Gregor Schiemann Physik und Natur Zu Hermann von Heimholtz' .~egründung des Energieprinzips in der Einleitung zu seiner Schrift "Uber die Erhaltung der Kraft" Aufden Taggenau vor ISOJahren, am 23. Juli 1847, häItHERMANN VON HEtMHOLTZ in der Sitzung der Physikalischen Gesellschaft zu BerUn seinen Vortrag .. Ober die Erhalturtg der Kraft ... In ihm gibt er dem Satz von der Erhaltung der Energie, die er noch .. Kraft. .. nennt.! erstmals eine mathematische Fonnulierung und demonstriert zugleich Ihre Anwendbarkeit in verschiedenen BereJchen der Physik.. HElMHOL"lZ' Ruhm als einer der grössten Naturforscher des vergangenen Jahrhunderts geht entscheidend auf diesen Beitrag zur Begründung elnes PrInzips zurUck. das biS heute eine fundamentale Stellung für die Naturforschung behalten hat. i Man schmälert die Bedeutung seiner gesamten. diverse DIsziplinen umfassenden l.elstungnicltt, wenn man die Abhandltmg von 1847 rur seine herausragendste Arbeit hält. Für ihre noch im gleichen Jahr erfolgte Veröffentllchung nimmt HELMHOLTZ nacht:rägl1ch Korrekturen vor, die vennutllch vor allem cUe Etnleittmg betreffen. l In Vorbereitung auf seinen Vortrag hatte er aus diesem Teil ~II&$ über Bord geworfen, wes nach Philosophie roch, so weit es nicht dringend nöthig wor~. 4 Auf Vorschlag seines Freundes EMlL DU BoIS-REYMOND stellt er der Schr1ft für die Drucklegung aber wieder eine Hphilosophische Einleitung" voran.s die schll~Uch fünf der etwa fünfz1gse.itigen Arbeit ausmacht6 Leider sind die vorangegangenen Varianten wahrsche1nl1ch nicht erhalten geblieben. Dies iSt wnso bedauerlicher. als HElMHOL'TZ in den weiteren Teilen der Abhandlung sowie auch in anderen Texten aus dieser Zeit nur sehr zurückhaltend auf das Thema der Einleitung zu sprechen kommt. Sie handelt von nichts gertngerem als den grundlegenden Bestimmungen der physlkaUschen Forschung auf der einen und der elementaren Naturkräfte auf der anderen Seite. Diese Bestimmungen nimmt HeLMHOL"lZ im Rahmen seiner dort ebenfalls zum erstenmal programmatisch fonnulierten NaturauffassWlg vor. Sie steht ganz in der Tradition des neuzeJllichen, von lSAAC NEWTON begnlndeten dualen Mechanismus. In Ihren lnballli83 chen Aussagen Ist sie mit den entsprechenden der heutigen Forschung. so sie sich denn finden lassen, unvereinbar. HELMHOl:rz glaubt. dass es stch bei der Energteerhaltung um ein Prtnz:Ip handele. dessen Geltung ebenso Resultat wie lndJz einer atomar aufgebauten und mechanisch verfassten Welt seI. Diese AuffassWlg hat ihn nicht daran gehindert. dem Erhaltungssatz in den nachfolgenden Teilen seiner Sclu1ft eine von mechanischen Begrtffen und Gesetzen teUweise unabhängige Fasstmg zu geben.7 Gegenüber der grundlegenden Stellung. die der Energiesatz nach seiner Aufstellung erhalten hat. warder Position, dass die Vielfalt der Erscheinungen durch mechan1sch bewegte Atome als letzte Ursachen zustande komme. in der Physik nur ein vorubergehender Erfolg beschert. Detmocb hat sich auch die Einleitung. in der HEI..MJ..IOL.TZ diese Auffassung pointiert aussprtcht. elne beachtliche Aktualltät bewahrt. Sie steht im Zusanunenhang mit den bis heute kontrovers diskutierten Grunden. warum sich fundamentale Sätze wie der Erhaltungssatz 50 ausserordentlich gut in der experimenteUen Praxis bewahren, Wie man stch mit anderen Worten -Ihre: AllgemeIDgültlgke1t erklären soU. Ohne die seit H.w.rnOLTZ erfolgten Neufassungen und Geltungsbeschränkungen des Erhaltungssatzes zu beruckslchtlgen.8 lasst stch das Spektrum der bereits zu HElMHOLTZ' Zeiten vertretenen Standpunkte schematisch und stark vereinfacht durch zwei entgegengesetzte Ansichten aufspannen: Auf der einen Seite behaupten dJe (heute eher als damals sogenannten) "Reallsten*. dass dJe abgeschlossenen Systeme der Natur unabhängig von der physikalischen Forschung energteerhaltend strukturtert seien. Energieerhalttmg habe den Charakter einer Eigenschaft. der Natur. und die vom Menschen erforschte Natur schreibe der Physik das Gesetz der Energteerhalttmg vor. Auf der anderen Seite meinen die (schon damals sogenannten) ~ldealisteñ, nicht wegen der St::ruktureigenschaften der Natur, sondern wegen der des menschlichen Erkenntnisvermögens gelte die Energieerhaltung. Das Erhaltungsprinzip habe gleichsam die Funktion einer Brille. durch die die Physik die Natur bzw. bestimmte Ausschn.ttte von 1lu' betrachte. Demnach würde nicht die Natur der Physik. sondern wngekehrt die Physik der Natur den Erhaltungssatz vorschrefben. Natur. die diesem Satz genügt. wäre eine Konstruktion der Physik. 84 lm Hinblick auf die Allgemetngültigkeit des Energiesatzes besteht zwiSChen den helden Deutungen nonnalerwe1se ein gravierender Unterschied. Aus IdealistiSCher Perspektive gtbt es keine natürlichen Geset:zmässtgkeJten. dJe gegen den Energiesatz (in abgeschlossenen Systemen) verstossen. weil Forschung erst durch Annahme' energieerhaltender Strukturen (a primi) möglich sel.9 In realis tischer Stchtwetse muss man hingegen immer auf Verletzungen der Energteerhaltung gefa.ßt sein. Keine Verletzung gefunden zu haben, wäre keine Gewähr dafür. auch zukünftig keine zu finden. Obwohl wir heute auf etwa 150 Jahre mehr oder weniger lückenloser EnergteerhaJtung zurückblicken, wird. man wohl nicht fehl in der Armahme gehen, dass die grosse Mehrheit der Physikerlnnen und auch viele Wissenschaftstheoretikerlnnen gegenwärtig realistisch denken, insofern sie die Mögl1chkeit eines Nachweises nicht energieerhaltender Prozesse aus keinem prinzipiellen Grund ausschUessen möchten. HEl..MHOL.lZ, und darin besteht eine der gewichtigen Leisttmgen seiner Scluift in erkenntnistheoretischer Hinsicht, nimmt in der Einleitung eine Stellung zwischen den Extremen ein. die bis in die Gegenwart hinein überaus bedenkenswert Ist. Es gehört zu den Merkwl1rd.igkeiten der Wissenschaftsgeschichtsschrelbung. diese Position im wesentlichen bisher verkannt zu haben. Die meisten lnterpreten haben nämlich In der Efn1eitung eine Konzeption gesehen, dJe nach idealist:tscl1em Vorbild die Geltwlg des Energtesatzes vor aller Erfahrung beweisen wolle. HI HEu.1HOL.Tz' prägender Einfluss auf die Entwtcklung der Physik derzweilen Hälfte des 19. Jahrhunderts könne deshalb auch als Zeichen für dIe damals wiedererstarkende Rolle der idealistischen Wtssenschaftsauffassung in den Naturwissenschaften gewertet werden. Vor dem Hintergrund der heutigen realistischen Grundhaltung der Physikerlnnen würde dieser Befund bedeuten. dass HE!..MHOl.1'Z eine Ansicht vertreten hätte. die ihren ehemaligen Einfluss weitgehend eingebüsst hat. Nicht nur mit seiner mechanistischen NaturauffassWlg. sondern auch mit der angeblichen Behauptung elner aus Ihr resultierenden Wlwiderlegbaren Allgemelngültigkett der Energteerhaltung würde H ELMHOL.TZ' PoSition bloss noch von historischem Interesse sein. 85 Was aber für die Inhalte von HEl.MHOLlZ' Mechanismus zutrtfft, muss nicht auch für dessen GeltungsbedJngungen richtig sein. In Bezug auf das VerhAltnis von Natur und Physik neigen seine Ausführungen in der Einleitung deutlich der realistischen Seite zu. HE!..MHOLn lässt keinen Zweifel dar3.ll, dass die Natur. wo sie erforscht wird . nicht notwendig eine energteerhaltende Struktur aufwe1sen müsse. Energ1eerhaltung sei keine Vorgabe. dJe dJe Physik in dJe Naturerfahrung mit hineinbringt. Allerdings bestreitet er nJcht. dass die Physik von methodischen und beg:rtfflicben Voraussetzungen aus* gehe. dJe grob gesprochen wenJger für die Natur als für die wtssenschafUlche ErkennbUs von ihr typisch seien. Man kann hiertn einen gewissen Einfluss von Seiten der Idealistischen PhilosophJe sehen.11 Doch der Schlüssel für das Verständnis seines Ansatzes Uegt dartn. dass diese Voraussetzungen nicht a pnori zur Ableitung der Energieerhaltung als Grundzug der Natur ausreichen. Statt* dessen könne das VorUegen dieser fundamentalen Eigenschaft bloss als Resultat der experimentellen ForschlUlg festgestellt werden. Man dürfe ihre Geltung deshalb auch nur in dem Mass behaupten. wie man In das Innere der Natur vorgedrungen sei. Genauer betrachtet ergeben sich dJe Geltungsgrenzen der Energieerhaltung für H ElMHOLlZ aus einer prinzfplellen und einer auf den konkreten Stand der Forschung bezogenen Überlegung. Pr1nz.iplell ist dJe Existenz von nicht energ1eerhaltenden Prozessen vorstellbar, die von der Physik als solche beobachtet wenn auch nicht verstan* den werden können. Ihr Vorkommen ist jedoch begrenzt. da die emplri.sche Forschung andererseits ebenfalls die Geltung des Energiesatzes nachzuweisen vermag und zwar nicht nur für einzelne Phänomene, sondern darüber hinaus für grosse Phänomenklasse:n. d . h. für ganze Bereiche der Natur. Diese Position iSt In der Einleitung leUs expUzU formuliert. teUs Impl1zlt in Ihr enthalten . Eigentliches Thema der Elnleltung bUdet noch n.lcht der Erhaltungssatz. als vielmehr erst die ETkenntn1Sbedingungen Wld die mechanische Struktur der Natur. Da HELM* 1I0LTZ aber davon überzeugt 1st. dass der Erhaltungssatz wunlttel86 bar aus natürUchen Stru.kturelgenschaflen folgt und diese umgekehrt nur dort vorhanden sind , wo Jener gut lassen sich seine Au.ßenmgen zum Mechanismus direkt a uf die Problematik der Energieerhaltung beziehen. Im folgenden möchte ich mich nun der Elnleltung näher zuwenden, um meine These durch eine Rekonstruktion von HF..u.tHOlTZ* Argumentation zu erläutern. Die von Hfl.MHOLn genannten Bedingungen der phyS1ka11schen Forschung teile Ich in zwej Gruppen. Die erste betrifft methodische und begrtfflIche Voraussetzungen . die zunächst W13bhängtg von Erfahrung gelten (11 ; die zwejte schränkt diese Ge1tung ein. Indem s ie die Reichweite der Methode und die Bestlmmung des ZJels der Forschung Erkenntnlssen unterordnet. die allein in der Erfahrung gewonnen werden können (21. Nicht den allgemeinen Bedingungen der physikalischen Forschung. sondern speziellen Forschungsergebmssen entnimmt HELMHOLlZ dann die vermeintlichen Hinweise auf die mechanische. d. h. energteerhaltende Struktur der Natur (3). Dieser Argumentation entspricht es. dass er dem physikalischen Naturwisscn einen. mit der Zeit abneh menden hypothetischen Charakter zuweiSt (4). 1' 1 Voraussetzungen der PhYl ik Um die methodischen Voraussetzungen der Physik zu bestimmen. geht HELMHOL"lZ von ihrer strikten ZweiteUung in einen experimentellen und einen theoretischen Tell aus: .,Aufgabe der {. .. ph}'5ikalischen Natvtwissenschoften} ist es einmal, die Gesetze zu suchen, durch weHe die einzelnen Vorgönge in der Natur auf allgemeine Regeln zurückgefeirer { ... } werden können. { ... } Die Aufsuchung {. .. dieser Regeln} ist das Geschäft des experimentellen Thei/s unserer Wissenschaften. Der theoretische Theil derselben suchr dagegen, die unbekannten Ursachen der Vorgänge aus ihren sichIboren Wirkungen zu finden ,' er sucht dieselben zu begreifen noch dem Gesetze der Cousolitöl.13 w,', wer* den genäffligt und berechtigt zu diesem Geschäfte durch den Grundsatz, dass jede Verönderung in der NofrJr eine zureichende Ursache hoben müsse. "1 ~ 87 Derwissenschaft1jchen ArbeltstellWlg in experimenteller und theoreUscher Forschung korrespondiert hier die Trennung des Ge* set:zesbegrijfes vom Kausalprinzip. Unabhängig vom Inhalt der physikalischen Erkenntnis steht filr HELMHOLTZ fest: Eine hinter den sichtbaren Wirlnmgen stehende Ursache zu finden ist etwas anderes. als eine allgemelne Regel bzw. ein Geseu: aufzustellen . Gesetze, die unmittelbar auf die sichtbaren Wirkwlgen bezogen bleiben. werden nicht a1s Ursachen angesehen. Beispielsweise wäre das Gravitationsgesetz nicht dJe Ursache für den freien Fall. sondern nur seine Beschreibung. Das die UrsachenforschWlg lettende Kausalgesetz wird vor aUer Erfahrung angenorru:nen. Es besagt.. dass Jede Wirkung elne Ursache haben mW3. durch dJe die Wirlnmg eindeutig (..zureichendMj bestimmt 1st. Aus cUesem .. Grundsatz" ergeben sich für HELMHOI..1Z noch keine Anhaltspunkte für eine mechanische Strukt:ur der Natur. Als Voraussetzung der Physik tmpl1zjert das Kausalgesetz nur. dass der theoretische Tell dieser Disziplin Dicht anders vorgehen kann, als nach Wtrkursachen für expertmentelle Gesetze zu fragen Wlgeachtet einer mögUcheIWeise ansonsten akausalen Naturverfasstmg. die zwar Dicht der Physik. vielleicht aber anderen DiszIplinen verständlich sein könnte. für die Physik ist damit sowohl eine teleologische NaturbetrachtWlg als auch dJe Erfassung von zufälligen Eretgn1ssen ausgeschlossen. Neben der Unterscheidung von Gesetz Wld Ursache nennt HE:i.MHOLlZ eine begrt.mJche Differenzierung. die der wissenschafllichen Erkenntnis von Natur ganz allgemein vorausgesetzt 1st. HELMHOL'JZ reduziert das gesamte wissenschaftliche Vokabular auf die zwei Gnmdbegrtffe der beweglJchen Materie und der auf Malerte bezogenen. Kraft IS Für den Begriff der Materie führt er als Charakteristikum an, dass ihre Veränderbarke1t auf räumliche Bewegungen einschränkt Ist: "Die Wissenschaft befrachtet die Gegenstände der AU55Bnweit noch zwe{* erlei Abstroctianen: einmal ihrem blassen Dasein nach, abgesehen von Ihren Wirkungen auf andere Gegenstände oder unsere Sinnesorgane; als solche bezeichnet sie dieselben als Ma.terle, [. .. ) Qualitative Unterschiede dürfen wir der Materie an sich nicht zuschreiben, denn wenn wir von var* 88 schiedenartigen Materien sprechen, .so setzten wlr ihre Verschiedenheit immer nur in die Verschiedenheit ihrer Wirkungen, d. h. in ihre Kräfte. "16 Mit dem Mater1ebegrUf wird der wissenschaftlieh erfa..ßbaren Wirk* lichkeit nun allerdings eine sehr weitgehende Ordnungsstruktur vorgegeben. Helmholtz fasst die Materie meht nW' als das BewegUche 1m Raum auf. Er schreibt ihr als weitere Eigenschaften ausserdem Massenerha1tung und Trägheit zu. l 6fr, Gegenüber der Materie ist dJe Kraft andererseits do-lnbegrtff des qualitattvVerschiedenen. das nicht aus den Bewegungen der Matene abgeleitet. sondern als Grundzug des Natürlichen angenommen wird. Der Kraftbegrtff wird zv.-ar als eigenständiger Begriff etngeführt. bleibt aber als "Vermögen Wirkungen ouszuüben"u weitgehend unbestimmt. Man kann ledigUch annehmen. dass Kraftwirkungen. die ~qual1tat1ve UnterschiedeM hetvorrufen sollen. nJeht allein 10 Druckund Stosswirkungen bestehen können. Es sind vtelmehr alle Wirkungen zugelassen, solange sie nW' auf ein Substrat bezogen sind. das den Bestimmungen der Materie entsprtcht. Diese weitgefasste Bedeuhmg des Kraftbegrtffes eröffnet dJe Möglichkeit. die begrtffiJehen Voraussetzungen auch Wl8bhängtg von einer Speziellen Ordnung der Natur aufzufassen. Da es sieb um Vorstellungen handelt. die aller Wissenschaft zugnmde liegen, sollten auch mcht physikalische Zweige inbegriffen sein. Materte wäre dann blQss noch die Bezeichnung für JegUches Dasein und Kraft für dessen {auch nicht räumlJchel Veränderung. Heu.ruOLTZ scheint.seine Voraussetzungen auch in dlesem Sinn verstanden zu haben, wenn er im Anschluss betont: ,.Es ist einleuchtend, dass die BegriHe von Materie und Kraft in der Anwendung auf die Natur nie getrennt werden dürfen. Eine reine Materie wäre für die übrige Natur gleichgültig [. .. } ; eine reine Kraft wöre etwas, was dasein sollte und doch wieder nicht dasein, weil wir das Doseiende A10terie nennen."1 { ••• Beide Begriffe} sind { ... } Absfractionen von dem Wirklichen, in ganz gleicher Art gebilde''', 19 An dieser Stelle tritt neben dem allgemeinen Bedeutungsgebalt der beiden Begriffe ihr realistischer und durchaus nicht idealJstlscher Charakter hervor:20 Im Gegensatz zu KAxt. der die Begriffe Materie 89 und Kraft. aJs Bedingung der Erfahrung auf die möglichen GegenstAnde der ällsseren Erfahrung bezog, zieht HetMHOLTZ diese Begriffe als ..AbstracUonen" von einer absolut gesetzten. d. h . unabhAng1g vom Erkennen angenommenen Wirklichkeit ab. Um mit fV.NT zu sprechen. sehen HEl.MHOLTZ' Begrtffe nicht vom Gegebenen ab. wie sie mü.ßten. wenn Ihre Geltung allein auf reinem Denken beruhen sollte. sondern werden aus dem Gegebenen durch AbstrakUon gewonnen .2 1 2 Reichweite und Ziel der Physik Zu einer zweiten Gruppe fasse Ich die von HEtMHOI..TZ in der Einleitung genannten Voraussetzungen zusammen. welche die Reichweite der Methode und die Bestimmung des Ziels der Physik betreffen. Sie lassen stch an der von Hlu.MHOLTZ In der Einleitung aufgeworlenen Frage entwickeln, ob dieNaturerkenntnJs dem Fassungsvennögen des menschlichen Geistes entspreche.7l ,,{. .. ] ob also die Nalvr vollslöndig begreiflich sein müsse, oder ob es Veränderungen in ihr gebe, die sich dem Gesetze einer nothwendigen Causali/OI entziehen, die also in das Gebiet einer Spontaneität, Freiheit, folien {. .. ]; ;edenfolls ist es klor, dass die Wissenschaft, deren Zweck es iSI, die Nalvr zu begreifen, YOfl der Voraussetzung Ihrer BegreiRichkeif ausgehen müsse, und dieser Voraussetzung gemäss schliessen und untersuchen, bis sie vielleicht durch unwiderlegliche Fado zur Anen:enntnis ihrer Schranken genöthig, sein soIlte "'2l . Im Gegensatz zur Behandlung der ersten Gruppe von Voraussetzungen wird hier die M6gUt:hkei1 eines faktischen Hindernisses In EI'WägUng gezogen. das für dte empirtsche Erforschung und kausale Erklärung der Natur unüberw1ndlich sein könnte. Dabei wollte HE1MHOLTZ an dieser Stelle mit dem Begriff der Fretheit wohl kaum ein spez1fisch menschliches Vermögen ansprechen. Erwird eher an real wirksame Prinzipien gedacht haben, dte die belebte Natur gegenüber der unbelebten insgesamt auszeichnen und nicht wirkursächlichen Zusammenhängen folgen.24 HELMHOLTZ folgt hier einer fundamentalen Unterscheidung. die seine Naturauffassung zeitlebens prägen Wird die Unlerscheidung 90 von Materte und Leben. Materte wird van ihm prtrnär als etwas Unbelebtes gedacht, aus dem Leben vielleicht nur hervorgehen kann. wenn nlchtmaterte11e PrtnzIplen hinzutreten. Ob sich die Prtn.z1plen des Organischen auf die des Materiellen reduzieren lassen. Ist seiner Auffassung nach allein empirisch entscheidbar. Wenn die Naturwissenschaften nIchtkausale Gesetzrnä.ßIgkeiten des Organischen fänden. hätten sie den Bereich des kausal Erforschbaren gleichsam von aussen begrenzt. Kausalität würde dann nur in der Sphäre der nichtbelebten Materte und für das Organische lediglich beschränld Geltung haben. Statt dte von der (vor nehmUch) romantischen und IdeaUstLschen Naturphilosophie postulierten nichtkausalen Pr1nzlplen kategorisch zu ven>lerfen, sucht HElMHOLlZ ihnen einen Ort relaUv zur physikal1sc.hen Elforschung der Natur zuzuweisen. 'l.5 Ausser der Möglichkeit einer äusseren Begrenzung der kausal strukturterten Natur erwägt 1iELMH00TZ in der Einleitung aber auch die einer 1rmeren: Das Kausalitätsprinzip könne na.much nIcht endlos auf Erfahrung angewandt werden. Ober eine rein zeitlich gefassle EinteUung der Ursachen in veränderliche und unveränderliche kommt er zum Begrtff der Jetzten UrsacbeM : .. Die nächsten Ursachen, welche wir den Naturerscheinungen unrerlegen, können selbst unveränderlich sein oder verönderlich; im letzten Fall nöthigt uns derselbe Grundsafz {der Kausof;löl] noch anderen Ursachen wiederum dieser Verönderung zu suchen, und so (Oft, bis wir zuletzt zu letzten Ursachen gekommen sind-.26 Der Kausal1tä.t..sbegri..ff wird damit um eine zweite. für HEt.MHOLTZ* Wissenschaftsund Naruraufl'assung tnsgesamt kennzeichnende Bedeutung erweitert: Wurde in der ersten Bedeutung von .. iede{rJ Veränderung in derNatur" behauptet. dass sie "eine zureichende Ursache" habe.:!;1 werden nun wUrsachenM eingeführt, denen selbst keine Ursachen zugrunde Uegen, weU ihnen die Eigenschaft zukommt Veränderungen zu bewirken. ohne dabei selbst elner Veränderung untexworlen zu sein. Wegen Ihrer Unveränderlichkett könnten die Jetzten UrsachenM auch schUcbt Bedingungen helssen. Es sind diejenigen realen Bedingungen, auf die die Naturerscheinungen, s0fern sie begre1fil.ch sind. mit letzter Gewt,ßhett zunlckgeführt werden sollen. Mit ihnen tsteIn ReduktJonsprogramm bezeichnet. das 91 nicht a prtori, sondern nurvermitte1s derwfssenschaft.llen Erfahrung einer Lösung näher gebracht werden kann. Letztursachen können mcht gesetzt werden: sie liegen ..in der Natur" und sind von der Wissenschaft _aufzuftndeñ.28 Indem HElMHOLTZ ihre Bestimmung das _endlJcbe ZieJnennt29 brtngt er zudem zum Ausdruck. dass es sich seiner Ansicht nach um eine erreichbare Aufgabe handelt. Im HinblJck auf dieses 'Endziel und unter Ben1ckslcbtfgUng der Möglichkeit akausaler Grundzüge der Natur verändert sich der Charakter der methodalogtschen Voraussetzungen insgesamt. Sie werden einer antimetaphysischen LeituorsteUung untergeordnet. In der die ReJchwelte der kausalen Methode durch Erfahrung definitiv begrenzbar ist 3 Die mechanische Struktur der Natur Die Voraussetzungen der zweiten Gruppe. die auch keine mechanistische Naturauffassung präjudizieren, sind mIt den begr1ffl1chen Bestimmungen der ersten Gruppe in einer Hinsicht verbunden: Weil Letztursachen .. WJrkung helVOrbrtngenM , kann es sich bei ihnen nur wn Kräfte handeln. Noch ist aber die Struktur der Kräfte unbestimmt. Die Hinwendung zu einer mechanistischen und d. h. energJeerhalt.enden Kraftbesttmmung bezeichnet nun genau dieJenige Stelle der Einleitung. an der HEu.rn.OLTZ erstmals auf spezielle wtssenschaftllche Erfahrung Bezug nimmt: ",Moterien mit unveränderlichen Kröhen [.,.} haben wir in der Wissenschaft (chemische) Elemente genannt. Denken wir uns ober dos Weltoll zerlegt in Elemente mit unverönderlichen Qualitäten, 50 sind die einzigen noch mägliehen Aenderungen in einem .solchen System röumliche d. h. Bewegungen, und {. ,.} die Kräfte nur Bewegungskröl1e".30 1m Rekurs auf das Vokabular der Forschungspraxis seiner Zelt gewinnt HEt.MHOI.TZ die ersten Festlegungen für seine mechanistische Programmatik. Auf dem Hintergrund des forsctulllgserprobten Elementbegr1ffes hat die anschl1~de Erwägung (..Denken wir uns aber .,. -) weniger den Charakter eines Gedankenexpertmentes als vielmehr den Anspruch. eine schon durch die Ergebnisse der Forschung nahegelegte elementartst1sche Naturauffassung konsequent zu Ende zu denken. Erst an dieser Stelle ergibl sich als not92 wendige Folgerung die Bestimmung der Kräfte als Bewegungskräfte. Nicht mehr Jede Kraftwlrkung. sondern nur noch die ortsverändernde der Mechanik ist von nun an als elementare Wechselwtrkung zugelassen. Bel der Verengung des Kraftbegr1.ffes findet allerdings eine kaum merklIche Verschiebung In der Bedeutung des Ausdruckes _elementstatt, In der damaligen Chemie bezeiChnete er gemeinhin den Sachverhalt einer endlichen Verschiedenheit der Qualitäten, insofern sie chemischen Substanzen entsprechen. Mit Substanzen bzw. Elementen waren hierbei diejenigen Stoffe der Chemie gemeint. die einer e1nz:lgen Sorte von hypothetisch angenommenen Atomen zugeordnet wurden. Weder die Atomhypothese noch der Elementbegriff implizierte notwendig ontologtsche Annahmen über die Struktur der Materte.sl Über diesen beschränkten Stnngehaltgeht HErMHOLTZ' Begrtff erheblich hinaus. Elemente sind für Um nicht nur durch ihre chemischen Qualitäten und durch die Verhältnisse. in denen sie sich untereinander verbinden. bestimmt. sondern sie werden als physikalische Objekte Wld letzte Bestandteile einer zerlegbaren Materte verstanden. Auch wenn HELMHOl.n an dieser Stelle den Atombegrtff nicht verwendet. so Ist doch klar, dass die Materie nicht anders als diskret in bewegliche Elemente zerlegt werden kann. Und da alle Veränderungm dJe Kräfte gelegt ist, können sich die körperlichen Partikel, die als Elemente übrig bleiben, auch nicht in ihrer Gestalt unterscheiden, Elemente sind damit zu Atomen, zum Unteilbaren der Materte, geworden,~ Ote sich an den Elementbegrtff anschlit:ßende Vorstellung einer diskreten Zerlegung der Materte 1St nur eine von zwei Annahmen für die nähere Bestimmung der Kräfte. die H ELMHOl.n in der Einleitung vornimmt. Die andere besteht in der kommentarlos-selbstverständlichen 0bemaJune des Fonnalismus der physikalischen Mechanik. deren Pr1nz1plen und Gesetze für HElMHOLlZ den Stellenwert von Resultaten der wissenschaftlichen Erfahnmg haben.33 H Et.MHOLTZ geht von der Annahme aus, dass sich die chemischen Elemente wie mechanisch bewegte Punkte behandeln liessen. Die zwischen llmen wirksamen Kraftewürden nur enUang der Verbindungslinie wirken und in ihrer Stärke nur von der Entfernung abhängig sein. 93 Eben diese Kräfte sind zugleJch auch dle einzigen von HElMHOI..TZ zu dJeser Zeit anerkannten energieerhaltenden Kräfte.34 Wenn sich dJe getroffenen Annahmen bewahrheiteten, würde also der Energieerhaltungssatz W1eJngeschränkt gelten. wo die Elemente und die ihnen zugeordneten Bewegungskräfte die Struktur der Natur ausschU~lich bestimmten. Die Frage nach der Reichweite der Geltung des Energteerhaltungssatzes ist damit auf eine Frage nach den Eigenschaften der chemisChen Elemente und nach der Reichweite 1hrerWtrkungen redUZiert. Es handelt sich um eine Problematik. die sich allein durch die weitere Erlorscbung der Natur. nicht aber vor aller Erfahrung in der Physik entscheiden lässt, 4 Der hypothetische Charakter des physikalischen Wissens über die Natur Nachdem HEu.rnOLTZ dem Erhaltungssatz In den belden der Einleitung folgendenAbschn1tlen eine mathematische Fonnulienmg gegeben hat, untersucht er dessen AnwendbarkeJt 10 der Mechanik, der Wärmelehre und der Elektrodynamik. Auf den letzten heiden Selten seiner Schrift nimmt er noch zum Problem der Energieerhaltung bei Pflanzen und TIeren Stellung. für die erst vergleichswetse wenig Anhaltspunkte vorlägen. Seine abschl1c:ßende Bemerkung hat bIS beute nJchts von ihrer Geltung verloren: "Ich glaube durch das Angeführte bewiesen zu haben, dass das besprochene Gesetz keiner der bisher bekannten That:5achen der Naturwissenschaften widerspricht, von einer grossen Zahl derselben aber in einer auffallenden Weise bestötigt wird. "J~ In dieser umsichtigen Fonnulierung korrunt der hypothetische Charakter, den HELMHol..TZder Geltung seines Gesetzes gibt. besonders eindrucksvoll zum Ausdruck. HEu.rnOLTZ beansprucht mcht. es Induktiv aus der experimentellen Erlahrung abgeleitet zu haben. Den Ausdruck ~beweJseñ verw-endet er auch rucht im streng logischen Sinn. sondern in den umfassenden Bedeutungen von ~begn1ndenK tUld ..zeigeñ. Wäre das Erhaltungsprinzip vor aller Erfahrung deduktiv abgeleitet. würde seine Bestätigung durch Erlah94 rung sowenig notwendig sein, wie seine emp1rtsche Widerlegung In Betracht käme. HELMHOI..TZ hingegen nimmt In seiner Schrift nicht nur auf schon verfügbare Anwendungen des ErhaltungsprinzIps Bezug. sondern auch auf den allgemeinen Stand der Naturforschung. um dle Geltungsbedingungen des Gesetzes abschätzen zu können. An erster Stelle 1st hierbei die Chemie zu nennen. dJe für ihn durch den NachweiS atomarer Strukturen, über deren Existenz seit der Antike spekuliert wurde. eine neue Epoche der wissenschaftlichen Eriorschung der Natur eröffnet hat. Da keiner der vorgenonunenen Rekurse auf Erfahrung eine best1mmte Gelrung des Erhaltungssatzes garantiert. muss sie hypothetisch angenommen werden. HE!..MHOI..TZ' eben zitierte F'onnulJerung lasst stch auch so verstehen. da.ß gegen partiell bestätigte Hypothesen im Grunde genommen solange nichts einzuwenden ist, wie sie anderen Erfahnmgen nicht entgegenstehen. Im Aufstellen von Hypothesen besteht Jedoch für HELMHOI..TZ nicht das etgentllche Geschäft der Physik. Seiner Auffassung nach müssen die anfänglich postulierten Gesetze immer besser emp1r1sch bestätigt Wld schll~lich auf endgültige Weise vertftzi.ert werden. Daran. dass man dJese Aufgabe für den Energieerhaltungssatz bald schon erfolgreich erledigen werde. hat HELMHOI..TZ 1847 vermutlich nicht gezweifelt. Seine Schrift enthält keine grundsätzllchen Bedenken gegen dJe Möglichkeit einer vollständigen Beg:retfbarkeJt der physikal1sch zugänglichen Natur. Sie haben in seine Wissenschaftsauffassung erst seit Anfang der 70er Jahre Eingang gefunden.36 Der Tenor der Abhandlung von 1847 iSt noch von einer ungebrochenen WahrheItszuversicht getragen. 1m vorgegebenen Rahmen etner kausalen Naturerkläru.ng soll es eben das ~endliche Ziel~ der theoretischen Physik sein, Zentralkräfte bestlmmter Stärke als Kletzte Ursacheñ ~in der Natur aufzufindeñ:n und dle Reduktion der wissenschaftUch beschreibbaren Naturerscheinungen auf diese Kräfte zu _vollendeñM. Es war der feste Glaube an dle Existenz einer mechanischen Natur. der HELMHOl.TZ* optimistische Stimmung trug. Ergaben s ich die Relatlvierungen. die er an der Geltung der Energieerhaltung vor9S nahm. aus seinem Realismus. SO folgte das Streben nach absolut sicherer. wenn au ch begrenzter Erkenntnis aus der eher IdeallsU* sehen Vorstellungswelt seiner Naturauffassung. Wie so häufig in der Gesch1chte der Physik wurde auch HDMHOLTZ. dw-ch Oberzeu* gungen. dJe spätere Generationen als falsch verwarfen. zu einem Gesetz geführt., das heute noch zu Gnmdlagen der Disziplin geza.hlt wlrd. 96 Uterotur BEVU-ACX)lJA, F. ( 1994): llaJ,otot.n*. Obudi~ Erhaltwlg Ju Kraft: The Emergeoc:c ofa TbCQJetical Ph)'3.icist, in: CAIIIJI (Hg.) (1994) BlJl(Ia, H. (1982): Die Natur 111 mbeitcndc Muclllnc. Zur Enulchuna des EDCrgicbcgriflil in der Physik 184(}...1850. Ft1J1kfurt Im MainlNcw Yoric: BlJC1(W..uD, J. Z. (19.94): EleclrOdynruniCl in Conte"t: Objccl Statca ..... bomto\)" Practicc, and Anti*Rom8.llticism. in: C ... IWI (Hg.) (1994) CAIWI, D. (Hrsg.) 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RIJoor.It: ~k. auf den sieb auch ~1El.MHOI;n beriehl, wmn er ,plltt diaeu Begriff zu verwenden beginnt. BereiIS m HEl.MJtOl.TZ (1356), S. 407, belont er die Gleichheit seiner GmBen ,Jebendige Kraft" und "Quantitlt der Spannlcn.ft" mit den VOfl R..u<1:n."E 1853 eingeführten Begriffen der akNelIen und potentiellen Energie. tu!' Entdcckungsgaclrichle des EnergieerhallUngnatzes, in der HEl.MHOl.TZ' Schrift eine Schliisselrolle zukommt, vgl. PIANCk (1887),lliEaEJ.T (1962) und BlHiD (l982) vgl. KoOOOSIID.09 ( 1902 f.), Bd. I, S. 72, und HEUornOLn ( 1986), S. Bl f. HEu.u!om (1986), S. 78 Der Ausdruck stammt von du Boi. *Rcymond Vgl. HEl.MIIOI,.1'Z (1986), S. 83 in der AUlsabe HEl.MllOLn (1847) val. SontWo/'IN (1997), Abtehnitt BJl.] .b Geltungsbesctuinlrungen., wie .ie im Rahmen der Relativitiutheotie oder Quanten. mechanilc vorkommen,lassen lich durch geeignete FonnulieJ\ll\gen des Energie.. begriffet minimieren. Im ,J..ex.ikon der Physik" (hg. v. H. F~ WeIlUU!&MÜDehen 1970) beisst es unter dem Eintras ,.Eoergientz": ,ln den über hundert Jahtco, die lCit der Aufstellung des E. verilosseJl sin4, ist keine einzige physilcali * fChe Er&htung gemacht worden, die dem E.. widcnprieht." Die in Relativilltstheorie. oderQuaotenmechanilc vorgenommenen NeufaMungm brN. Gelnma.beachrinlcungeD der Energiecrbaltung miWcn freilich.us 'idealisti* sc::ber Penpelctivc meht geleugnet werden. Vgi. z. B. WmsAatEl (1974),IUp. IV). Dass die mechanilllSCbe NaruraufTauuna;, wie sie HEl.MHOl.l'l in der Einleitung veruitt, das Etgebnia einer memphysi.chen lXduIction $Ci, die nlU' aus seiner (hi5lOrilCb für diese Zei t nkht belegbam:r.) AU3Cinandenctzu.ng mit KAm ventitld* lieh gemacht wttdcn klinne. bal mit grösstem Einssu.ß fun.t/..NN (1974) behaup'et. Diese Sicht ..... ird trotz mancher Icrilischu Einwinde auch von WItllU$ (19SS), FULlJI'fW'IDEA (1990), HanwlEJ.QEl (1994), B~YllAOOUA (l994), D ... AAIOOI,. (15194) und KROGEl (1994) geteilt. Exemplariscb für weitreichende wis5cnsehafUtheore. tiscbe Folgerungen, die aus seinem angeblichen KANTianismw gezogen ..... erden, iSI die Beurteiluog delI Verblltniases zwischen HELMHOLTZ utld seinem Schüler H~IN' llJCH II ERTZ in J ... W1K und TO\JL).((N ( 1977) und U'AoomNO (1975), Eine ent mit der weiteTen Entwicklung von HELMlIOLTZ' Wi'lSC'MChaftsaufftusung einsetzende Hin_ndung zum EmpirislIl11II seben W\I'I'TUS (1985) und HEIOCUIElGa. ( 1994). AurliELMllot.rz' durcbgingigen Realismus bzw, Naturalismus wei!IC'JI lL\TPlEl.n 100 " " 13 .. " " , .. 17 " (1990), B\JCIIWAW (1994), ScIufMA,..,.. ( 1997) ll1Id HY1>I!It ( 1997) hin. Aur die, mit e iner vermeintliehen idealialiKben Position von HEU(IJOl.n a11erding.s durchaus vertriglicben Beziehungen zwischen leiDer Erkenntnistheorie und dem logischeD Empimmus machen au.8er J ... mx UDd TOVL.MIN ( 1977) auch MArEIl ( 1985), laoux' (1995) llDd HYUEII (1997) aufmttbam. lm Hinblick aur die Stelhmg cb KatuaI~, das allerdings nur einen Teil der Vorauuerzungen bildet. bemerla HE1.MHot. TZ spiter: • .Die p},i/tJSopllischPII Wrte. ,.,mgen do Eillleifllllg lind durch KA,,,,,'s akennmiulheoret:ilCbe ADsicbtcu stirlr:er becinflusst, als icb jelZt DOCb als richtig anerkennen m6c:hte.*' (HWoOIOl.TZ ( 1147), S. 53; vgl. Amn. I]) Die folgcodeo drei Ab5cJwjne stiitzcn.ic.b aur die Rekonstruktion in 5c:nJDw.Iw ( 1997), S. 183-198 HEamoLTZ hat seine Schrift 1881 mit einer Reibe von Zusiaen verseben. Dem hier U!ltmals von ihtn verwendeten Begriff der Kausalitlt gill der bereits zitierte ente Z~1l: (hier zit. in. ADm. 11). ID derTlt wird Helmholtz Iplter (beginnend mit da I . Auflege des Handbuc},es der plrY$ialagiseJ,p" Optik (llELMJtOl.TZ ( 1856 ff.), S. 453 ff.) unter Unachen auch objektiv wirkende Getette vCflteben (vgL SctaE* WNN ( 1997), Abschnitt B.I13.a, Teil ~.ii). Neben dieser BedC\llUIlgsvtnlChiebung wird du Venlindnis VOll Urucben al.l JUh5W1tie llen Entititen, die den Phänome-11m ZIIgrunde liegen, aber uitlcbena 10 besteben bleiben, wie es in der EioJeitung schon angelegt ist ulld lceiM Parallele in KAtll'S Erkenntniltbeorie bat. H&.MHOLTZ (1147), S. 3 f. (Hervorlteb. iIIl Text) Bia IlIf:nvei gewichtige Ausnahmen l tellt HEuomTZ keinen Zusammenbaug zwischen seinem K.ausa.lilitsventlDdnis UIId diesen beidcn ,.Abstraktionen" her. Die CB!e findet . ic.h in der I . AuOage deI Hcrrdbwc1tn der pllysialogi$cllt!1I Optik. wo HELMHOi.:rz im Z~ seiner AuseinaDdenetzung mit JOlIN Sw.o.aT Mn.L Krlfte olme Bezug auf den Ekmmlbegriffbereits Ilb ..BewegtUl.pkrifte" bezeichnc:t: .. Uud weun wir endlich mit dem VentlDdnial &Cwiuer Narurprocesse DaCh dem Causalgesetze fertia ,eworde!I . ind, 10 lind die FIIIStrWl8C11 alU demsel* ben.: dasI gewisse materieUe MU5Cn im Raume existirea WJd.ieh bewegen, und mit gewissen gewegunpbiften aur einander wirlten." (HWoOIOLTZ ( lg56 fI'.), S. 454, val. Sc::IiJDwlN (1997), Abschnitt B.lL] ... Teil ß,ii, Anm. 97). Die _eite IIt im 2. Zusetz zur Sehrift von 1847 c:nthaltm, W'I) Hetmholtz .ieh aegenüber der Kritik an aeinem ZentraJlaaftkoou:p IlIrllpriorilche DenIaIorwendigkeiten beruft: ,Die Nothwendigkeit der Aul:'lOOuls da Ktifte IDsolche, die lieh auf Punkte beziehen, kann aus dem Princip der volJJtlndigen 8cgreifblrkeit {identiscb mit Kausalitit] der Natur hergeleitet werden Rir Muaen, aufwdehe Krtfte wirtCZl" (HEu.rHoLTZ (1147), S. 53). Hw.cHOI.TZ ( 1847), S. 4 t HEtMOOI.TZ ( 1847), S. 4 Hwrnot.TZ (1847), S. 5 Diese Bemerkung ist vermutlich gegen die zur Zeit der AhfaNung der Schrift noch wirksamen Ei1lflIlsse der mmanti&chen NaturphilOl5ophie gerichtet. Vgl. WtSE (1981) 101 19 20 21 " 23 2S 26 27 HELMHOLTZ (1841), S. 5 Dies hat bereita III>Vm..OU (1897) festgcstellt ,.Die Weltanschauung HttJmOLn ' ist de1jeni~n konform, die lUllt' alJ tI'aOSC:eodentalen Realismus bezeichnet, UDd :1;11 der er die Itine als traneendentalen IdalismU3 iD bewussten Ocgesuaa: bringt" (l. .. 0 .. S. 55 Hervorllcb. im Tat). KANr(I900 tr.), Bei. U (Ih muNiismsibilis IllquC Ullelfigibilisfonna tl prfnclpiis), 5. 394 (§ 6) Aqesi(;hll der M6glichkeit, cWI die Mannigfaltigkeit der b6eren Narur das fl5sungsvemK!gtn des Gmtes übenteigen kölUlte, stärkt K..urr die tnnsuodeotalen Prinzipien der Einheit der ErIo:enDtrUs. Vgl. KA!<T (1781), 8 681 fr .• K.u<T (179t», S. 410 tr. (§ 78), UIldduu ~ (1992) HElMtlOl.n (18,m, S. 4 Diese Deutung Jegllieh nahe, weil HwotoLrz den FreiheilSbegriffan anderer Stelle {HEl.MltO\.rz (1856 11.), S. 4s.4) lusdn1cklieh lUIeb auf das Tierreich anwendet. VII. ScIiltWHH (1997), Abschnitt B,ß.J.b, Teil ß HELMIIOLtt (1847), S. " wie Arunerkuns 14 28 Heurnol,TZ (18-47), S. 4 29 HEI.MHOLTZ (1847). 5 . .4 JO HELMHOLrz (I847), S. !5 31 In den enlSpm:henden empirUcben UntenucbUllJ!etI der Cbcmie ging es nicht um die Fcsutellun, von pbysi.kaliscben Knftwirlrungen zwischen den Atomen, soodem vor allem um die Anwendlllli eines S)'IteuUI von relativeG AtOttlgewiehtc:tl und um den Nachwril von iquivalmten Vtrbindungsverb.iltnissen chemilchet Substarn:en (vgl. STkOItD. (1967), S. 156 ff). Die AlOmbypolhese erwies ,ich in dieselltreog e.l:perimentell orientierten Fonehun&nl als eiD nüttliches Hilfso:Jinel, du nur in 8ezua auf die ~iel1en V~chsanontnungen eine numerische Einteilung der Relationen zwischen StibsWIUII untemellte, ohne dabei auf Auuagen über die ReaJidt oder Existenz YQ(I Atomen angewiesen zu sein (vgl. NY!! (19&4), S. XV. und WIIlTT (1990». Dt-r von den Cbem.ikem gegen Ende des 18. und zu Beginn des 19. Jahrhunderts hlufig themltisier1e Untessehied ;o:wischen der fOfKhWlJsnllttliehen Hypothese ehemiJ<:her Elemente und der physikalilChen Realidt vcm Atomen findet ,ieh repri$entativ in A. L. LAI'OISlEU Vorwon zu den ElementeN de,. Clrmlia ausllesprochen: Man könne lieh des E lemeñgriffes al5 eines PrinzipI der Zc:rlegw:"lg bedienen, ohne etwaJ Ober Atome zu wi5!1eJl (LAVOtSlEJ. ( 1790), S. XXIV). Zerlegung in diesetll Sinn bedeutet Dicbt eiDe Allfteihmg in dUk:rete Bestandteile, sondern eine Isolierung von reinen Substanzen. 32 vgl. hierzu ScHlf"JMNtI (1997), Ab$chnift B.II.I.I. , Anm. 26 102 Jl " " 37 38 In einet" posthum ven'iffentlichten und nicbt datierten Schrift 1:W" Ges<:hichte der Mechanik nennt llEu.otot. n auf seine Alt die :tWCi Annahmc:n. für aie nlherc Bestimmung der KrIfte: Mit dem aufO"U\..S und N[W'TON ~kgdlcnde!l physi* kalischen Begriff der Kraft und dem auf BoV\.E, LA VOlSlD., PJ.rr.:m.n und C" VEmICSII zwiicqcbenden 8e&riff der chanisebeo Elemente ~en ~die prineipie!1m Frigen im We&eO.t1ieben enllChiedeo." (K.oo.1GsBDGEJ. (1902 f. ), Bd. 2 .. S. 4O). Der 3. ZuJatt von 1881 belieht sich auf du Zenttalkrw.ftkoru:cpt u:od riunll ein, dass auch eine andere FOIlIl von Kriften eneraicahaltend Hin 1wIn. ZenttaU:rlfte sind VOJl HI.u.otot.n später ein!ehrlnlr.eo6er defmicn wordeD aU DOCh 1847. In den in Kinem Todesjahr gcbal!cneo Vorluwngttl übu tJr'e O)'IIII",ik di$creler MasseN. punbf/ werden Zenlnllkrlfte nur dun:b ihre Richrullg (entlang da Verbindungslinie zwischen zwei Punkten) UDd nicbt durcb die erufemllDsNbhlngige Intensidt bestimmt (HELMHOLTZ (1897 f[), Bd. 1.2, S. 143). Bildeo diese die inneren KJi.fte eines PunJctJystema, folgt aus ihnen nicbt mehr Energie-, lODdem DrehimpulserbaIlUlIg (I. I. 0., S. 157 ff.). Vii. hicml SctaD4AJ.It; ( 1997), Absclmitl Al.2.b HE1.MMOl.TZ (1847), S. 53 vgl. Sc1trEMANN ( 1997), Abschnitt. B,m,! Het.MHOLTZ (1847), S. 4 HELMIJOt.n(!847),S.7 103 Bermann von Belmhollz Klassiker an der Epochenwende Vorträge zur Ausstellung BTaWlschweig1sches landesmuseum. 1997 Herausgegeben von HnMvr KLN::ES und lhlNz LoaaIG PTB-Text.e Band 8 Braunschwelg. Oktober