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Wissenschaft und Technik – ein Wechselspiel

Vor etwa zweieinhalb Millionen Jahren machte ein Vorfahr von uns heutigen Menschen eine folgenreiche Entdeckung: Wenn er Steine gezielt gegeneinander schlug, konnte er handliche Bruchstücke gewinnen, die sich besser als Werkzeug eigneten als die bis dato verwendeten Fundstücke. Mit dem durch diesen hypothetischen Akt markierten Beginn der Altsteinzeit etablierte sich die wohl älteste Wissenschaft der Menschheit: die Werkzeugkunde. Die Vormenschen und Menschen der Steinzeit beließen es nämlich nicht bei wahllosen Schlägen, sondern stellten bald fest, dass bestimmte Materialien und Schlagtechniken besonders gute Ergebnisse lieferten. Aber sie beobachteten die Natur nicht nur aus Nützlichkeitserwägungen heraus. Steinzeitliche Monumente wie der Steinkreis von Stonehenge oder die kürzlich aufgefundene Himmelsscheibe von Nebra belegen, dass schon damals der Lauf der Gestirne verfolgt wurde und Bedeutung für das Leben der Menschen besaß.

Auch für die Wissenschaftler der Neuzeit gilt: Ob es sich um den Bau von Pflanzen, die Lebensweise von Tieren, den Aufbau von Atomen und Sternen oder die Eigenschaften des neuen Werkstoffs Siliciumcarbid handelt – sie untersuchen die Wesen und Dinge der sie umgebenden Welt. Ihre Beobachtungen suchen sie zu erklären und schaffen so aus bekanntem Wissen neues. Und in oft erstaunlich kurzer Zeit leiten sich aus gesichertem Wissen wirtschaftlich bedeutsame technische Anwendungen ab.

Manchmal entstehen technische Lösungen sogar in einem ganz wörtlichen Sinn aus Naturbeobachtungen. Konventionelle Flugzeuge zum Beispiel sind im Vergleich zu Vögeln, Fledermäusen und Insekten plump und kraftstoffzehrend. Indem ein Ingenieurteam aber die Tragflächen nach dem Vorbild der Schwungfedern eines Vogels gestaltete, konnte der Energieverbrauch gesenkt und die Wendigkeit verbessert werden. Dies ist nur eines von unzähligen Beispielen, wie Wissenschaft und Technik, grundlegende und angewandte Forschung sich ergänzen und wechselseitig befruchten.

Die Begründer der Naturwissenschaft

Womit prägte Aristoteles unser Denken 2000 Jahre lang?

In seiner Schrift zur Logik befasste sich Aristoteles (384 bis 322 v. Chr.) u. a. mit den Grundbegriffen und Regeln der richtigen Schlussfolgerung. In der Metaphysik untersuchte er die Prinzipien aller Dinge: Stoff, Materie, Form, Zweck und Ursache. Und seine Naturphilosophie ist den Grundbegriffen Zeit, Raum, Bewegung, Elemente, Zweckmäßigkeit von Natur und Seele gewidmet.

Aus Sicht von Naturwissenschaft und Technik interessant ist, dass er zwar Logik und methodisches Vorgehen bei der Erkenntnisgewinnung betont, für ihn Wissenschaft aber immer das Ganze der sinnlich wahrnehmbaren Objekte im Blick hat. Und zu diesem Ganzen gehört der Mensch, sein Geist, seine Seele. Für Aristoteles ist daher z. B. klar, dass wir einen Gegenstand nur sehen, weil sowohl dieser als auch das Auge vom »Durchsichtigen« durchdrungen sind. Seine Wissenschaft ist qualitativ. Mathematik spielt in ihr keine Rolle. Seine Lehre von den Elementen (irdisch: Erde, Wasser, Luft und Feuer; himmlisch: Äther) war bis in die Neuzeit bestimmend für Chemie (Alchemie) und Physik.

Übrigens: Schon Aristoteles wusste, dass die Erde Kugelgestalt hat! Dies folgte zwingend aus seiner Theorie der Schwerebewegung, nach der das natürliche Ziel der Fallbewegung von Körpern das Zentrum der Welt ist.

Wie wollte Archimedes die Welt aus den Angeln heben?

Von seinen Hebelgesetzen war er so überzeugt, dass er gesagt haben soll: »Gebt mir einen festen Punkt und einen genügend langen Hebel, und ich werde die Erde aus den Angeln heben.« Archimedes lebte um 285 bis 212 v. Chr. in der damals griechischen Stadt Syrakus auf Sizilien und war seinen Zeitgenossen vor allem als Physiker und Ingenieur bekannt. Er leitete die Hebelgesetze und den Auftrieb her, erkärte das spezifische Gewicht und stellte Sätze über den Schwerpunkt von Körpern auf. Darüber hinaus erfand er Maschinen wie die archimedische Schraube zum Fördern von Wasser und etliches Kriegsgerät.

Heute kennen wir ihn vor allem als Mathematiker: Mit der so genannten Exhaustionsmethode zur Bestimmung des Flächeninhalts beliebig geformter Flächenstücke nahm er eine Grundidee der Integralrechnung 2000 Jahre vorweg und gab eine gute Abschätzung für die Kreiszahl Pi. Er berechnete das Volumen von Kugel, Kegel und Zylinder und befasste sich eingehend mit den Kegelschnitten.

Weshalb wurde Galilei zum Widerruf seiner Ideen gezwungen?

Er hatte der Bibel und dem Papst widersprochen, für die die Erde der Mittelpunkt der Welt war. Galileo Galilei (1564–1642) wollte zunächst Maler werden, studierte dann aber Medizin und Mathematik. 1589 wurde er Mathematikprofessor in Pisa, ab 1592 in Padua. 1597 bekannte er sich zum neuen Weltbild des Kopernikus (die Erde dreht sich um die Sonne und nicht umgekehrt). 1609 baute er das kurz zuvor erfundene Fernrohr nach und entdeckte damit die Monde des Jupiter.

1616 verbot eine Kommission des Papstes das kopernikanische Weltbild, Galilei wurde zum Schweigen ermahnt. In der Folge machte er wichtige Versuche, unter anderem zu den Fallgesetzen. 1630 erschien sein Hauptwerk »Dialog über die beiden großen Weltsysteme«, 1638 »Unterhaltungen und mathematische Demonstrationen über zwei neue Wissenschaften« (Mechanik und Dynamik). 1633 musste Galilei unter Folterdrohungen dem kopernikanischen Weltbild abschwören.

Warum gilt Newton als einer der größten Wissenschaftler?

Isaac Newton (1642–1727) schuf in seinem Leben ein wissenschaftliches Werk, das nicht nur die Erkenntnisse seiner Zeit zusammenfasste, sondern bis ins 20. Jahrhundert die Basis für weite Bereiche der Physik wurde. Dazu zählen die Infinitesimalrechnung, die ihm zeitlebens einen Entdeckerstreit mit dem deutschen Gelehrten Gottfried Wilhelm Leibniz einbrachte, und das Gravitationsgesetz (1666). Mit ihm konnte er zeigen, dass die irdischen Naturgesetze am Himmel ebenfalls gelten.

Als Newtons bedeutendste Leistung gilt die Formulierung eines in sich geschlossenen Systems der Mechanik, das auf den drei Newton'schen Axiomen und dem Newton'schen Relativitätsprinzip basiert. Letzteres besagt, dass alle gleichförmig bewegten Bezugssysteme gleichwertig sind, man also durch Messungen nicht unterscheiden kann, ob sich das eigene System relativ zu einem anderen bewegt. Newton untersuchte auch optische Erscheinungen und fand die Aufspaltung von Licht in die Spektralfarben an einem Prisma, Interferenzeffekte und die Newton'schen Ringe. Er entwickelte eine Teilchentheorie des Lichts, die zwar später durch eine Wellentheorie ersetzt wurde, im Welle-Teilchen-Dualismus jedoch wieder in moderner Form auftauchte. Seine Erkenntnisse formulierte er als Buch, das 1687 erschien: die »Principia«. Es ist das folgenreichste Physikbuch aller Zeiten.

Wussten Sie, dass …

die verbreitete Legende, Archimedes habe die Kriegsflotte der Römer bei der Belagerung von Syrakus mit einem Hohlspiegel in Brand gesetzt, falsch ist? Eine solche Konstruktion ist unmöglich.

Archimedes nach der Einnahme seiner Heimatstadt Syrakus durch die Römer von einem Soldaten im Zorn erschlagen wurde, der sich von dem Satz »Störe meine Kreise nicht« beleidigt fühlte?

Isaac Newton im Forschungsdrang auch vor gefährlichen Selbstversuchen nicht zurückschreckte? Er soll einmal eine Schusternadel ins Auge eingeführt und seinen Augapfel plattgedrückt haben, um die dabei entstehenden Farbringe zu beobachten.

Isaac Newton nicht nur als Wissenschaftler arbeitete, sondern auch als Alchemist und als Direktor der englischen Münze?

erst Papst Johannes Paul II. das Verbot der Galilei'schen Schriften 1992 offiziell aufgehoben und Galilei rehabilitiert hat?

Technik und Naturwissenschaft: Ideale Partner

Welche bedeutende Erfindung stand am Beginn des Industriezeitalters?

Als vielleicht größte Erfindung der Neuzeit kann die der Dampfmaschine 1765 durch den Briten James Watt (1736–1819) gelten. Mit ihr begann die industrielle Revolution. Durch die nun folgende Mechanisierung der Arbeitswelt traten ganz neue, konkrete Fragen an die Wissenschaftler heran, etwa: Wie effizient kann eine Dampfmaschine maximal arbeiten? Wie erhalte ich widerstandsfähigeren Stahl? Die Auftragsforschung entstand, bei der reich gewordene Unternehmer, Erfinder und Ingenieure dafür bezahlten, ihre Fabriken zu optimieren und neue Produkte auf den Weg zu bringen. Gleichzeitig öffnete die scheinbar zweckfreie Grundlagenforschung neue Betätigungsfelder für die praktisch orientierten Forscher: Die äußerst schwierige Untersuchung der elektrischen und magnetischen Erscheinungen kam im 19. Jahrhundert zu ihrem krönenden Abschluss. Heute arbeiten ganze Teams von Ingenieurwissenschaftlern in den Entwicklungsabteilungen und ihre Tätigkeit unterscheidet sich aufgrund der komplexen Materie kaum mehr von der Grundlagenforschung.

Besteht ein Gegensatz zwischen Wissenschaft und Technik?

Nein. In der allgemeinen Vorstellung arbeiten zwar Techniker mit Schraubenschlüsseln und im Blaumann an Maschinen, wohingegen Wissenschaftler im weißen Kittel an unverständlichen Theorien brüten. Doch diese Vorurteile haben mit der Realität heute nicht mehr viel zu tun. Die Arbeitsweisen haben sich angeglichen, so oder so verbringen Forscher und Techniker heute ihre Zeit vor allem vor dem Computer. Und auch der Gegensatz zwischen der auf neue Wirtschaftsprodukte und schnellen Gewinn ausgerichteten angewandten Forschung und der nur vom reinen Erkenntniswillen geleiteten Grundlagenforschung verwischt sich zusehends. Denn einerseits liegen vielen neuartigen Anwendungen Durchbrüche in der Grundlagenforschung zugrunde und andererseits werden neue Projekte der »reinen« Wissenschaft nur noch genehmigt, wenn auch ein realer ökonomischer Nutzen in Aussicht gestellt werden kann.

Wie gehören Hightech-Forschung und Industrie zusammen?

Die Entwicklung dessen, was wir heute »Technik« und »Hightech« nennen, ist untrennbar mit der Industrialisierung und dem Entstehen der großen Industriekonzerne verbunden. Dies ist nicht nur deshalb so, weil heute die weitaus meisten Patente von den Forschungsabteilungen der Großkonzerne beantragt werden und dort viele technische Produkte produziert werden. Nein, eine Reihe dieser Firmen geht direkt auf die Technik-Pioniere des 19. Jahrhunderts zurück, die entweder dort arbeiteten oder sie sogar als Unternehmer mitgründeten und leiteten. Manche Unternehmen wie Siemens, die ehemalige Daimler-Benz AG oder der Carl-Zeiss-Konzern tragen bis heute den Namen ihrer erfinderischen Gründungsväter.

Verändert physikalische Forschung die Welt?

Mitunter schon. Als in den 1920er Jahren Physiker ihr Bild vom Atom und seinem Kern revolutionierten, ahnten sie nicht, dass bereits 1938 mit der Entdeckung der Kernspaltung die Grundlage für eine Umwälzung der politischen, wirtschaftlichen und ökologischen Verhältnisse auf der Erde geschaffen wurde. Die Atombombe veränderte die internationalen Machtverhältnisse von Grund auf, und die in den 1960er und 1970er Jahren gebauten Kernkraftwerke sind noch heute ein innenpolitischer Dauerbrenner.

Was hat Kunstdünger mit Munition zu tun?

Bei der Produktion wird Ammoniak benötigt. Dessen Massenproduktion wurde Anfang des 20. Jahrhunderts durch eine Erfindung des deutschen Chemikers Fritz Haber (1868 bis 1934) möglich gemacht. Mit dem sog. Haber-Bosch-Verfahren lässt sich Ammoniak großtechnisch aus dem in der Luft enthaltenen Stickstoff und Wasserstoff herstellen. Durch den damit billig zu produzierenden Stickstoffdünger wurde die Ernährung von Millionen Menschen gesichert, doch sie ermöglichte auch die Massenproduktion von Munition für den 1. Weltkrieg.

Wussten Sie, dass …

der Physiker Ernst Abbe (1840–1905) nicht nur eine vollständige Theorie des Mikroskops aufstellte, die wesentlich bessere Mikroskope ermöglichte, sondern sich als Unternehmer auch für soziale Reformideen einsetzte?

die von Karl Ferdinand Braun (1850–1918) erfundene Elektronenröhre noch heute das Muster der Bildröhre von Fernsehgeräten und Computermonitoren ist?

Thomas Alva Edison (1847–1931) zwar mehrere hundert Patente auf verschiedene Geräte erhielt, dass als seine wichtigste Erfindung aber das »gezielte Erfinden im Team« gilt?

der Fachartikel der Informatik-Doktoranden Larry Page und Sergey Brin – der späteren Google-Gründer – über die Grundlagen ihres Suchalgorithmus zu den meistzitierten Informatikbeiträgen des letzten Jahrzehnts gehört?

die Entschlüsselung des menschlichen Genoms nicht nur in einer Universität gelang, sondern gleichzeitig im Unternehmen Celera Genomics des US-amerikanischen Genforschers Craig Venter (*1946)?

Die Farblithografie „Im Hafen einer Hansestadt“ ist Teil einer Serie kulturgeschichtlicher Bilder, entstanden um 1909.
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Routen des Reichtums

Schon seit der Antike blüht der Handel übers Meer. In der Frühen Neuzeit wurde die ganze Welt für den Fernhandel erschlossen –im Menschenhandel mit afrikanischen Sklaven erreichte der Kampf um die größten Profite seinen traurigen Höhepunkt. Von ROLF HEßBRÜGGE Was man in Rom nicht sieht, gibt es nicht und hat es nie gegeben“,...

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Zurück zum Mond

Am 20. Juli 1969 landeten die ersten Menschen auf dem Mond, die letzten verließen ihn am 14. Dezember 1972. Seit mehr als 50 Jahren waren nur noch Roboter dort oben. Einer der Hauptgründe dafür ist sicherlich, dass die bemannten Mondmissionen extrem teuer waren: Mehr als 25 Milliarden US-Dollar kostete das Apollo-Programm....

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