Geschichtliches zum Vakuum

Geschichtliches zum Vakuum

Begriffsdefinition - Wann genau wird von einem Vakuum gesprochen ?

Vakuum ist im strengen Sinne die Bezeichnung für den völlig leeren, materiefreien Raum. In der Praxis bezeichnet man als Vakuum ein abgeschlossenes Raumgebiet, in dem ein Druck herrscht, der wesentlich geringer ist als der normale Luftdruck. Oft bezeichnet man auch den Zustand dieses  Raumgebietes als Vakuum. Mass für die Qualität eines Vakuums ist der noch in ihm vorhandene Druck. Das Vakuum ist um so 'besser' , je geringer dieser Restdruck ist. Man trifft dabei im Allgemeinen die folgende grobe Einteilung:

Bezeichnung                         Druck in Pa Druck in Bar

Grobvakuum                         10⁵ - 10⁴ 1 - 10 ^-1

Zwischenvakuum                  10⁴ - 10² 10^-1 - 10^-2

Feinvakuum                          10² - 10^-1 10^-2 - 10^-6

Hochvakuum                         10^-1 - 10^-5 10^-6 - 10^-10

Ultrahochvakuum

(Höchstvakuum)                   < 10^-5 < 10^-10

Jahrtausende lang waren die Menschen oder vielmehr die Physiker und Philosophen damit beschäftigt den Beweis für die Existenz des Vakuums zu finden. Die wichtigsten Stationen und Namen aus der Geschichte des Naturphänomens VAKUUM soll im folgenden Text dargestellt werden:

Obwohl das kartesianische Weltbild den Anspruch formuliert hatte, das aristotelische Weltbild als Ganzes zu ersetzen, enthält es doch noch zwei charakteristische peripatetische (also aus der Lehre Aristoteles) Aussagen. Die eine Aussage ist, dass nur zwischen sich berührenden Körpern eine Kraft übertragen werden kann, und zum andern wird die Möglichkeit der Existenz des Vakuums verneint. Die Kartesianer erklärten dies folgendermassen: Die durch den Kontakt zustandekommende Kraftwirkung wird nicht zum Aufrechterhalten des Bewegungszustandes, sondern zu dessen Veränderung benötigt. Auch die These von der Unmöglichkeit eines Vakuums könnte somit erläutert werden: Die Fernwirkung der Körper kann auf diese Weise auf eine unmittelbare Wechselwirkung zurückgeführt werden, so dass sich vedächtige Begriffe wie Sympathie und Affinität (Verwandtschaft) aus der Physik eliminieren lassen.

Als man gemerkt hat, dass Wasserpumpen nur bis zu einer bestimmten Steighöhe arbeiten, ist dann die aristotelische Annahme vom horror vacui wieder in den Mittelpunkt des Interesses gelangt.

Auch GALILEI hat sich mit diesem Problem beschäftigt. Gleich auf den zwei ersten Seiten seines 1638 erschienen Buches Discorsi  hat er die Frage diskutiert, ob die Festigkeit eines Körpers nicht eine Folge des Vakuums ist, das dich im Moment des Auseinanderreissens zwischen den beiden sich voneinander entfernenden Flächen ausbildet. Man stellte fest, dass beim Zerreissen fester Körper andere Einflüsse von Bedeutung sind, aber im Falle des Wassers nur der horror vacui eine Rolle spielen kann.

GALILEI hat auch eine Messanordnung dafür angegeben: Sie besteht aus einem mit Wasser gefüllten Zylinder, der von unten mit einem Kolben verschlossen ist. Werden an diesem Kolben Gewichtsstücke angehängt, dann wird bei einem bestimmten Gesamtgewicht der Kolben aus dem Zylinder herausgezogen.  Auf den ersten Blick scheint diese Vorstellung recht naiv, doch GALILEI hat auf diese Weise den horror vacui messbar gemacht und ihm einen Zahlenwert zugeordnet, der ihn zur physikalischen Grösse macht.

Allerdings gibt GALILEI eine falsche Erklärung für die Beobachtung, dass die Steighöhe des Wassers im Saugrohr einer Wassserpumpe einen bestimmten Wert nicht überschreiten kann. Er meinte, dass eine höhere Wassersäule unter dem Einfluss ihres Eigengewichtes zerreissen würde. GALILEI schaffte es, Ansichten mit seiner Redekunst glaubwürdig zu präsentieren, obschon BEECKMAN schon 1618 herausgefunden hat, dass das Wasser einer Wasserpumpe von der Luft nur bis in die Höhe von 18 Ellen gedrückt wird.

Den alle Zweifel ausschliessenden Beweis ist erst mit den Arbeiten von PASCAL gelungen. Einer der berühmten Versuche PASCALS, der Versuch von der Leere in der Leere (vide dans la vide) , liefert für sich allein bereits einen ausreichenden Beweis dafür, dass das Emporsteigen der Flüssigkeitssäule durch den äusseren Luftdruck verursacht wird.

Für das Experiment hat PASCAL eine Torricelli-Vorrichtung in einem geräumigen Glasgefäss untergebracht, dessen untere Öffnung vor Beginn des Versuches mit einer Membran verschlossen worden war. Durch die obere Öffnung hat er das Gefäss mit Quecksilber gefüllt und dieses dann mit einem Deckel luftdicht verschlossen. Darauf wurde die gesamte Anordnung mit dem verschlossenen Ende in eine mit Quecksilber gefüllte Wanne getaucht und schliesslich die Membran durchstossen. Auf diese Weise konnte PASCAL die Verhältnisse im Torrcelli-Leerraum untersuchen, wobei ihm das innere Torricelli-Rohr sozusagen als Barometer gedient hat. Liess man nun in die Torricelli-Leere des breiten Glasgefässes von aussen Luft einströmen, dann nimmt die Steighöhe der Quecksilber im inneren Barometer zu.

Auf diese Weise kann eindeutig festgestellt werden, dass die Quecksilber vom äusseren Luftdruck auf eine bestimmte Höhe gedrückt wird.

Seinen entscheidenden Versuch, der zu den 'grossen' Versuchen der Physik gezählt wird, hat PASCAL am 19. September 1648 auf dem Berg Puy-de-Dôme durch seinen Schwager PERIER ausführen lassen. PASCAL argumentierte sehr richtig, dass bei der Abhängigkeit der Höhe der Quecksilbersäule vom Luftdruck, der seinerseits vom Gewicht der Luftsäule bestimmt wird, eine Abnahme der Steighöhe mit der Höhe des Messortes über dem Meeresspiegel zu beobachten sein müsse. Tatsächlich haben die sorgfältig ausgeführten Versuche gezeigt, dass eine gut messbare Different der Quecksilbersäulenlängen von etwa 8 cm zwischen dem Barometer am Fusse des Berges und dem 800 m höher gelegenen Barometer auftritt. Allerdings erfährt die Welt von diesem Versuch erst im Oktober 1648, wo die Abhandlung Récit de la grande expérience de l'équilibre des liqueurs.

An die Untersuchungen von PASCAL schliesst sich unmittelbar ein geistvoller Versuch von EDME MARIOTTE (1620-1684) an, der den Versuch auf dem Puy-de-Dôme sehr gut ergänzt. MARIOTTE hat das Barometer unter Wasser in verschiedenen Tiefen angeordnet und gefunden, dass die Höhe der Quecksilbersäule genau proportional zur Tauchtiefe zunimmt, wobei der Proportionalitätsfaktor durch das Verhältnis der Dichten von Quecksilber und Wasser gegeben ist.

Gleichzeitig hat auch der Bürgermeister von Magdeburg, OTTO VON GUERICK, interessante Versuche durchgeführt. Er hat es für selbstverständlich angesehen, dass in einem Raum ein Vakuum entsteht, wenn wir aus ihm die Substanz entfernen und dass auf diesem Vakuum der äussere Luftdruck lastet. Zunächst hat er versucht, zur Erzeugung eines Vakuums ein mit Wasser gefülltes Fass mit einer Wasserpumpe leerzupumpen. Dieser Versuch ist erfolglos geblieben, weil durch die Ritzen des Fasses an die Stelle des herausgepumpten Wassers sofort Luft nachgeströmt ist.

Erst mit GUERICKES grössten Leistung, nämlich der Erfindung der Luftpumpe, gelang es ihm aus Metallgefässen die Luft herauszupumpen und so ein Vakuum zu erzeugen. Zunächst sind die Versuche aber nicht ohne Zwischenfälle verlaufen, da die Metallgefässe beim Herauspumpen der Luft dem äusseren Luftdruck nicht standgehalten haben. Schliesslich ist es geglückt, Gefässe in der richtigen Festigkeit herzustellen, mit denen GUERICK später bemerkenswerte Experimente ausführen konnte. Seinen berühmt gewordenen  Versuch, bei dem der Physiker zwei Halbkugeln mit glatten Rändern aneinandergesetzt und ausgepumpt hat, konnte er 1654 auf dem Reichstag in Regensburg in Anwesenheit des Kaisers vorführen. Mit je acht Pferden (je 8 Tiere links und 8 Tiere rechts der Kugel) ist dort erfolglos versucht worden, die Halbkugeln gegen den Luftdruck voneinanderzureissen; nach dem Belüften sind beide Halbkugeln dann von allein auseinandergefallen.

Die Versuche GUERICKS sind der breiten Öffentlichkeit durch die 1658 erschiene Arbeit Mechanica hydraulica-pneumatica des Jesuitenpaters CASPAR SCHOTT bekannt worden.

Fortgesetzt wurden diese Arbeiten in ersten Linie von ROBERT BOYLE und seinem Assistenten HOOKE. Auch sie haben eine Luftpumpe gebaut, dabei jedoch nicht GUERICKS Erfindung einfach kopiert, sondern eine vollkommenere Variante entwickelt. BOYLE und HOOKE haben umfangreiche Versuche zum Vakuum gemacht und dabei festgestellt, dass Licht durch das Vakuum hindurchgeleitet wird, Schall jedoch nicht. Sie haben im weiteren gemerkt, dass im Vakuum keine Verbrennungsprozesse ablaufen können und Tiere darin verenden (kein O₂). BOYLE hat zwar sehr ausführliche Untersuchungen zur Struktur der Materie angestellt, es aber vermieden, sich in den Streit um das Wesen des Vakuums einzulassen. Nach seiner Formulierung ist das Vakuum einfach ein solches Raumgebiet, in dem sich keine Luft befindet.

Die praktische Bedeutung dieser vielen Untersuchungen von TORRICELLI, PASCAL, GUERICKE und BOYLE ist bald gesehen worden; es sei hier nur auf den Zusammenhang zwischen Wetter und Luftdruck hingewiesen, der bald erkannt wurde und noch heute benutzt wird.