Entdeckungen vor 100 Jahren: Kosmische Strahlung durch Viktor Franz Hess, Kontinentalverschiebung durch Alfred Wegener

Eine historische Betrachtung der Zeitgenossen Wegener und Hess, die zu den bedeutendsten Naturwissenschaftlern gehören, die je an österreichischen akademischen Institutionen wirkten. Aus dem Konzept der Kontinentalverschiebung leitet sich die heutige Theorie der Plattentektonik ab. Die Entdeckung der Kosmischen Strahlung initiierte die Auffindung neuer Elementarteilchen und die Erforschung der in den Sternen ablaufenden Kernreaktionen, die zur Entstehung der Elemente führen und unser heutiges Bild vom Ursprung des Universums prägen.

Siegfried J. Bauer für den Science-Blog

Alfred Wegener und Viktor Franz Hess gehören gewiß zu den bedeutendsten Naturwissenschaftlern, die je an der Grazer Universität wirkten. In den Zwanzigerjahren des vorigen Jahrhunderts waren sie sogar für einige Jahre zeitgleich „Nachbarn“ am Physikalischen Institut. Beide erlangten Weltberühmtheit durch einfache aber revolutionäre Ideen, bis zu deren Akzeptanz einige Jahrzehnte vergingen.

Im Falle Alfred Wegeners war es seine Theorie der Kontinentalverschiebung, die – im Gegensatz zum damaligen Bild einer statischen Erde – horizontale Bewegungen der Erdoberfläche implizierte.

Bei Viktor Hess war es das Konzept einer von außen kommenden energiereichen Strahlung, die unter anderem für die Leitfähigkeit der Luft verantwortlich ist, aber nicht von der Sonne kommen konnte, da sie auch nachts und bei Sonnenfinsternis beobachtbar war.

Für Hess kam die allgemeine Anerkennung nach 25 Jahren durch die Verleihung des Physik-Nobelpreises im Jahr 1936 für seine Entdeckung der „Kosmischen Strahlung“. Wegener hat die Bestätigung seiner Hypothese von der Wanderung der Kontinente nicht erlebt; sie erfolgte erst 30 Jahre nach seinem Tod in Form des heute erbrachten Beweises der Plattentektonik. Beide, Wegener und Hess, präsentierten ihre revolutionären Ideen als kaum Dreißigjährige.

Ihrer Herkunft nach unterscheiden sich die beiden in hohem Maße, doch ihre wissenschaftliche Karriere weist manche Ähnlichkeit auf. Wegener wurde am 1.11.1880 in Berlin als Sohn eines evangelischen Pastors und Lehrers geboren; Hess geboren am 24.6.1883 auf Schloß Waldstein bei Graz, war der Sohn eines Forstbeamten im Dienste des Fürsten Liechtenstein.

Forscher zwischen Erde und Kosmos

Wegener studierte Astronomie und Meteorologie in Berlin, mit ein paar Semestern in Heidelberg und Innsbruck, und promovierte in Astronomie summa cum laude im Jahre 1905 in Berlin. Hess studierte Physik an der Universität Graz und promovierte hier im Jahre 1906 sub auspiciis imperatoris.

Abbildung 1.  Aus A. Wegener: Ursprung der Meere und der Kontinente „A. Wegener hat hingegen neuerdings den kühnen Gedanken aufgeworfen, daß die großen Kontinentalmassen auf der Erdoberfläche selbständige Verschiebungen gegen einander ausführen“ (Quelle: Wikipedia)

Für Wegener begann nach seiner Habilitation in Meteorologie und Astronomie an der Universität Marburg an der Lahn ebendort eine Tätigkeit als Privatdozent, wobei er sich mit der Meteorologie befaßte und im Jahre 1911 sein vielbeachtetes Buch Thermodynamik der Atmosphäre veröffentlichte. Im Jahre 1912 präsentierte er erstmals seine Kontinental-verschiebungstheorie vor der Geologischen Vereinigung in Frankfurt am Main.
Nach seiner im Jahr 1913 erfolgten Eheschließung mit Else Köppen, der Tochter des berühmten deutschen Klimatologen Wladimir Köppen, leistete er seinen Kriegsdienst im Ersten Weltkrieg, wobei er zweimal verwundet wurde. Während eines Erholungsurlaubes veröffentlichte er 1915 die erste Auflage seines nachmals weltberühmtem Buches Der Ursprung der Meere und der Kontinente.

Viktor F. Hess wiederum wollte seine als Dissertation in Graz begonnenen Arbeiten eigentlich in Berlin fortsetzen, wurde aber durch den plötzlichen Tod von Prof. Paul Drude daran gehindert. Darauf verschaffte ihm sein Lehrer Leopold von Pfaundler, einer der ersten Hausherren des neu erbauten Grazer Physikalischen Instituts, einen Arbeitsplatz am 2. Physikalischen Institut der Universität Wien. Dies wurde für die weitere wissenschaftliche Entwicklung von Hess entscheidend und war letzten Endes auch der Grund für eine große Entdeckung.

Dort hatte Franz S. Exner einen Kreis von hochbegabten Schülern um sich geschart und beschäftigte sich mit zwei neuen gebieten der damaligen Physik: der Radioaktivität und der Luftelektrizität. Hess habilitierte sich im Jahr 1910 auch mit einer Arbeit über die Radioaktivität in der Luft und erhielt im gleichen Jahr die Stelle eines ersten Assistenten am neu gegründeten Radiuminstitut der Akademie der Wissenschaften, dessen Direktor Stefan Meyer war, in welchem er auch einen Freund und großzügigen Förderer seiner Arbeiten fand. Bei mehreren Ballonaufstiegen im Jahr 1912 konnte Hess nachweisen, daß die elektrische Leitfähigkeit der Luft, die auf Grund der Ionisation durch die harte Gammastrahlung von radioaktiven Substanzen am Boden hervorgerufen wird, zuerst mit der Höhe abnimmt, dann aber oberhalb einer Höhe von 1800 m wieder zunimmt, um bei 5000 Metern einen vielfach höheren Wert als am Boden zu erreichen.

Abbildung 2. Ballonfahrt von Viktor F. Hess. Zwischen 1911 und 1913 führte Hess bei Tag und Nacht 10 Ballonaufstiege bis in Höhen von über 5 km durch (Quelle: Wikipedia)

Für Hess lag die einzig mögliche Erklärung in einer von außen kommenden „extraterrestrischen“ Strahlung. Die Beobachtungen von Hess wurden im folgenden Jahr von W. Kohlhörster bestätigt, aber es bestanden noch viele Jahre Zweifel an der Existenz der von Hess entdeckten Strahlung, und zwar sowohl in Europa als auch in den USA. Die Zeit war offensichtlich noch nicht reif für eine solch revolutionäre Entdeckung. Erst durch die Verleihung des Nobelpreises im Jahr 1936, den Hess gemeinsam mit dem Amerikaner C.G.Anderson erhielt, fand seine Entdeckung allgemeine Anerkennung. Für den bedeutenden englischen Physiker und ehemaligen Astronomer Royal Sie Arnold Wolfendale waren die Ballonmessungen von Hess im Jahre 1912 gewissermaßen die Geburtsstunde der kosmischen Strahlung (englisch: cosmic rays).

Die Entdeckung von Hess war nur dadurch möglich, daß er ein begeisterter und erfahrener Ballonfahrer war, eine Eigenschaft, die er mit Wegener teilte. Dieser hatte mit einem gemeinsam mit seinem Bruder, dem Meteorologen Kurt Wegener unternommenen, 52-Stunden-Ballonflug im Jahr 1906 einen Weltrekord aufgestellt. Wie Wegener leistete auch Hess Kriegsdienst im Ersten Weltkrieg, und zwar als Leiter der Röntgenabteilung eines Reservelazaretts. Daneben führte er mit einem Engländer namens Lawson, der in Wien vom Kriegsausbruch überrascht worden war, eine Präzisionsbestimmung der vom Radium ausgesandten Alphateilchen (Heliumkerne) durch und wandte als erster den heute wohlbekannten Geiger-Zähler für die Messung von Gammastrahlen an.

Nach dem Ersten Weltkrieg (1919 – 1924) wurde Alfred Wegener als Nachfolger seines Schwiegervaters W. Köppen als Chefmeteorologe an die Universität Hamburg berufen. Mitte der Zwanzigerjahre gab es dann auch den ersten Kontakt zwischen Wegener und Hess in Graz. Im Herbst 1920 wurde Hess zum Extraordinarius für Physik an der Universität Graz ernannt, aber fast gleichzeitig erhielt er, als einer der ersten Ausländer nach dem Ersten Weltkrieg einen Ruf in die USA, um dort als Chefphysiker der US Radium Corporation ein Forschungslabor aufzubauen. Er tat dies während einer zweijährigen Beurlaubung von seiner Grazer Position und hielt auch Vorträge an amerikanischen Universitäten; zudem war er auch als beratender Physiker des US Department of Interior tätig. Trotz günstiger Angebote zog es Hess jedoch vor, wieder an seine Grazer Lehrkanzel zurückzukehren, wo er 1925 zum Ordinarius ernannt wurde.

Die „glücklichen Jahre“ Alfred Wegeners in Graz (1924 –1930)

Im April 1924 wurde Alfred Wegener, nachdem sich die Verhandlungen mit dem Unterrichtsministerium wegen Fragen der Besoldung und der Bemessung des Pensionsdienstalters in die Länge gezogen hatten, als ordentlicher Professor für Meteorologie und Geophysik an die Universität Graz berufen. Damit begann Wegeners Grazer Periode, die in der von seiner Frau Else verfaßten Biographie als die „glücklichen Jahre“ bezeichnet wird. Wie wohl sich Wegener hier fühlte, kam in seiner Haltung zum Ausdruck, keinesfalls von Graz weggehen zu wollen und die ihm angebotenen Möglichkeiten von Berufungen nach Berlin und Innsbruck auszuschlagen. Zusammen mit den Wegeners übersiedelte nach Graz auch Alfred Wegeners Schwiegervater Wladimir Köppen, der, zehn Jahre nach Wegeners Tod in Grönland, im Alter von 93 Jahren in Graz verstarb. Mit ihm verfaßte Wegener im Jahr seiner Berufung nach Graz das Werk „Klimate der geologischen Vorzeit“, mit welchem die beiden Autoren auch den Arbeiten von Milutin Milankovitch über die astronomischen Ursachen der Eiszeiten zu einer weiten Verbreitung verhalfen. Auch dessen Theorie hatte einen gewissen revolutionären Charakter, denn die Periodizitäten in den Schwankungen von Erdachse, Präzession der Äquinoktien und Exzentrizität der Erdbahn wurden von Milankovitch als Ursache der Eis-und –Zwischeneiszeiten im Quartär angesehen. Heute weiß man, daß diese Theorie zwar nicht die wirklichen Temperaturschwankungen erklären kann, wohl aber, daß die Milankovitch-Zyklen als Zeitgeber in einem nichtlinearen Klimasystem wirken können. Das Buch von Köppen und Wegener war auch dazu angetan, aus Vergleichen des amerikanischen und afrikanischen Kontinents in der Vorzeit Argumente für die einstige Zusammengehörigkeit der beiden, und damit für die Existenz der Kontinentverschiebung zu liefern.

Die Grazer Zeit war für Wegener insgesamt eine wissenschaftlich fruchtbare Periode. Es entstanden in diesen sechs Jahren vor seinem Tod 60 wissenschaftliche Publikationen, die von der ungeheuren Breite der Interessen Wegeners zeugen. Sie umfassen nicht nur neue Auflagen seines bekannten Buches Thermodynamik der Atmosphäre, sondern auch Neubearbeitungen seines magnum opus Entstehung der Kontinente und der Ozeane sowie Arbeiten über Impaktkrater durch Meteoriteneinstürze (Wegener war auch einer der ersten, der diese als Ursache der Mondkrater – statt Vulkanismus – vorschlug). Darüber hinaus befaßte er sich auch mit dem Polarlicht, leuchtenden Nachtwolken, Anfangs- und Endhöhen großer Meteore und beschäftigte sich mit der Atmosphäre in großen Höhen – in einem Bereich oberhalb des Wettergeschehens, der damals oft „Aerologie“ bezeichnet wurde, heute aber „Aeronomie“ genannt wird; diese bildet als Physik und Chemie der hohen Atmosphäre den Kontrast zur Meteorologie Es ist bemerkenswert, daß sich auch die Grazer Nachfolger Wegeners in der zweiten Hälfte des 20.Jahrhunderts (Otto Burkard und Siegfried Bauer) gerade auf dieses Gebiet besonders konzentrierten.

Wegeners letzte Expedition

Nachdem sich Wegener vor dem Ersten Weltkrieg bereits als ausländisches Mitglied der dänischen Grönland-Expedition angeschlossen hatte, nahm er auch an der Inlandeis-Expedition teil, die von seinem dänischen Freund Johann Peter Koch organisiert wurde und in deren Rahmen eine Überquerung der Grönland-Eiskappe von Ost nach West erfolgte. Es ist daher nicht verwunderlich, daß Wegener im Jahre 1928 eingeladen wurde, als Leiter einer kleinen Grönland-Expedition zu fungieren, die von der Notgemeinschaft der Deutschen Wissenschaft (Vorläufer der heutigen DFG) finanziert wurde, um Messungen der Eisdecke mittels Explosions-Seismik durchzuführen. Diese einzigartige Chance, nach Grönland zurückkehren zu können, benutzte Wegener auch, um meteorologische und glaziologische Untersuchungen vorzuschlagen. Eine Versuchsexpedition wurde 1929 mit den Meteorologen Johannes Gorgi und Fritz Loewe sowie dem Glaziologen Ernst Sorge durchgeführt. Während der im Jahr 1930 durchgeführten und bis 1931 geplant gewesenen Hauptexpedition wurde eine meteorologische Station „Eismitte“ auf 3000 m Höhe installiert. Auf seinem Wege von dort zurück mit dem Hundeschlitten ist Alfred Wegener kurz nach seinem 50. Geburtstag im November 1930 gestorben. Sein in einem Schlafsack eingenähter Leichnam wurde im Frühjahr 1931 entdeckt; von seinem Begleiter fehlt bis jetzt jede Spur. 30 Jahre nach seinem Tod im Grönlandeis wurde zum Gedenken an Alfred Wegener von österreichischen Bergsteigern eine Relief-Gedenktafel der Karl-Franzens-Universität Graz an einer Felswand im Kamarujukfjord in Grönland angebracht.

Viktor F. Hess in Graz und Innsbruck (1920 – 1938)

Während der „glücklichen Grazer Jahre“ Wegeners war auch Viktor Franz Hess sein Nachbar im Physikalischen Institut geworden. Eine enge persönliche Freundschaft verband Wegener jedoch mit dem damaligen Direktor des Physikalischen Instituts, Hans Benndorf, der ein besonderes Naheverhältnis zur Geophysik hatte. Da es in Graz keine Radiumpräparate gab, begann sich Hess wieder mit dem Problem der elektrischen Leitfähigkeit der Luft und ihren Ursachen zu beschäftigen, was in einem ausführlichen Werk seinen Niederschlag fand. Zur weiteren Erforschung der kosmischen Strahlung unternahm er auch Messungen auf dem Hochobir in Kärnten und organisierte mit Unterstützung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften Expeditionen auf den über 3000 m hohen Sonnblick, zum Zwecke der Registrierung der zeitlichen Schwankung dieser Strahlung. Im Jahr 1931 erhielt Hess einen Ruf an die Universität Innsbruck, die ihm die Gelegenheit bot, auf dem mit der Seilbahn leicht erreichbaren Hafelekar ein Laboratorium zur Dauerregistrierung der Kosmischen Strahlung einzurichten. Dort führte er weitere Untersuchungen durch, einschließlich solcher, die sich auf die biologische Wirkung dieser Strahlung beziehen, welche ja auch für Mutationen der Erbmasse verantwortlich ist.

Im Jahr 1937 folgte Hess, nachdem ihm der Nobelpreis verliehen worden war, einem Ruf nach Graz als Nachfolger Hans Benndorfs. Aber schon im darauf folgenden Jahr, nach der Annexion Österreichs, wurde er in den Ruhestand versetzt und ohne Pension entlassen. Sogar sein finanzieller Anteil am Nobelpreis ging verloren, da er gezwungen war, das Kapital gegen deutsche Reichsschatzscheine auszutauschen. Hess war zwar ein überzeugter Katholik und zeigte auch aufgrund seiner Auslandsaufenthalte eine kosmopolitische Einstellung, hatte sich aber politisch nie betätigt. Er empfand daher seine Behandlung durch die neuen Machthaber umso schmerzlicher und verließ im Herbst 1938 seine Heimat, um an der Fordham University in New York seine Arbeiten fortzusetzen, wo er bis zu seiner Emeritierung im Jahr 1956 wirkte.

Viktor F. Hess in den USA (1938 – 1964)

In den USA widmete sich Hess nicht mehr seinen experimentellen Arbeiten über Kosmische Strahlung, sondern der Radioaktivität von Gesteinen, Fragen des Strahlenschutzes und der Radiobiologie – alles Themen, die heute wieder von großer Wichtigkeit geworden sind. Es blieb daher anderen vorbehalten, das große Potential der kosmischen Strahlung auszunutzen. So wurden in der Folge verschiedene Bausteine der Materie, so etwa das Positron, die Mesonen und Hyperonen in der Kosmischen Strahlung entdeckt und diese Strahlung wurde damals überhaupt zum Laboratorium der Hochenergie-Physiker, da die Energien, wie sie die Teilchen der Kosmischen Strahlung besitzen, in irdischen Laboratorien nicht erreicht werden konnten.

Obwohl Hess sich in den USA rasch eingelebt hatte, blieb er in seinem Inneren stets Österreicher. Er war zu wiederholten Malen nach Kriegsende in seiner Heimat und im Jahr 1948 wirkte er sogar als Gastprofessor an der Universität Innsbruck. Auch zu seinem 75. Geburtstag weilte Hess wieder in der Heimat, doch konnte er sich trotz wiederholter Einladungen nicht mehr dazu entschließen, nach Österreich zurückzukehren. Er starb im Dezember 1964 in Mount Vernon, N.Y. im Alter von 81 Jahren. Hess war allerdings noch vergönnt mitzuerleben, wie seine Entdeckung der Kosmischen Strahlung im Zeitalter der Weltraumforschung immer größere Bedeutung erlangte. So war auch die erste neue Entdeckung, die mit künstlichen Erdsatelliten im Jahr 1959 gemacht wurde, eigentlich das Resultat einer weiteren Erforschung der Kosmischen Strahlung. Prof. James van Allen hatte auf den ersten Explorer-Satelliten der USA Geiger-Zähler eingebaut, um die Kosmische Strahlung in großer Entfernung von der Erde zu messen. Dabei entdeckte er die sogenannten Strahlungsgürtel, die unsere Erde umgeben und heute seinen Namen tragen. Interessanterweise stellte sich heraus, daß diese Strahlungsgürtel durch die Einwirkung der kosmischen Strahlung auf unsere „Erdatmosphäre“ gespeist werden; auch das in der archäologischen Altersbestimmung verwendete radioaktive Kohlenstoffisotop C-14 entsteht auf diese Weise.

Wie alle großen Entdeckungen haben auch die Hess’sche Entdeckung der Kosmischen Strahlung und Wegeners revolutionäre Theorie der Kontinentalverschiebung keine endgültigen Antworten gebracht, sondern neue Fragen für neue Generationen von Forschern aufgeworfen. Die Namen Alfred Wegener und Viktor Franz Hess sind mittlerweile längst in den Annalen der Wissenschaft verewigt.

Links:

Zu Viktor F. Hess:

Viktor Hess und die Entdeckung der Kosmischen Strahlung, Georg Federmann: Thesis, 2003; http://www.federmann.co.at/vfhess/downloads.html

Nobelpreis: http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1936/hess-bio.html
Woher kommt die Teilchenstrahlung aus dem Weltall? In: Uni(versum) für alle! (18,4 min) http://www.youtube.com/watch?v=iovpTxto93E

Ausstellung Schloß Pöllau (Hartberg): Strahlung – der ausgesetzte Mensch (6. Mai bis 25. November; Donnerstag bis Sonntag, von 10:00 bis 17:00 Uhr)

Zu Alfred Wegener:

Die Entstehung der Kontinente - Alfred Wegener und die Plattentektonik (14,59 min.) http://www.youtube.com/watch?v=mC9MLsenTCk

Ausführliche Darstellung des Curriculums (aus dem Alfred Wegener Institut für Polar-und Meeresforschung):

(http://www.awi.de/de/entdecken/geschichte_der_polarforschung/bedeutende_polarforscher/alfred_wegener/

Transkription der handschriftlichen Bemerkungen in Alfred Wegener: Die Entstehung der Kontinente und Ozeane (1. Auflage 1915, 38 Seiten):
http://www.awi.de/fileadmin/user_upload/News/2012_1/Transkr_Notizen_Entst_d_Kont_Ozeane.pdf
 

 

Anmerkungen der Redaktion

Der Autor

Siegfried J. Bauer wird hier vorgestellt.