Ernst Mach

Wissen und Irrtum fließen aus denselben geistigen Quellen; nur der Erfolg kann das eine vom anderen unterscheiden.

Ernst Waldfried Josef Wenzel Mach war ein österreichischer Physiker und Philosoph, bekannt für seine Beiträge zur Physik wie die Erforschung von Stoßwellen. Das Verhältnis der eigenen Geschwindigkeit zur Schallgeschwindigkeit wird zu seinen Ehren Mach-Zahl genannt. Als Wissenschaftsphilosoph war er ein großer Einfluss auf den logischen Positivismus und den amerikanischen Pragmatismus. Durch seine Kritik an Newtons Theorien von Raum und Zeit kündigte er Einsteins Relativitätstheorie an.

Biographie

Ernst Waldfried Josef Wenzel Mach wurde in Chrlice German: Chirlitz, Mähren, damals im Österreichischen Reich, heute Teil von Brno in der Tschechischen Republik, geboren. Sein Vater, der von der Charles-Ferdinand-Universität in Prag graduiert hatte, wirkte als Privatlehrer für die adlige Familie Brethon in Zlín in Ostmähren. Sein Großvater, Wenzl Lanhaus, ein Verwalter des Chirlitzer Gutes, war auch Straßenbaumeister dort. Seine Aktivitäten in diesem Bereich beeinflussten später die theoretische Arbeit von Ernst Mach. Einige Quellen geben Machs Geburtsort als Tuřany German: Turas an, heute ebenfalls Teil von Brno, Sitz des Chirlitzer Standesamts. Dort wurde Ernst Mach von Peregrin Weiss getauft. Mach wurde später Sozialist und Atheist. Seine Theorie und sein Leben wurden jedoch manchmal mit dem Buddhismus verglichen, insbesondere von Heinrich Gomperz, der Mach wegen des phänomenalistischen Zugangs zum „Ich" in seiner Analyse der Empfindungen als den „Buddha der Wissenschaft" bezeichnete.

Bis zum 14. Lebensjahr erhielt Mach seine Ausbildung zu Hause von seinen Eltern. Danach trat er in ein Gymnasium in Kroměříž German: Kremsier ein, wo er drei Jahre lang studierte. 1855 wurde er Student an der Universität Wien. Dort studierte er Physik und für ein Semester medizinische Physiologie und erhielt 1860 unter Andreas von Ettingshausen seinen Doktortitel in Physik mit einer Dissertation mit dem Titel Über elektrische Ladungen und Induktion, und seine Habilitation im folgenden Jahr. Seine frühe Arbeit konzentrierte sich auf den Doppler-Effekt in Optik und Akustik. 1864 nahm er eine Stelle als Professor für Mathematik an der Universität Graz an und lehnte dafür die Position eines Lehrstuhls für Chirurgie an der Universität Salzburg ab, und 1866 wurde er zum Professor für Physik ernannt. Während dieser Zeit setzte Mach seine Arbeiten in Psychophysik und sensorischer Wahrnehmung fort. 1867 übernahm er den Lehrstuhl für Experimentalphysik an der Charles-Ferdinand-Universität, wo er 28 Jahre lang blieb, bevor er nach Wien zurückkehrte.

Machs Hauptbeitrag zur Physik bestand in seiner Beschreibung und Fotografie von Funkenstoßwellen und dann ballistischen Stoßwellen. Er beschrieb, wie eine Kugel oder Granate, die sich schneller als die Schallgeschwindigkeit bewegte, eine Luftverdichtung vor sich erzeugte. Mit Schlierenfotografie konnten er und sein Sohn Ludwig die Schatten der unsichtbaren Stoßwellen fotografieren. In den frühen 1890er Jahren konnte Ludwig ein Interferometer erfinden, das viel klarere Fotografien ermöglichte. Aber Mach trug auch viel zur Psychologie und Physiologie bei, einschließlich seiner Vorwegnahme von Gestalt-Phänomenen, seiner Entdeckung des schrägen Effekts und der Mach-Bänder, einer durch Hemmung beeinflussten Art visueller Illusion, und besonders seiner Entdeckung einer nicht-akustischen Funktion des Innenohrs, die die menschliche Gleichgewichtskontrolle unterstützt.

Eine der bekanntesten Ideen Machs ist das sogenannte „Mach-Prinzip", das sich mit dem physikalischen Ursprung der Trägheit befasst. Dies wurde von Mach nie schriftlich festgehalten, sondern erhielt eine anschauliche verbale Form, die Philipp Frank Mach selbst zuschreibt, als: „Wenn die U-Bahn ruckelt, sind es die Fixsterne, die dich zu Boden werfen."

Mach wurde auch für seine Philosophie bekannt, die in enger Wechselwirkung mit seiner Wissenschaft entwickelt wurde. Mach verteidigte eine Art Phänomenalismus, der nur Empfindungen als real anerkennt. Diese Position schien unvereinbar mit der Ansicht von Atomen und Molekülen als externe, vom Geist unabhängige Dinge. Er erklärte berühmterweise nach einem Vortrag von Ludwig Boltzmann im Jahre 1897 in der Kaiserlichen Akademie der Wissenschaften in Wien: „Ich glaube nicht, dass es Atome gibt!" Von etwa 1908 bis 1911 wurde Machs Widerwille, die Realität von Atomen anzuerkennen, von Max Planck dafür kritisiert, unvereinbar mit der Physik zu sein. Einsteins Demonstration von 1905, dass die statistischen Schwankungen von Atomen die Messung ihrer Existenz ohne direkte individualisierte sensorische Evidenz ermöglichten, markierte einen Wendepunkt in der Akzeptanz der Atomtheorie. Einige von Machs Kritiken an Newtons Position zu Raum und Zeit beeinflussten Einstein, aber später erkannte Einstein, dass Mach grundsätzlich Newtons Philosophie entgegenstand, und kam zu dem Schluss, dass seine physikalische Kritik nicht stichhaltig war.

1898 erlitt Mach einen Herzstillstand und 1901 zog er sich von der Universität Wien zurück und wurde zur Kammer der österreichischen Parlaments ernannt. Als er Wien 1913 verließ, zog er in das Haus seines Sohnes in Vaterstetten in der Nähe von München, wo er bis zu seinem Tod 1916 weiter schrieb und korrespondierte, einen Tag nach seinem 78. Geburtstag.

Physik

Die meisten von Machs anfänglichen Studien im Bereich der experimentellen Physik konzentrierten sich auf Interferenz, Beugung, Polarisation und Brechung von Licht in verschiedenen Medien unter äußeren Einflüssen. Daraus folgten wichtige Untersuchungen im Bereich der Überschallfluidmechanik. Mach und der Physiker-Fotograf Peter Salcher präsentierten ihre Arbeit zu diesem Thema 1887; sie beschreibt korrekt die Schalleffekte, die während der Überschallbewegung eines Projektils beobachtet werden. Sie leiteten die Existenz einer Stoßwelle mit konischer Form ab und bestätigten sie experimentell, mit dem Projektil an der Spitze. Das Verhältnis der Geschwindigkeit einer Flüssigkeit zur lokalen Schallgeschwindigkeit vp/vs wird nun Mach-Zahl genannt. Dies ist ein kritischer Parameter in der Beschreibung von Hochgeschwindigkeitsflüssigkeitsbewegung in Aerodynamik und Hydrodynamik. Mach trug auch zur Kosmologie die Hypothese bei, die als Mach-Prinzip bekannt ist.

Wissenschaftsphilosophie

Empirio-Kritizismus

Von 1895 bis 1901 hielt Mach einen neu geschaffenen Lehrstuhl für „Geschichte und Philosophie der induktiven Wissenschaften" an der Universität Wien. In seinen historisch-philosophischen Studien entwickelte Mach eine phänomenalistische Wissenschaftsphilosophie, die im 19. und 20. Jahrhundert einflussreich wurde. Ursprünglich sah er wissenschaftliche Gesetze als Zusammenfassungen experimenteller Ereignisse an, die zum Zwecke der Verständlichmachung komplexer Daten konstruiert wurden, betonte aber später mathematische Funktionen als einen nützlicheren Weg, um sensorische Erscheinungen zu beschreiben. So haben wissenschaftliche Gesetze, obwohl etwas idealisiert, mehr mit der Beschreibung von Empfindungen als mit der Wirklichkeit zu tun, wie sie jenseits von Empfindungen existiert.

Das Ziel, das es (Naturwissenschaft) sich selbst gesetzt hat, ist der einfachste und ökonomischste abstrakte Ausdruck von Tatsachen.

Wenn der menschliche Verstand, mit seinen begrenzten Kräften, versucht, das reiche Leben der Welt, von der er selbst nur ein kleiner Teil ist und die er nie hoffen kann zu erschöpfen, in sich zu spiegeln, hat er jeden Grund, ökonomisch zu verfahren.

In Wirklichkeit enthält das Gesetz immer weniger als die Tatsache selbst, weil es die Tatsache nicht als Ganzes reproduziert, sondern nur in dem Aspekt, der für uns wichtig ist, der Rest wird absichtlich oder notgedrungen weggelassen.

Machs Positivismus beeinflusste auch viele russische Marxisten, wie Alexander Bogdanov 1873–1928. 1908 schrieb Lenin ein philosophisches Werk, Materialismus und Empirio-Kritizismus, veröffentlicht 1909, in dem er den Machismus und die Ansichten der „russischen Machisten" kritisierte. Seine Hauptkritiken waren, dass Machs Philosophie zu Solipsismus und zu der absurden Schlussfolgerung führte, dass die Natur nicht vor den Menschen existierte. Lenin zitierte in diesem Werk auch das Konzept des „Äthers" als Medium, durch das sich Lichtwellen ausbreiteten, und das Konzept der Zeit als absolut, Konzepte, die später durch weitere wissenschaftliche Entwicklungen widerlegt wurden.

Empirio-Kritizismus ist der Begriff für die streng positivistische und radikal empiristische Philosophie, die von dem deutschen Philosophen Richard Avenarius begründet und von Mach weiterentwickelt wurde und behauptet, dass alles, das wir wissen können, unsere Empfindungen sind, und dass sich das Wissen auf reine Erfahrung beschränken sollte.

In Übereinstimmung mit empirio-kritischer Philosophie widersetzte sich Mach Ludwig Boltzmann und anderen, die eine Atomtheorie der Physik vorschlugen. Da man Dinge so klein wie Atome nicht direkt beobachten kann und da kein Atommodell der Zeit konsistent war, schien die Atomhypothese Mach unwahrscheinlich, und vielleicht nicht ausreichend „ökonomisch". Mach hatte einen direkten Einfluss auf die Philosophen des Wiener Kreises und die Schule des logischen Positivismus im Allgemeinen.

Mach werden eine Reihe von Prinzipien zugeschrieben, die sein Ideal der physikalischen Theorisierung verdeutlichen – das, was jetzt „Machsche Physik" genannt wird:

1. Sie sollte völlig auf direkt beobachtbaren Phänomenen basieren, in Einklang mit seinen positivistischen Neigungen
2. Sie sollte absoluten Raum und Zeit vollständig zugunsten der relativen Bewegung vermeiden
3. Alle Phänomene, die scheinbar dem absoluten Raum und der absoluten Zeit zuzuschreiben wären, z. B. Trägheit und Zentrifugalkraft, sollten stattdessen als Ergebnis der großflächigen Verteilung von Materie im Universum betrachtet werden.

Das letztere wird besonders von Albert Einstein als das Mach-Prinzip hervorgehoben. Einstein zitierte es als eines der drei Prinzipien, die der allgemeinen Relativitätstheorie zugrunde liegen. 1930 erklärte er, dass „es gerechtfertigt ist, Mach als den Vorläufer der allgemeinen Relativitätstheorie zu betrachten", obwohl Mach vor seinem Tod anscheinend Einsteins Theorie ablehnen würde. Einstein war sich bewusst, dass seine Theorien nicht alle von Machs Prinzipien erfüllten, und das hat auch keine nachfolgende Theorie getan, trotz erheblicher Bemühungen.

Phänomenologischer Konstruktivismus

Nach Alexander Riegler war Ernst Machs Werk ein Vorläufer der einflussreichen Perspektive, die als Konstruktivismus bekannt ist. Der Konstruktivismus besagt, dass alles Wissen vom Lernenden konstruiert wird, anstatt von ihm empfangen zu werden. Er nahm eine außergewöhnlich nicht-dualistische, phänomenologische Position ein. Der Begründer des radikalen Konstruktivismus, von Glasersfeld, würdigte Mach als einen Verbündeten.

Physiologie

1873 entdeckten Mach und der Physiologe und Arzt Josef Breuer unabhängig voneinander, wie der Gleichgewichtssinn, d. h. die Wahrnehmung des Ungleichgewichts des Kopfes funktioniert, indem sie seine Verwaltung durch Informationen zurückverfolgten, die das Gehirn von der Bewegung einer Flüssigkeit in den Bogengängen des Innenohrs erhält. Dass der Gleichgewichtssinn von den drei Bogengängen abhängt, wurde 1870 vom Physiologen Friedrich Goltz entdeckt, aber Goltz entdeckte nicht, wie das Gleichgewichtsempfindungs-Gerät funktionierte. Mach konstruierte einen Drehstuhl, um seine Theorien zu testen, und Floyd Ratliff hat vorgeschlagen, dass dieses Experiment den Weg zu Machs Kritik an einer physikalischen Konzeption des absoluten Raums und der Bewegung ebnet haben könnte.

Psychologie

Im Bereich der sensorischen Wahrnehmung werden Psychologen sich an Mach für die optische Illusion erinnern, die als Mach-Bänder bekannt ist. Der Effekt verstärkt den Kontrast zwischen Kanten von leicht unterschiedlichen Grautönen, sobald sie sich berühren, indem er die Kantenerkennung im menschlichen Sehsystem auslöst.

Deutlicher als jeder andere vor oder nach ihm machte Mach die Unterscheidung zwischen dem, was er physiologisch spezifisch visuell und geometrische Räume nannte.

Machs Ansichten über vermittelnde Strukturen inspirierten B. F. Skinners stark induktive Position, die Machs auf dem Gebiet der Psychologie ähnelte.

Eponyme

Zu seiner Ehre wurde sein Name gegeben an:

• Mach, einen Mondkrater
• Mach-Bänder, eine optische Illusion
• 3949 Mach, einen Asteroiden
• Mach-Zahl, die Einheit für Geschwindigkeit relativ zur Schallgeschwindigkeit

Bibliografie

Machs Hauptwerke auf Englisch:

• The Science of Mechanics. Übersetzt von McCormack, Thomas J. 4. Aufl.. Chicago: The Open Court Publishing Co. 1919.
• "Photographische Fixirung der durch Projectile in der Luft eingeleiteten Vorgänge". Sitzungsber. Kaiserl. Akad. Wiss., Wien, Math.-Naturwiss. Cl. in German. 95 Abt. II: 764–780. 1887. mit Peter Slacher
• The Analysis of Sensations 1897
• Popular Scientific Lectures 1895
• "Space and Geometry from the Point of View of Physical Inquiry". Monist. 14 1: 1–32. 1903. doi:10.5840/monist190314139. ISSN 0026-9662. mit S.J.B. Sugden
• History and Root of the Principle of the Conservation of Energy 1911
• The Principles of Physical Optics 1926
• Knowledge and Error 1976
• Principles of the Theory of Heat 1986
• Fundamentals of the Theory of Movement Perception 2001