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Physik

Im Gegensatz zur Antike bezeichnet P. (von griech. physis, dt. Natur) heute eingeschränkt die Lehre von Naturvorgängen, die experimenteller Erforschung, messender Erfassung und mathemat. Darstellung (Mathematik) zugänglich sind. Die bis in die frühe Neuzeit dominierende Auffassung der P. gründete auf den mehr philosophisch orientierten Lehren des Aristoteles. Erst die Erkenntnisse von Nikolaus Kopernikus, Johannes Kepler, Galileo Galilei, René Descartes und Isaac Newton brachten das aristotelisch-ptolemäische Weltbild zum Einsturz: Die neuzeitl. Astronomie und P. sehen die Erde nicht mehr als Mittelpunkt des Kosmos; die Newton'schen Gesetze gelten für den Bereich des Himmels wie auch der Erde, womit das aristotel. Dogma vom prinzipiellen Gegensatz zwischen Himmel und Erde überwunden wurde.

Mit den im 19. Jh. einsetzenden Untersuchungen neuer Phänomene bezüglich Elektrizität, Magnetismus und Wärme trat das bis dahin dominierende rein mechan. Weltbild zunehmend in den Hintergrund. Die Erfassung dieser Phänomene mit theoret. Methoden führte schliesslich zu völlig neuen Ansätzen der physikal. Naturbeschreibung, bei der die Relativitätstheorie und die Quantenphysik eine bestimmende Rolle spielten.

Die Anfänge der modernen Physik

Der Wettstreit zwischen der aristotel. und der neuzeitl. P. hinterliess auch in der Schweiz tiefe Spuren. Auf den höheren Schulen und Akademien waren Aristoteles und Ptolemäus noch im 17. Jh. 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 z.B. der Genfer Michel Varro 1584 einen Traktat über die Bewegung, in dem er wichtige Einsichten Galileis vorwegnahm. Die Basler Mathematiker und Physiker aus der Fam. Bernoulli sowie Leonhard Euler bauten die von Newton und Gottfried Wilhelm Leibniz begründete Differential- und Integralrechnung systematisch aus und wandten sie auf die P. an. Dies führte u.a. 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 P. an sowie ein collegium experimentale, das später von Theodor Zwinger fortgesetzt wurde. 1726 liess der Rat der Stadt Basel ein physikal. 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. Jh. eine bedeutende physikal. Schule, die sich unter dem Druck der kirchl. Orthodoxie zunächst v.a. experimentalphysikal. Fragen zuwandte. So wurde der Cartesianer Jean-Robert Chouet zu einem Pionier der experimentellen naturwissenschaftl. 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 wissenschaftl. 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 P. 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).
Hufeisenmagnet, Mitte 18. Jahrhundert (Historisches Museum Basel). […]

Mit dem Aufschwung, den die Naturwissenschaften und insbesondere die P. im 18. Jh. 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 P. am Carolinum, die sog. Physikalische Gesellschaft gegründet, die später den Namen Naturforschende Gesellschaft in Zürich annahm. Ihre Mitglieder trafen sich zunächst alle 14 Tage und absolvierten 1745-46 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 u.a. Versuche mit der Luftpumpe, einer neuen Elektrisiermaschine, mit künstl. Magneten und mit Pendeln durchgeführt. Ähnl. 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 techn. Anwendungen wie z.B. Dampfmaschinen oder elektr. Maschinen (Industrialisierung). Dies bewirkte zusammen mit dem Ausbau der Universitäten und der Gründung von techn. Hochschulen, den späteren Eidgenössischen Technischen Hochschulen (ETH), die Errichtung von weiteren Lehrstühlen für P. Erster Professor für Experimentalphysik an der 1833 gegründeten Univ. Zürich war Albert Mousson, der ab 1855 auch an der neuen Eidg. Polytechn. 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 u.a. Alfred Kleiner, Heinrich Friedrich Weber und Pierre-Ernest Weiss. Kleiner setzte sich für die Berufung des zuvor am Eidg. 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 1909-58 u.a. 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 quantentheoret. Erklärung der spezif. 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 physikal. Schulen. Vor dem 2. Weltkrieg lebten oder wirkten in der Schweiz ferner Raoul Pictet (erstmalige Verflüssigung von Sauerstoff), Johann Jakob Balmer (Entdecker der sog. Balmer-Formel), der Deutsche Wilhelm Conrad Röntgen (Stud. 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 kosm. Höhenstrahlung).

In die gleiche Zeitperiode fallen auch die 1887 bzw. 1908 erfolgten Gründungen der Physikal. Gesellschaft Zürich und der Schweizerischen Physikal. Gesellschaft. Letztere zählt heute zu den grössten Fachgesellschaften der SCNAT und hat durch die Herausgabe der "Helvetica Physica Acta" (1928-99), ihre jährl. Fachtagungen und zahlreichen Berichte und Evaluationen zur schweizerischen physikal. Forschung entscheidend zur Entwicklung dieser Disziplin in der Schweiz beigetragen.

Der Ausbau der Forschung nach 1945

Nach dem 2. Weltkrieg kam es an den schweiz. Hochschulen in der P. zu einem beeindruckenden Ausbau der Forschung. Während z.B. bei der Gründung der Univ. Bern 1834 die exakten Wissenschaften noch durch einen einzigen Lehrstuhl für Mathematik und P. (besetzt durch Friedrich Trechsel) gemeinsam vertreten waren, entstanden im Zuge der Professionalisierung der Wissenschaften sieben Institute mit ca. 30 vollamtl. Professoren und über 100 Mitarbeitern: 1847 erfolgte die Trennung von Mathematik und P., 1913 die Schaffung eines Ordinariates für theoret. P. (Paul Gruner) und 1921 eines ebensolchen für Astronomie (Sigmund Mauderli). Nach der Berufung von Friedrich Georg Houtermans 1952 bildeten sich in Bern neue physikal. Forschungsschwerpunkte, aus denen u.a. 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 P. an versch. Weltraummissionen (Raumfahrt). Internat. Anerkennung erhielt auch der Berner Klima- und Umweltphysiker Hans Oeschger. Für die Entfaltung der angewandten P. (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 P. fand auch an den anderen schweiz. Hochschulen statt. In Genf wurde 1952 ein neues Institutsgebäude für P. eingeweiht, an dem die theoret. 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 3'000 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 eidg. Räte einen mehrjährigen Spezialkredit, welcher der Kernenergieforschung dienen sollte. Es entstand u.a. 1961 das 1973 in die ETH integrierte Forschungszentrum für Plasmaphysik (CRPP), das seit 1979 auch mit der Europ. Atomenergiegemeinschaft (Euratom) und den grossen internat. 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 Eidg. 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 Schweiz. Institut für Nuklearforschung (SIN) entstanden. Scherrers Schüler besetzten zahlreiche Positionen an den schweiz. 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 gegr. Schweizerischen Nationalfonds und den Bund entstanden auch an der ETH Zürich in den Nachkriegsjahren mehrere neue physikal. Forschungsinstitute und zwar für Festkörperphysik (1956), Kernphysik (1959), Hochenergiephysik (1960) und Atmosphärenphysik (1962). An der Univ. Zürich wurde die P. 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 P. und Spektroskopie. In Neuenburg wurde 1975 an der Naturwissenschaftl. 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 Schweiz. Wissenschaftsrates an den schweiz. Hochschulen und am PSI etwa 1'400 Physiker und Astronomen beschäftigt; die gesamten Ausgaben für Forschung und Lehre beliefen sich auf etwa 350 Mio. Fr. jährlich. Um das Jahr 2000 arbeiteten allein am PSI etwa 1'200 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 u.a. auch zu neuen Erkenntnissen in der Nanotechnologie führen, eine der zukunftsträchtigsten Disziplinen der Gegenwart.

Ein wichtiger Anteil an der physikal. Forschung in der Schweiz wird durch die Industrie erbracht, wobei v.a. die Maschinenindustrie, die Elektroindustrie und Uhrenindustrie sowie die opt. 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 physikal. Fragen beschäftigen sich auch Unternehmen auf dem Gebiete 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 Physikal.-Meteorolog. Observatorium Davos, das Eidg. Institut für Schnee- und Lawinenforschung Davos, die Eidg. 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 schweiz. Nobelpreisträger Felix Bloch wies die Schweiz bis 2009 - wenn man die am CERN tätigen ausländ. Preisträger Carlo Rubbia, Simon van der Meer, Jack Steinberger und Georges Charpak hinzuzählt - insgesamt gegen 15 Nobelpreisträger auf dem Gebiete der P. auf.

Quellen und Literatur

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  • Les savants genevois dans l'Europe intellectuelle du XVIIe au milieu du XIXe siècle, hg. von J. Trembley, 1987
  • History of Electron Microscopy in Switzerland, hg. von J.R. Günter, 1990
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  • Gesch. der Kerntechnik in der Schweiz: die ersten 30 Jahre, 1939-1969, hg. von F. Aemmer et al., 1992
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  • P. Speziali, Physica genevensis, 1997
  • Wissenschafts- und Technikforschung in der Schweiz, hg. von B. Heintz, B. Nievergelt, 1998
  • T. Perret et al., Microtechniques et mutations horlogères, 2000
  • A. Hool, G. Grasshoff, Die Gründung der Schweiz. Physikal. Ges., 2008

Zitiervorschlag

Neuenschwander, Erwin: "Physik", in: Historisches Lexikon der Schweiz (HLS), Version vom 10.11.2011. Online: https://hls-dhs-dss.ch/de/articles/008284/2011-11-10/, konsultiert am 27.10.2020.