr zulassen. Dies ist die Grenze des Satzes von der Erhaltung der Energie.

Die Wissenschaft ist sich heute einer bestimmten Reife bewußt geworden. In dieser Reife hat sie ihre Grenzen erkannt. Es liegt im Wesen der Natur und in unserem eigenen begründet, daß alle unsere Erkenntnis, um ein Wort Werner Heisenbergs zu brauchen, gewissermaßen über einer grundlosen Tiefe schweben muß. Und doch hat der menschliche Geist nie geruht, die großen Zusammenhänge zu ahnen, zu suchen und auch mehr und mehr aufzudecken. Der Satz von der Erhaltung der Energie ist ein grandioser Satz. In seiner erhabenen Einfachheit und in der ungeheuren Weite seines Geltungsbereiches bedeutet er nicht weniger als einen Bestandteil des Schöpfungsplanes, der dieser Welt zugrundeliegt. Welch eine Fülle von Vorstellungen und Begriffen birgt dieses eine Wort: Energie! Sie ist zugleich höchste Realität und äußerste Abstraktion. Für den Physiker ist sie eine durch Messung gewonnene Erfahrung, für den Mathematiker eine Rechengröße, für den Techniker ein Rohstoff, für den Juristen eine Sache, für den Kaufmann Reichtum und schließlich für uns alle, wie der ganze Schöpfungsplan — ein Wunder!