Christian Doppler: Mit Trompetenschall zum Urknall

13. September 2015, 12:44
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Im Jahr 1850 wurde Christian Doppler der erste Direktor des Physikalischen Instituts der Uni Wien. Acht Jahre davor beschrieb er den Doppler-Effekt

Wien – Im Juni 1845 war etwas los auf der Bahnstrecke zwischen Utrecht und Maarssen. Christoph Buys-Ballot verfrachtete Trompeter auf einen offenen Waggon, der von einer Lok gezogen wurde. Andere Musiker positionierte der niederländische Wissenschafter entlang der Geleise. Sie sollten mit ihrem geschulten Gehör Veränderungen in der Höhe jener Töne wahrnehmen, die die Trompeter bei voller Fahrt spielten. Und tatsächlich: Der Trompetenton "verbog" sich, während die Lok vorbeifuhr. Das "Doppler'sche Prinzip" war bewiesen.

Christian Doppler, ein 1803 in Salzburg geborener Professor an der Technischen Lehranstalt Prag, hatte drei Jahre davor den Effekt, wonach sich die gemessene Frequenz von Wellen mit einer Abstandsveränderung von Quelle und Empfänger verändert, vorausgesagt. "Über das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels" hieß die epochale Abhandlung – die allerdings falsch war.

Denn Doppler wollte mit dem Prinzip die Farbe der Sterne erklären, so Walter Kutschera, emeritierter Professor und ehemaliger Leiter des Instituts für Isotopenforschung und Kernphysik der Uni Wien. Die Sterne, von ihrer Natur her eigentlich weiß, würden sich so schnell bewegen, dass sie für den Betrachter auf der Erde farbig erscheinen, so die Fehlannahme. Doppler konnte nicht ahnen, dass die Farben mit der Oberflächentemperatur zu tun haben.

Ultraschall und Flugradar

Davor hatte sich Doppler in die damals aktuelle Vibrationstheorie vertieft, die auf Thomas Young zurückgehend den Wellencharakter des Lichts beschrieb. Der französische Physiker Hippolyte Fizeau bestätigte den Doppler-Effekt 1848 für elektromagnetische Wellen. Auch wenn es falsch angewendet war, sollte sich Dopplers Prinzip als eine der grundlegendenden Entdeckungen der Physik mit vielfältigem Einsatz in Bereichen wie der Meteorologie oder Medizin herausstellen. Ultraschallgeräte nutzen den Doppler-Effekt etwa, um den Blutstrom zu messen, Radargeräte zur Überwachung des Flugverkehrs.

Bei astronomischen Beobachtungen wurde der Doppler-Effekt zu einem besonders hilfreichen Instrument. Die Rotverschiebung des Lichts der Galaxien zeigt etwa, dass sich viele von uns wegbewegen. Edwin Hubble erkannte, dass sich jene, die weiter entfernt sind, schneller bewegen. Diese Entdeckung der Expansion des Weltalls war ein Grundstein für eine Urknalltheorie.

Dem Doppler-Effekt verdanken wir letzten Endes auch einen der stärksten Hinweise auf die mögliche Existenz Dunkler Materie im All, so Kutschera. Die Spiralarme der Galaxien sollten sich, der Gravitationskraft der sichtbaren Materie entsprechend, langsamer drehen als das Zentrum einer Galaxie. Mit der Zuhilfenahme einer Dunklen Materie lässt sich die tatsächlich konstante Geschwindigkeit der Arme dagegen erklären.

Die Frequenzverschiebungen elektromagnetischer Wellen erwies sich als fundamentales Instrument, das bis heute zu neuen Erkenntnissen verhilft. Kutschera verweist auf Nobelpreisträger Rudolf Mößbauer, der Atomkerne mit Gammastrahlung beschoss und eine "rückstoßfreie" Absorption der Strahlung entdeckte. Das Atom wird dabei nicht in Schwingung versetzt, sondern gibt den Impuls an ein gesamtes Kristallgitter eines Feststoffs weiter.

Im Rahmen der Mößbauerspektroskopie macht man sich zusätzlich den Doppler-Effekt für ein hochfeines Analyseverfahren zunutze. Der Gammastrahl wird dabei mechanisch bewegt, um die Atomkerne abzutasten. "Man hat bereits ein Mösbauerspektrometer auf den Mars geschickt, um festzustellen, in welchem Oxidatonszustand Eisen vorkommt, und um Hinweise auf das frühere Vorhandensein von Wasser zu bekommen", erklärt Kutschera.

Stephen Chu und Kollegen bekamen dagegen einen Nobelpreis dafür, dass sie im Rahmen des sogenannten Laser-Coolings Atome mit Laserlicht fast vollständig abbremsten. Den Doppler-Effekt nützend, wird das Licht genau auf die richtige Wellenlänge eingestellt, damit es absorbiert wird. Das Laser-Cooling ist eine Vorbedingung, um den extremen Aggregationszustand eines Bose-Einstein-Kondensats – ein Meilenstein in der Quantenforschung – herzustellen, so Kutschera.

Doppler, Sohn eines Steinmetzen, der wegen seiner schwachen Konstitution dem Vater in seinem Beruf nicht nachfolgen konnte, wurde 1850 Professor für Experimentalphysik und zum ersten Direktor des Physikalischen Instituts der Universität Wien. In der Jugend hatte er das Glück, dass sein intellektuelles Potenzial entdeckt wurde. Er holte das Gymnasium nach, studierte in Wien und Salzburg und ging nach Prag, um Mathematikprofessor zu werden. Der Posten flog ihm nicht zu. Doppler musste eine Zeitlang als Buchhalter arbeiten und fasste zwischenzeitlich sogar den Entschluss, nach Amerika auszuwandern.

Der Uni Wien blieb er nicht lang erhalten. Sein Gesundheitszustand verschlechterte sich. Er hatte Tuberkulose und suchte im Klima Italiens Linderung zu finden. 1853 starb er im Alter von nur 49 Jahren in Venedig, wo er am Friedhof San Michele begraben liegt. (Alois Pumhösel, 9.9.2015)

  • Christian Doppler war zu schwächlich, um seinem Vater als Steinmetz nachzufolgen. Ein Glück für die Wissenschaft, denn der von ihm entdeckte Doppler-Effekt wurde zum wichtigen Instrument der Forschung in Physik, Astronomie und Medizin – Ultraschallgeräte nutzen den Effekt etwa, um den Blutstrom zu messen.
    foto: science photo library / picturedesk.com

    Christian Doppler war zu schwächlich, um seinem Vater als Steinmetz nachzufolgen. Ein Glück für die Wissenschaft, denn der von ihm entdeckte Doppler-Effekt wurde zum wichtigen Instrument der Forschung in Physik, Astronomie und Medizin – Ultraschallgeräte nutzen den Effekt etwa, um den Blutstrom zu messen.

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