Vor einigen Tagen teilte mir ein Magister, der noch ein junger Mann ist und daher eine moderne Ausbildung genossen hat, mit, dass er bis zum Alter von zwanzig Jahren nie etwas über natürliche Phänomene oder Naturgesetze unterrichtet worden war. Zwölf Jahre seines Lebens waren zuvor ausschließlich bei den Alten verbracht worden. Der Fall ist, bedauere ich zu sagen, typisch. Nun können wir die Gegenwart nicht ohne Nachteil für die Menschheit von der Vergangenheit trennen.
John Tyndall war ein prominenter irischer Physiker des 19. Jahrhunderts. Sein anfänglicher wissenschaftlicher Ruhm entstand in den 1850er Jahren aus seiner Untersuchung des Diamagnetismus. Später machte er Entdeckungen auf den Gebieten der Infrarotstrahlung und der physikalischen Eigenschaften von Luft und bewies 1859 den Zusammenhang zwischen atmosphärischem CO2 und dem, was heute als Treibhauseffekt bekannt ist.
Tyndall veröffentlichte auch mehr als ein Dutzend Wissenschaftsbücher, die die modernste experimentelle Physik des 19. Jahrhunderts einem breiten Publikum nahebrachten. Von 1853 bis 1887 war er Professor für Physik an der Royal Institution of Great Britain in London.
Frühe Jahre und Ausbildung
Tyndall wurde in Leighlinbridge, County Carlow, Irland, geboren. Sein Vater war ein lokaler Polizeibeamter, der von Auswanderern aus Gloucestershire abstammte, die sich um 1670 im Südosten Irlands niederließen. Tyndall besuchte die örtlichen Schulen Ballinabranna Primary School in County Carlow bis zu seinem späten Teenageralter und war wahrscheinlich gegen Ende seiner Zeit dort Hilfslehrer. Die in der Schule erlernten Fächer umfassten besonders technisches Zeichnen und Mathematik mit einigen Anwendungen dieser Fächer auf Landvermessung. Er wurde Ende der 1830er Jahre als Zeichner bei der Ordnance Survey of Ireland eingestellt und wechselte 1842 zur Arbeit für die Ordnance Survey for Great Britain. In dem Jahrzehnt der 1840er Jahre war ein Eisenbahnbauboom im Gange, und Tyndalls Erfahrung in der Landvermessung war wertvoll und wurde von den Eisenbahnunternehmen nachgefragt. Zwischen 1844 und 1847 war er lukrativ in der Eisenbahnkonstruktionsplanung beschäftigt.
1847 beschloss Tyndall, Mathematik- und Vermessungslehrer am Queenwood College, einem Internat in Hampshire, zu werden. Als er sich später an diese Entscheidung erinnerte, schrieb er: „Der Wunsch, mich intellektuell weiterzuentwickeln, verließ mich nicht; und als die Eisenbahnarbeiten nachließen, nahm ich 1847 eine Stelle als Lehrer am Queenwood College an." Ein weiterer kürzlich angekommener junger Lehrer am Queenwood war Edward Frankland, der zuvor als chemischer Laborassistent für die British Geological Survey tätig war. Frankland und Tyndall wurden gute Freunde. Auf der Grundlage von Franklands bisherigen Kenntnissen beschlossen sie, nach Deutschland zu gehen, um ihre Ausbildung in Naturwissenschaften zu vertiefen. Unter anderem wusste Frankland, dass bestimmte deutsche Universitäten bei experimenteller Chemie und Physik allen britischen Universitäten voraus waren. Britische Universitäten konzentrierten sich damals noch auf klassische Sprachen und Mathematik, nicht auf Laborwissenschaften. Das Paar zog im Sommer 1848 nach Deutschland und schrieb sich an der Universität Marburg ein, angezogen durch den Ruf von Robert Bunsen als Lehrer. Tyndall studierte zwei Jahre lang bei Bunsen. Vielleicht einflussreicher für Tyndall in Marburg war Professor Hermann Knoblauch, mit dem Tyndall viele Jahre lang brieflich in Kontakt blieb. Tyndalls Marburger Dissertation war 1850 eine mathematische Analyse von Schraubenflächen unter Friedrich Ludwig Stegmann. Tyndall blieb noch ein weiteres Jahr in Deutschland und führte Forschungen zum Magnetismus mit Knoblauch durch, einschließlich einiger Monate Besuch im Berliner Laboratorium von Knoblauch's Hauptlehrer Heinrich Gustav Magnus. Es ist heute klar, dass Bunsen und Magnus unter den sehr besten experimentellen Naturwissenschaftslehrern der Ära waren. Als Tyndall im Sommer 1851 nach England zurückkehrte, hatte er wahrscheinlich eine ebenso gute Ausbildung in experimenteller Naturwissenschaft wie jeder andere in England.
Frühe wissenschaftliche Arbeiten
Tyndalls frühe Originalarbeit in der Physik waren seine Experimente zum Magnetismus und zur diamagnetischen Polarität, an denen er von 1850 bis 1856 arbeitete. Seine zwei einflussreichsten Berichte waren die ersten beiden, verfasst zusammen mit Knoblauch. Einer von ihnen war betitelt „The magneto-optic properties of crystals, and the relation of magnetism and diamagnetism to molecular arrangement" (Die magnetooptischen Eigenschaften von Kristallen und die Beziehung von Magnetismus und Diamagnetismus zur molekularen Anordnung), datiert Mai 1850. Die beiden beschrieben ein inspiriertes Experiment mit einer inspirierten Interpretation. Diese und andere magnetische Untersuchungen machten Tyndall bald unter den führenden Wissenschaftlern der Zeit bekannt. Er wurde 1852 zum Fellow der Royal Society gewählt. Bei seiner Suche nach einer angemessenen Forschungsposition konnte er den langjährigen Herausgeber der führenden deutschen Physik-Fachzeitschrift Poggendorff und andere prominente Personen bitten, Empfehlungsschreiben für ihn zu verfassen. 1853 erreichte er die prestigeträchtige Position eines Professors für Naturphilosophie Physik an der Royal Institution in London, nicht zuletzt wegen der Wertschätzung, die seine Arbeit von Michael Faraday, dem Leiter der magnetischen Forschungen an der Royal Institution, erhalten hatte. Etwa ein Jahrzehnt später wurde Tyndall zum Nachfolger der Positionen ernannt, die Michael Faraday an der Royal Institution innehatte, als Faraday in den Ruhestand ging.
Alpine Bergsteigerei und Glaziologie
Tyndall besuchte 1856 aus wissenschaftlichen Gründen die Alpen und wurde schließlich ein Pionier des Bergsteigens. Er besuchte die Alpen fast jeden Sommer ab 1856, war Mitglied des allerersten Bergsteiger-Teams, das 1861 den Gipfel des Weisshorn erreichte, und Anführer eines der frühen Teams, das 1868 den Gipfel des Matterhorn erreichte. Er ist einer der Namen, die mit dem „Goldenen Zeitalter des Alpinismus" verbunden sind – den mittelviktorianiischen Jahren, als die schwierigeren Alpengipfel zum ersten Mal erklommen wurden.
In den Alpen studierte Tyndall Gletscher und besonders die Gletscherbewegung. Seine Erklärung der Gletsscherströmung führte ihn in Auseinandersetzung mit anderen, besonders mit James David Forbes. Ein großer Teil der frühen wissenschaftlichen Arbeiten zur Gletscherbewegung war von Forbes durchgeführt worden, aber Forbes kannte zu dieser Zeit das Phänomen der Regelation nicht, das kurze Zeit später von Michael Faraday entdeckt wurde. Regelation spielte eine Schlüsselrolle in Tyndalls Erklärung. Forbes sah Regelation überhaupt nicht auf die gleiche Weise. Ihre Debatte wurde dadurch kompliziert, dass ein öffentlicher Meinungsstreit darüber entstand, wem der Verdienst für welche wissenschaftliche Arbeit zustehen sollte. Eloquente Freunde von Forbes sowie Forbes selbst waren der Meinung, dass Forbes die meisten guten wissenschaftlichen Ergebnisse verdiente, während Tyndall der Ansicht war, dass der Verdienst breiter verteilt werden sollte. Tyndall kommentierte: „Die Idee der halbflüssigen Bewegung gehört ganz Louis Rendu; der Beweis des schnelleren zentralen Flusses gehört teilweise zu Rendu, aber fast ganz zu Louis Agassiz und Forbes; der Beweis der Verzögerung am Bett gehört allein zu Forbes; während die Entdeckung des Ortes des maximalen Bewegungspunkts, wie ich vermute, mir gehört." Als Forbes und Tyndall im Grab waren, wurde ihr Meinungsstreit von ihren jeweiligen offiziellen Biographen fortgesetzt. Jeder versuchte, vernünftig zu sein, aber eine Einigung wurde nicht erreicht. Noch bedauerlicher ist, dass einige Aspekte der Gletscherbewegung unverstanden oder unbewiesen blieben.
Der Tyndall-Gletscher in Chile und der Tyndall-Gletscher in Colorado wurden nach John Tyndall benannt, ebenso wie Mount Tyndall in Kalifornien und Mount Tyndall in Tasmanien.
Hauptwissenschaftliche Arbeiten
Die Arbeit an Gletschern lenkte Tyndalls Aufmerksamkeit auf die Forschung von de Saussure über den Erwärmungseffekt von Sonnenlicht und das Konzept von Fourier, das von Pouillet und William Hopkins entwickelt wurde; dass Wärme von der Sonne leichter die Atmosphäre durchdringt als „unklare Wärme" Infrarot-„Wärmestrahlung" von der erwärmten Erde, was zu dem führt, was wir heute Treibhauseffekt nennen. Im Frühjahr 1859 begann Tyndall mit Forschungen darüber, wie Wärmestrahlung, sichtbar und unklar, verschiedene Gase und Aerosole beeinflusst. Er entwickelte differentielle Absorptionsspektroskopie unter Verwendung der von Melloni entwickelten elektromagnetischen Thermosäule. Tyndall begann am 9. Mai 1859 intensive Experimente, zunächst ohne signifikante Ergebnisse, verbesserte dann die Empfindlichkeit des Apparates und schrieb am 18. Mai in sein Tagebuch „Experimentiert den ganzen Tag; das Thema liegt ganz in meinen Händen!" Am 26. Mai reichte er der Royal Society eine Notiz ein, die seine Methoden beschrieb und feststellte: „Mit Ausnahme der berühmten Abhandlung von M. Pouillet über die Sonnenstrahlung durch die Atmosphäre ist meines Wissens nichts über die Übertragung von Wärmestrahlung durch gasförmige Körper veröffentlicht worden. Wir wissen nichts von der Wirkung selbst der Luft auf Wärme, die von terrestrischen Quellen abstrahlt."
Am 10. Juni demonstrierte er die Forschung in einem Vortrag der Royal Society und vermerkte, dass Kohlenwasserstoffgas und Äther Infrarot-Wärmestrahlung stark absorbierten, und seine experimentelle Bestätigung des Treibhauseffekt-Konzepts; dass Sonnenwärme eine Atmosphäre durchquert, aber „wenn die Wärme vom Planeten absorbiert wird, wird sie in ihrer Qualität so verändert, dass die vom Planeten ausgehenden Strahlen nicht mit der gleichen Freiheit in den Weltraum zurückkommen können. So lässt die Atmosphäre den Eintritt von Sonnenwärme zu; hemmt aber ihren Austritt, und das Ergebnis ist eine Tendenz, Wärme an der Oberfläche des Planeten zu sammeln."
Tyndalls Untersuchungen der Wirkung von Strahlungsenergie auf die Bestandteile der Luft führten ihn zu mehreren Untersuchungslinien, und seine ursprünglichen Forschungsergebnisse umfassten Folgendes:
- Tyndall erklärte die Wärme in der Erdatmosphäre in Bezug auf die Fähigkeit der verschiedenen Gase in der Luft, Wärmestrahlung in Form von Infrarotstrahlung zu absorbieren. Sein Messinstrument, das Thermosäulen-Technologie nutzte, ist ein frühes Wahrzeichen in der Geschichte der Absorptionsspektroskopie von Gasen. Er war der erste, der die relativen Infrarot-Absorptionsfähigkeiten der Gase Stickstoff, Sauerstoff, Wasserdampf, Kohlendioxid, Ozon, Methan und anderer Spurengase und Dämpfe korrekt gemessen hat. Er kam zu dem Ergebnis, dass Wasserdampf der stärkste Absorber von Wärmestrahlung in der Atmosphäre ist und das Hauptgas ist, das die Lufttemperatur kontrolliert. Die Absorption durch die anderen Gase ist nicht vernachlässigbar, aber relativ gering. Vor Tyndall wurde weitverbreitet vermutet, dass die Erdatmosphäre die Oberfläche erwärmt, in dem, was später Treibhauseffekt genannt wurde, aber er war der erste, der es bewies. Der Beweis war, dass Wasserdampf Infrarotstrahlung stark absorbierte. In Bezug darauf war Tyndall 1860 der erste, der demonstrierte und quantifizierte, dass optisch transparente Gase Infrarot-Emitter sind.
- Er entwickelte Demonstrationen, die die Frage voranbrachten, wie Wärmestrahlung auf molekularer Ebene absorbiert und emittiert wird. Er scheint die erste Person zu sein, die experimentell demonstriert hat, dass die Emission von Wärme in chemischen Reaktionen ihren physikalischen Ursprung in den neu entstandenen Molekülen hat, 1864. Er produzierte lehrreiche Demonstrationen, die die Glühkonversion von Infrarot in sichtbares Licht auf molekularer Ebene beinhalten, die er Kaloreszenz nannte, 1865, bei der er Materialien verwendete, die für Infrarot transparent und für sichtbares Licht undurchsichtig sind oder umgekehrt. Er bezeichnete Infrarot normalerweise als „Wärmestrahlung" und manchmal als „ultrarot undulatorische Schwingungen", da das Wort „Infrarot" erst in den 1880er Jahren verwendet wurde. Seine Hauptberichte der 1860er Jahre wurden 1872 als 450-seitige Sammlung unter dem Titel Contributions to Molecular Physics in the Domain of Radiant Heat (Beiträge zur Molekularphysik im Bereich der Wärmestrahlung) neu veröffentlicht.
- Bei den Untersuchungen zur Wärmestrahlung in Luft war es notwendig, Luft zu verwenden, aus der alle Spuren von schwebenden Staubpartikeln und anderen Partikeln entfernt worden waren. Ein sehr empfindlicher Weg, um Partikel zu erkennen, ist, die Luft mit intensivem Licht zu durchfluten. Die Streuung von Licht durch Partikelverunreinigungen in Luft und anderen Gasen sowie in Flüssigkeiten ist heute unter dem Namen Tyndall-Effekt oder Tyndall-Streuung bekannt. Bei der Untersuchung dieser Streuung in den späten 1860er Jahren profitierte Tyndall von kürzlichen Verbesserungen in elektrisch betriebenen Lichtern. Er hatte auch Zugang zu guten Lichtkonzentratoren. Er entwickelte das Nephelmeter und ähnliche Instrumente, die Eigenschaften von Aerosolen und Kolloiden durch konzentrierte Lichtstrahlen gegen einen dunklen Hintergrund zeigen und auf der Ausbeutung des Tyndall-Effekts basieren. In Kombination mit Mikroskopen ist das Ergebnis das Ultramikroskop, das später von anderen entwickelt wurde.
- Er war der erste, der das Phänomen der Thermophorese in Aerosolen beobachtete und berichtete. Er entdeckte es um heiße Objekte herum, während er den Tyndall-Effekt mit fokussierten Lichtstrahlen in einem dunklen Raum untersuchte. Er entwickelte eine bessere Methode, um es zu demonstrieren, und berichtete dann einfach darüber, 1870, ohne die Physik dahinter tiefgreifend zu untersuchen.
- In Experimenten zur Wärmestrahlung, die in den frühen 1860er Jahren viel Laborexpertise erforderten, zeigte er für eine Vielzahl leicht verdampfbarer Flüssigkeiten, dass die Dampfform und die flüssige Form Molekül für Molekül im Wesentlichen die gleiche Kraft haben, Wärmestrahlung zu absorbieren. In modernen Experimenten mit Spektren mit enger Bandbreite werden einige kleine Unterschiede gefunden, auf die Tyndalls Ausrüstung nicht zugreifen konnte; siehe z. B. Absorptionsspektrum von H2O.
- Er konsolidierte und verbesserte die Ergebnisse von Desains, Forbes, Knoblauch und anderen und zeigte, dass die Haupteigenschaften von sichtbarem Licht für Wärmestrahlung reproduziert werden können – nämlich Reflexion, Brechung, Beugung, Polarisation, Depolarisation, Doppelbrechung und Rotation in einem Magnetfeld.
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