„Wie sind Sie zur Astrophysik gekommen?“ Diese Frage werde ich bei Veranstaltungen oft gestellt und ich antworte darauf, dass ich schon früh die größten Fragen unseres Universums mit großer Leidenschaft erforscht habe. Nun, und dass ich in einem beeinflussbaren Alter Star Wars gesehen habe.
Diese Faszination für das Wesentliche ist für viele angehende Wissenschaftler ein ausgetretener Pfad. Das Lernen über verblüffende Gebiete wie die allgemeine Relativitätstheorie, die das Universum in großen Maßstäben beschreibt, und die Quantenphysik, die die Mikrowelt der Atome und Teilchen regelt, kann eine wirkungsvolle Möglichkeit sein, junge Köpfe zu stimulieren.
Für viele andere ist der Weg zur Physik (wie die Hölle) jedoch mit guten Absichten gepflastert. Ihre Leidenschaft sind nicht so sehr die esoterischen Geheimnisse des Kosmos, sondern die Anwendung neuester wissenschaftlicher Erkenntnisse zur Lösung gesellschaftlicher Probleme und globaler Herausforderungen – von Gesundheitsungleichheiten bis hin zum Klimanotstand. Beide Motivationen sind gültig, vielleicht sogar unverzichtbar und tragen dazu bei, einen positiven Kreislauf zwischen „Blue Sky“-Forschung und Innovation zu bilden.
Doch dieser zweigleisige Ansatz in Forschung und Innovation – Kern der heutigen Mission der Forschungsräte und Förderagenturen auf der ganzen Welt – ist nicht so modern, wie es scheint. In diesem Jahr jährt sich die Geburt von William Thomsonauch bekannt als Lord Kelvin, der wohl einflussreichste Wissenschaftler des 19. Jahrhunderts und vielleicht auch darüber hinaus. Er war ein Meister darin, grundlegende Entdeckungen mit gesellschaftlichen und kommerziellen Auswirkungen zu verbinden.
Grundstein der Physik
Thomson war Professor für Naturphilosophie an der Universität Glasgow 53 Jahre lang leistete er revolutionäre Beiträge zur Physik, Mathematik und zum Ingenieurwesen, die noch heute nachhallen.
Am bekanntesten ist er wahrscheinlich für seine Arbeiten über Energie und die Gesetze der Thermodynamik, der Wissenschaft von Wärme und Arbeit, die oft als die unumstößlichsten Naturgesetze bezeichnet werden. Der britische Astrophysiker Arthur Eddington soll erklärt haben in den 1920er Jahren, dass die Thermodynamik „die höchste Stellung unter den Naturgesetzen“ einnehme, und fügte hinzu: „Wenn sich Ihre Theorie als gegen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verstoßend herausstellt, kann ich Ihnen keine Hoffnung geben; dann bleibt Ihnen nichts anderes übrig, als in tiefster Demütigung zusammenzubrechen.“
Die Thermodynamik spielt in der modernen Physik noch immer eine zentrale Rolle und bildet die Grundlage für die Forschung in den Informationswissenschaften, der Quantenmechanik, der Kosmologie und sogar für Theorien über Leben und Bewusstsein. Tatsächlich ist sie ebenso ein Eckpfeiler der modernen Physik wie die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik. Jede endgültige „Theorie von allem“ muss mit den Gesetzen der Thermodynamik vereinbar sein.
Die vielleicht bekannteste Entdeckung Thomsons ist das Konzept der absoluter Nullpunkt auf der Temperaturskala, die zu Ehren des Titels, den er 1892 erhielt, Kelvin heißt. Aber wenn wir über seine Arbeit zur Thermodynamik hinausblicken, sind seine Leistungen nicht nur aufgrund ihrer Breite, sondern auch ihrer Vielfalt bemerkenswert. Sie reichen von theoretischen Durchbrüchen bei der Beantwortung der größten Forschungsfragen der Zeit bis hin zu praktischen Erfindungen, die industrielle und kommerzielle Innovationen vorantreiben.
Kelvins Schlüsselattribute
Was machte Thomson so erfolgreich? Es sind drei Schlüsselaspekte seiner Herangehensweise an Forschung und Entdeckung, die ihn meiner Meinung nach zu einem Wissenschaftler für die Ewigkeit machten.
Erstens war da sein herausragendes mathematisches Können. Dies ging einher mit seiner tiefen Wertschätzung für die Macht der Mathematik, die natürliche Welt zu erklären – eine Macht, auf die er während seiner gesamten Karriere stark zurückgriff. Dies wird in einem tiefgründigen Zitat ausgedrückt, das Thomson zugeschrieben: „Die Tatsache, dass die Mathematik das Universum so gut beschreibt, ist ein Mysterium, das wir nicht verstehen, und eine Schuld, die wir wahrscheinlich nie zurückzahlen können.“
Aber Thomson war viel mehr als ein Mathematiker par excellence. Er verstand auch, dass präzise Messungen und Quantifizierungen wesentliche Werkzeuge für den wissenschaftlichen Fortschritt waren – eine Idee, die wir in seinem Buch von 1889 zum Ausdruck bringen. Beliebte Vorträge und Ansprachen„Wenn Sie das, worüber Sie sprechen, messen und in Zahlen ausdrücken können, wissen Sie etwas darüber“, schrieb er.
Thomsons lebenslanges Talent für die Erfindung raffinierter wissenschaftlicher Instrumente sicherte ihm 70 Patente, ermöglichte Dutzende wissenschaftlicher Durchbrüche und machte ihn zu einem äußerst erfolgreichen Unternehmer.
Drittens war da Thomsons herausragende Fähigkeit, „über den Tellerrand hinauszublicken“ und ein Problem auf eine völlig neue Weise zu betrachten. Für mich gibt es kein besseres Beispiel für dieses visionäre Denken als Thomsons Arbeit an der Verlegung des ersten transatlantischen Telegrafenkabels. Dies war eine enorme technologische Herausforderung, die als das „Apollo-Projekt“ des 19. Jahrhunderts bezeichnet wurde.
Es revolutionierte die viktorianische Welt ebenso tiefgreifend, wie das Internet und die mobile Kommunikation unsere Welt verändert haben.
Nach gescheiterten Versuchen in den 1850er Jahren war Thomsons Genie (im wahrsten Sinne des Wortes) ausschlaggebend für die erste erfolgreiche Kabelverlegungsexpedition im Jahr 1865. Sein Verständnis der Ähnlichkeiten zwischen Wärmeübertragung und elektrischem Transport ermöglichte es Thomson, Modelle zu erstellen, wie elektrische Impulse bei ihrer Reise entlang von Unterseekabeln verzerrt würden.
Aber auch Thomsons experimentelle Durchbrüche waren entscheidend. Anstatt ein stärkeres Signal zu verwenden, das ein viel schwereres und teureres Kabel erforderte, erfundene Instrumente die extrem schwache elektrische Signale, die als Morsecode übertragen wurden, präzise messen konnten. Sie waren als Spiegelgalvanometer und später als Siphonschreiber bekannt. Sie waren im Wesentlichen ein Vorläufer eines modernen Tintenstrahldruckers.
Diese Erfindungen waren bahnbrechende Neuerungen und haben die globale Kommunikation für immer verändert. Wie mein verstorbener Kollege David Saxon schrieb im Jahr 2007„das transatlantische Kabel hat die Welt mehr schrumpfen lassen als alles andere davor oder danach.“
Aus diesem Grund wurde Thomson 1866 zum Ritter geschlagen und 1892 als Lord Kelvin geadelt – er war der erste Wissenschaftler überhaupt, dem diese Ehre zuteil wurde. Und Thomsons elegante Kombination aus hochpräziser Technologie und hochmoderner Theorie zur Erkennung extrem schwacher Signale steht in starkem Einklang mit der Geschichte unserer LIGO-Laserinterferometerdie empfindlichsten wissenschaftlichen Instrumente, die je gebaut wurden. Genau diese Kombination ermöglichte die mit dem Nobelpreis 2015 ausgezeichnete Entdeckung von Kräuselungen in der Raumzeit, den sogenannten Gravitationswellen.
Die Wissenschaft und Technologie der schwarzen Löcher und Gravitationswellen gehören eindeutig zum post-Kelvin-Bereich der Einsteinschen Physik. Aber ich glaube, dieser Bereich – und die transformative Quantentechnologie es ermöglicht hat – lässt sich vom bahnbrechenden Beispiel William Thomsons inspirieren, der Grundlagenforschung und Innovation kombinierte, um die Welt zu verändern.
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