Physik

Die Anfänge der modernen Physik

Der Wettstreit zwischen der aristotelischen und der neuzeitlichen Physik hinterliess auch in der Schweiz tiefe Spuren. Auf den höheren Schulen und Akademien waren Aristoteles und Ptolemäus noch im 17. Jahrhundert unantastbare Autoritäten; Andersdenkende konnten sich in Zürich und Bern einer Verurteilung meist nur durch Stillschweigen oder Flucht entziehen. Trotzdem gab es mehrere Schweizer Gelehrte, die für die Verbreitung der neuen Lehren eine hervorragende Rolle spielten. So publizierte zum Beispiel der Genfer Michel Varro 1584 einen Traktat über die Bewegung, in dem er wichtige Einsichten Galileis vorwegnahm. Die Basler Mathematiker und Physiker aus der Familie Bernoulli sowie Leonhard Euler bauten die von Newton und Gottfried Wilhelm Leibniz begründete Differential- und Integralrechnung systematisch aus und wandten sie auf die Physik an. Dies führte unter anderem zur Lösung des Problems der Kettenlinie und der Brachystochronen durch Johann und Jacob Bernoulli. Leonhard Euler und Daniel Bernoulli verfassten wegweisende Schriften über die Mechanik, Hydrostatik, Hydrodynamik, Optik und die Elastizitätslehre. Der erwähnte Jacob Bernoulli kündigte in Basel ab 1687 auch Vorlesungen zur Physik an sowie ein collegium experimentale, das später von Theodor Zwinger fortgesetzt wurde. 1726 liess der Rat der Stadt Basel ein physikalisches Kabinett einrichten. Es wurde in der Folge von Daniel Bernoulli ausgebaut, der in seinen Experimentalvorlesungen oftmals über 100 Hörer hatte.

Auch in Genf entstand um die Wende zum 18. Jahrhundert eine bedeutende physikalische Schule, die sich unter dem Druck der kirchlichen Orthodoxie zunächst vor allem experimentalphysikalischen Fragen zuwandte. So wurde der Cartesianer Jean-Robert Chouet zu einem Pionier der experimentellen naturwissenschaftlichen Forschung in der Westschweiz. 1737 schuf man an der Genfer Akademie einen Lehrstuhl für Experimentalphysik. Jean Jallabert, der diesen Lehrstuhl als Erster innehatte, verfasste eine breit angelegte Monografie zur Elektrizität, worüber später auch Charles-Gaspard und Auguste De la Rive arbeiteten. Weitere hervorragende Genfer Physiker waren Horace Bénédict de Saussure, der bei seiner wissenschaftlichen Expedition auf den Mont Blanc 1787 die atmosphärischen Erscheinungen im Hochgebirge studierte; Georges-Louis Le Sage, Marc-Auguste Pictet und Pierre Prevost, die eine korpuskularkinetische Grundlegung der Physik entwickelten; Jean-Daniel Colladon, der die Schallgeschwindigkeit im Wasser des Genfersees bestimmte; ferner Jacques-Barthélemy Micheli du Crest, Jean-André Deluc und Ami Argand, die zahlreiche Instrumente (Thermometer, Barometer, Hygrometer, Blitzableiter, Argand-Lampe) konstruierten.

Hufeisenmagnet, Mitte 18. Jahrhundert (Historisches Museum Basel). […]

Mit dem Aufschwung, den die Naturwissenschaften und insbesondere die Physik im 18. Jahrhundert nahmen (Aufklärung), entstand auch in der Schweiz das Bedürfnis nach naturwissenschaftlichen gelehrten Gesellschaften. 1746 wurde in Zürich unter dem Vorsitz von Johannes Gessner, dem damaligen Professor für Mathematik und Physik am Carolinum, die sogenannte Physikalische Gesellschaft gegründet, die später den Namen Naturforschende Gesellschaft in Zürich annahm. Ihre Mitglieder trafen sich zunächst alle 14 Tage und absolvierten 1745-1746 unter Gessners Leitung einen Kursus für Experimentalphysik und Naturhistorie, in dem Gessner die Zuhörer mit den neuen Theorien von Galilei und Newton vertraut machte. In den nachfolgenden Jahren wurden in den Sitzungen unter anderem Versuche mit der Luftpumpe, einer neuen Elektrisiermaschine, mit künstlichen Magneten und mit Pendeln durchgeführt. Ähnliche Gesellschaften bildeten sich in der Folge in Basel, Bern und Genf. 1815 entstand als Dachorganisation die Schweizerische Naturforschende Gesellschaft, aus der 1988 die Schweizerische Akademie der Naturwissenschaften (SANW, seit 2004 Swiss Academy of Sciences SCNAT) hervorging.

Institutionalisierung vom 19. bis ins 20. Jahrhundert

Die neuen Erkenntnisse in der Elektrodynamik und der Wärmelehre führten bald zu technischen Anwendungen wie zum Beispiel Dampfmaschinen oder elektrische Maschinen (Industrialisierung). Dies bewirkte zusammen mit dem Ausbau der Universitäten und der Gründung von technischen Hochschulen, den späteren Eidgenössischen Technischen Hochschulen (ETH), die Errichtung von weiteren Lehrstühlen für Physik. Erster Professor für Experimentalphysik an der 1833 gegründeten Universität Zürich war Albert Mousson, der ab 1855 auch an der neuen Eidgenössischen Polytechnischen Schule wirkte. Dorthin wurde auch der mehr theoretisch orientierte Physiker Rudolf Clausius berufen, der sich durch die Entdeckung des 2. Hauptsatzes der Thermodynamik und den in Zürich geprägten Begriff der Entropie bleibenden Ruhm erwarb. Später wirkten an den Zürcher Hochschulen unter anderem Alfred Kleiner, Heinrich Friedrich Weber und Pierre-Ernest Weiss. Kleiner setzte sich für die Berufung des zuvor am Eidgenössischen Patentamt in Bern tätigen Albert Einstein ein, der dort 1905 seine bahnbrechenden Arbeiten über die Lichtquanten, die Brown'sche Bewegung und die Spezielle Relativitätstheorie geschaffen hatte. Er eröffnete damit der Zürcher Physik eine glänzende Periode, die 1909-1958 unter anderem durch das Wirken von fünf Nobelpreisträgern, namentlich Albert Einstein, Peter Debye, Max von Laue, Erwin Schrödinger und Wolfgang Pauli gekennzeichnet ist. Während Einstein und von Laue nur kurze Zeit in Zürich lehrten, entwickelte Debye in seiner Zürcher Zeit eine quantentheoretische Erklärung der spezifischen Wärme fester Körper bei tiefen Temperaturen, schuf die nach ihm benannte Dipoltheorie und perfektionierte mit Paul Scherrer das Debye-Scherrer-Verfahren zur Kristallstrukturanalyse. Ebenfalls längere Zeit in Zürich verweilten Erwin Schrödinger, der hier 1926 seine Wellenmechanik formulierte, und Wolfgang Pauli, wichtigster Begründer der Quantenfeldtheorie, der 1930 die Hypothese des Neutrinos aufstellte. Pauli, Scherrer und Gregor Wentzel gründeten in Zürich wegweisende physikalische Schulen. Vor dem Zweiten Weltkrieg lebten oder wirkten in der Schweiz ferner Raoul Pictet (erstmalige Verflüssigung von Sauerstoff), Johann Jakob Balmer (Entdecker der sogenannten Balmer-Formel), der Deutsche Wilhelm Conrad Röntgen (Studium und Dissertation in Zürich, 1895 Entdeckung der Röntgenstrahlen in Würzburg), Charles-Edouard Guillaume (1920 Nobelpreis für die Entdeckung des Invar) und Auguste Piccard (Ballonflüge in die Stratosphäre zur Messung der kosmischen Höhenstrahlung).

In die gleiche Zeitperiode fallen auch die 1887 bzw. 1908 erfolgten Gründungen der Physikalischen Gesellschaft Zürich und der Schweizerischen Physikalischen Gesellschaft. Letztere zählt heute zu den grössten Fachgesellschaften der SCNAT und hat durch die Herausgabe der «Helvetica Physica Acta» (1928-1999), ihre jährlichen Fachtagungen und zahlreichen Berichte und Evaluationen zur schweizerischen physikalischen Forschung entscheidend zur Entwicklung dieser Disziplin in der Schweiz beigetragen.

Der Ausbau der Forschung nach 1945

Nach dem Zweiten Weltkrieg kam es an den schweizerischen Hochschulen in der Physik zu einem beeindruckenden Ausbau der Forschung. Während zum Beispiel bei der Gründung der Universität Bern 1834 die exakten Wissenschaften noch durch einen einzigen Lehrstuhl für Mathematik und Physik (besetzt durch Friedrich Trechsel) gemeinsam vertreten waren, entstanden im Zuge der Professionalisierung der Wissenschaften sieben Institute mit ca. 30 vollamtlichen Professoren und über 100 Mitarbeitern: 1847 erfolgte die Trennung von Mathematik und Physik, 1913 die Schaffung eines Ordinariates für theoretische Physik (Paul Gruner) und 1921 eines ebensolchen für Astronomie (Sigmund Mauderli). Nach der Berufung von Friedrich Georg Houtermans 1952 bildeten sich in Bern neue physikalische Forschungsschwerpunkte, aus denen unter anderem die Abteilungen für Weltraumforschung und Planetologie, für Klima- und Umweltphysik (Klimatologie, Meteorologie) sowie für Hochenergiephysik hervorgegangen sind. Unter Houtermans' Nachfolger Johannes Geiss beteiligte sich die Berner Physik an verschiedenen Weltraummissionen (Raumfahrt). Internationale Anerkennung erhielt auch der Berner Klima- und Umweltphysiker Hans Oeschger. Für die Entfaltung der angewandten Physik (v.a. Mikrowellen- und Laserphysik) war neben der lokalen Industrie auch die Zusammenarbeit mit Bundesbetrieben wichtig (Amt für Mass und Gewicht, Post-, Telefon- und Telegrafenbetriebe, Rüstungsdienste).

Ein analoger Ausbau der Physik fand auch an den anderen schweizerischen Hochschulen statt. In Genf wurde 1952 ein neues Institutsgebäude für Physik eingeweiht, an dem die theoretischen Physiker Ernst Carl Gerlach Stückelberg von Breidenbach und Josef-Maria Jauch wirkten. 1953 wurde die Europäische Organisation für Kernforschung (CERN) gegründet, die heute um die 3000 Mitarbeiter zählt und jährlich Tausende von Wissenschaftlern aus der ganzen Welt anzieht. An der EPUL (ab 1969 ETH Lausanne) wurde die Forschung in den 1950er Jahren ebenfalls systematisch ausgebaut. 1958 bewilligten die eidgenössischen Räte einen mehrjährigen Spezialkredit, welcher der Kernenergieforschung dienen sollte. Es entstand unter anderem 1961 das 1973 in die ETH integrierte Forschungszentrum für Plasmaphysik (CRPP), das seit 1979 auch mit der Europäischen Atomenergiegemeinschaft (Euratom) und den grossen internationalen Projekten JET (Joint European Torus) und ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) zusammenarbeitet.

Wichtigster Förderer der Entwicklung im Nuklearenergiebereich war Paul Scherrer. In Kooperation mit der Industrie war er massgeblich an der Gründung der Reaktor AG beteiligt, die 1960 in das Eidgenössische Institut für Reaktorforschung (EIR) bzw. das Paul-Scherrer-Institut (PSI) überging. Letzteres war 1988 aus der Fusion des EIR mit dem 1968 eröffneten und von Jean-Pierre Blaser geleiteten Schweizerischen Institut für Nuklearforschung (SIN) entstanden. Scherrers Schüler besetzten zahlreiche Positionen an den schweizerischen Hochschulen. Dieser Umstand trug dazu bei, dass die Schweiz damals in der Kernphysik zu den international führenden Nationen zählte (Atomenergie).

Dank der massiven Unterstützung durch den 1952 gegründeten Schweizerischen Nationalfonds und den Bund entstanden auch an der ETH Zürich in den Nachkriegsjahren mehrere neue physikalische Forschungsinstitute und zwar für Festkörperphysik (1956), Kernphysik (1959), Hochenergiephysik (1960) und Atmosphärenphysik (1962). An der Universität Zürich wurde die Physik nach 1949 zunächst durch Hans Heinrich Staub und Walter Heitler vertreten und ebenfalls stark ausgebaut. In Basel konzentrierte sich die Forschung auf die Gebiete Niederenergie-Kernphysik, angewandte Physik und Spektroskopie. In Neuenburg wurde 1975 an der Naturwissenschaftlichen Fakultät neben dem Physikinstitut ein Institut für Mikrotechnik gegründet, das die bereits zuvor bestehende Kooperation mit dem Laboratoire Suisse de Recherches Horlogères und dem 1984 geschaffenen Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique weiter vertiefte.

Das Resultat dieses Ausbaus kann durch nachfolgende Zahlen verdeutlicht werden: 1993 waren gemäss einer Studie des Schweizerischen Wissenschaftsrates an den schweizerischen Hochschulen und am PSI etwa 1400 Physiker und Astronomen beschäftigt; die gesamten Ausgaben für Forschung und Lehre beliefen sich auf etwa 350 Mio. Franken jährlich. Um das Jahr 2000 arbeiteten allein am PSI etwa 1200 Personen aus über 45 Nationen, die sich mit Festkörperforschung, Materialwissenschaften, Elementarteilchen-Physik, Biowissenschaften, nuklearer und nicht-nuklearer Energieforschung sowie energiebezogener Umweltforschung befassen. Als grosse zentrale Forschungseinrichtungen dienen das PSI-Ringzyklotron, die Spallations-Neutronenquelle SINQ und die 2001 in Betrieb genommene Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS), die unter anderem auch zu neuen Erkenntnissen in der Nanotechnologie führen, eine der zukunftsträchtigsten Disziplinen der Gegenwart.

Ein wichtiger Anteil an der physikalischen Forschung in der Schweiz wird durch die Industrie erbracht, wobei vor allem die Maschinenindustrie, die Elektroindustrie und Uhrenindustrie sowie die optische Industrie in der Forschung eng mit den Hochschulen kooperieren (Forschungen zum Elektronenmikroskop an den Hochschulen in Genf, Lausanne und Zürich in Zusammenarbeit mit der Firma Trüb, Täuber & Co.; Entwicklungen zur Magnetresonanztechnik an der ETH Zürich mit Trüb, Täuber & Co. und der Spectrospin AG; Entwicklung von LCD-Anzeigen im Konzernforschungszentrum Baden-Dättwil der späteren Asea Brown Boveri). Mit physikalischen Fragen beschäftigen sich auch Unternehmen auf dem Gebiet der Fernmelde-, Medizinal- und Vermessungstechnik, der Mikroelektronik, Oberflächenbearbeitung und Rüstungsindustrie (z.B. Ascom, Siemens Albis, Kern, Wild Leitz, Mettler-Toledo, Balzers und Leybold, Charmilles Technologies, Swatch Group, Georg Fischer, Oerlikon-Bührle, Contraves) sowie ausseruniversitäre Forschungsinstitutionen wie das Physikalisch-Meteorologische Observatorium Davos, das Eidgenössische Institut für Schnee- und Lawinenforschung Davos, die Eidgenössische Materialprüfungs- und Versuchsanstalt (EMPA) oder das Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique (CSEM). Bedeutende Resultate wurden insbesondere an dem 1961 eröffneten IBM-Forschungslaboratorium in Rüschlikon erzielt, wo 1986 Heinrich Rohrer und Gerd Binnig den Nobelpreis für die Entwicklung des Rastertunnelmikroskops erhielten und 1987 Karl Alexander Müller und Georg Bednorz für die Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleitung. Zusammen mit dem im Ausland wirkenden schweizerischen Nobelpreisträger Felix Bloch wies die Schweiz bis 2009 – wenn man die am CERN tätigen ausländischen Preisträger Carlo Rubbia, Simon van der Meer, Jack Steinberger und Georges Charpak hinzuzählt – insgesamt gegen 15 Nobelpreisträger auf dem Gebiet der Physik auf.