Meine lieben,
was bleibt dem Sternenonkel, als aus der Not eine Tugend zu machen. Es ist brüllend heiß draußen im ganzen Land.
Lasst uns also heute mal etwas auf die Geschichte der Temperaturmessung blicken.
Prolog
Wer heute wissen möchte, ob es draußen warm oder kalt ist, schaut auf das Smartphone, den Wetterbericht oder vielleicht noch auf ein klassisches Thermometer. Die Temperatur wird in Grad Celsius angegeben, und niemand denkt groß darüber nach, warum Wasser bei 0 Grad gefriert und bei 100 Grad kocht. Doch bis wir zu dieser scheinbar selbstverständlichen Skala gelangten, war es ein langer Weg.
Die ersten Anfänge
Schon früh bemerkten Menschen, dass sich Stoffe bei Wärme ausdehnen und bei Kälte zusammenziehen.
Die Vorläufer unserer heutigen Thermometer nannte man Thermoskope. Sie konnten zwar anzeigen, ob es wärmer oder kälter wurde, besaßen aber noch keine Skala mit Zahlenwerten.
Ein typisches Thermoskop des 17. Jahrhunderts bestand aus einer Glaskugel, an die ein langes, dünnes Glasröhrchen angeschmolzen war. Die Kugel wurde zunächst erwärmt, sodass sich die Luft darin ausdehnte und ein Teil aus dem Röhrchen entwich. Anschließend tauchte man das offene Ende des Röhrchens in ein Gefäß mit Wasser.
Kühlte die Luft in der Glaskugel nun ab, zog sie sich zusammen. Dadurch entstand ein leichter Unterdruck, und das Wasser stieg im Röhrchen nach oben. Erwärmte sich die Luft wieder, dehnte sie sich aus und drückte das Wasser nach unten.
Das Gerät zeigte also Veränderungen der Temperatur durch den wechselnden Wasserstand an. Allerdings hatte es einen entscheidenden Nachteil. Es reagierte nicht nur auf die Temperatur, sondern auch auf Änderungen des Luftdrucks. Wenn sich das Wetter änderte, konnte sich der Wasserstand ebenfalls verändern, obwohl die Temperatur gleich geblieben war.
Erst als man später geschlossene Thermometer entwickelte, die mit Alkohol oder Quecksilber gefüllt waren und eine feste Skala erhielten, wurde eine wirklich zuverlässige Temperaturmessung möglich.
Mit den ersten Termoskopen war es ein bisschen so, wie mit Astronomie mit bloßem Auge: Man konnte Veränderungen beobachten, aber noch nicht präzise messen.
Die erste Skala
Einer der ersten, der Ordnung in das Temperaturchaos bringen wollte, war der deutsche Physiker Daniel Gabriel Fahrenheit. Anfang des 18. Jahrhunderts entwickelte er ein Quecksilberthermometer und führte eine Temperaturskala ein, die bis heute vor allem in den USA verwendet wird.
Quecksilberthermometer lassen sich besser ablesen, als Wasserthermometer, weil es sich mehr ausdehnt.
Warum Wasser bei Fahrenheit bei 32 Grad gefriert und bei 212 Grad siedet, wirkt auf uns heute etwas merkwürdig. Tatsächlich orientierte sich Fahrenheit an verschiedenen Referenzpunkten, unter anderem an einer besonders kalten Salzlösung. Aus heutiger Sicht erscheint die Skala etwas exotisch, doch sie hatte einen entscheidenden Vorteil. Sie war für die damalige Zeit erstaunlich präzise.
Das französische Thermometer
Fast zeitgleich entwickelte der französische Naturforscher René Antoine Ferchault de Réaumur seine eigene Skala. Bei ihm lag der Gefrierpunkt des Wassers bei 0 Grad und der Siedepunkt bei 80 Grad. In Teilen Europas war die Réaumur-Skala lange Zeit verbreitet. Heute begegnet sie uns nur noch selten, etwa wenn in alten Kochbüchern oder historischen Dokumenten Temperaturen angegeben werden.
Was sich durchsetzte
Den größten Erfolg hatte jedoch eine Skala, die ursprünglich gar nicht Celsius-Skala hieß. Der schwedische Astronom Anders Celsius veröffentlichte 1742 eine Einteilung, bei der Wasser bei 100 Grad gefror und bei 0 Grad kochte. Ja, genau andersherum als heute.
Erst nach seinem Tod wurde die Skala umgedreht. Nun lag der Gefrierpunkt bei 0 Grad und der Siedepunkt bei 100 Grad. Das erwies sich als deutlich intuitiver und setzte sich schließlich weltweit durch. Für Astronomen und Naturwissenschaftler war das ein großer Fortschritt, denn nun konnten Messungen einfacher verglichen werden.
Doch selbst die Celsius-Skala hat einen Nachteil: Sie beginnt nicht bei der tiefstmöglichen Temperatur.
Und dann hängt die Temperatur, bei der Wasser kocht, vom Luftdruck ab. Auf dem Everest kocht Wasser schon bei 80 Grad oder so.
Die absolute
Im 19. Jahrhundert beschäftigte sich der britische Physiker William Thomson, besser bekannt als Lord Kelvin, mit den Grundlagen der Thermodynamik. Er erkannte, dass es eine absolute Temperaturgrenze geben muss, bei der die Bewegung der Teilchen ihr Minimum erreicht.
Dieser Punkt liegt bei minus 273,15 Grad Celsius. Kelvin machte daraus den Nullpunkt seiner Skala. Ein Kelvin hat dieselbe Größe wie ein Grad Celsius, nur der Ausgangspunkt ist ein anderer. Deshalb entsprechen 0 Grad Celsius genau 273,15 Kelvin.
Das ist eine sehr schöne Geschichte, weil Kelvin seine Skala zunächst gar nicht über Atome oder Quantenphysik herleitete. Die gab es damals noch nicht.
Er betrachtete die Ausdehnung von Gasen. Schon im frühen 19. Jahrhundert hatten Forscher wie Jacques Charles und Joseph Louis Gay-Lussac festgestellt, dass sich Gase bei Erwärmung nahezu linear ausdehnen.
Vereinfacht gesagt: Erhöht man die Temperatur eines Gases um 1 °C, nimmt sein Volumen immer um etwa denselben Bruchteil zu.
Stellt man sich nun ein Gas mit einem Volumen von 100 Litern bei 0 °C vor, dann hätte es bei 100 °C ungefähr 136,6 Liter. Zeichnet man diese Beziehung in ein Diagramm und verlängert die Gerade nach unten, gelangt man zu einem bemerkenswerten Punkt: Das Volumen würde bei etwa −273 °C auf Null schrumpfen.
Natürlich kann ein reales Gas nicht tatsächlich auf Nullvolumen zusammengedrückt werden. Lange vorher wird es flüssig oder fest. Dennoch deutete die Extrapolation auf eine fundamentale Grenze hin.
Für Kelvin war dies ein starkes Indiz, dass es eine tiefstmögliche Temperatur geben musste. Er kombinierte diese Überlegung mit den damals neuen Erkenntnissen der Thermodynamik und schlug vor, dort den Nullpunkt einer absoluten Temperaturskala anzusetzen.
Später wurde dieser Wert immer genauer bestimmt. Heute liegt der absolute Nullpunkt bei
−273,15 °C = 0 Kelvin.
Bis heute versuchen Physiker immer mehr an diesen absoluten Nullpunkt heran zu kühlen.
Wettkühlen
Hier ein Beispiel für dieses „Wettkühlen“ nacherzählt aus dem Buch „Das Weltgeheimnis von Thomas de Padova.Das gibt es bei den Blindenhörbüchereien auszuleihen.
Einer der Forscher, der sich besonders intensiv mit solchen ultrakalten Zuständen beschäftigt hat, ist der Physiker Wolfgang Ketterle. In den 1990er Jahren arbeitete er am Massachusetts Institute of Technology an sogenannten Bose-Einstein-Kondensaten – Zuständen der Materie, die nur bei extrem tiefen Temperaturen entstehen.
Die Experimente waren so empfindlich und liefen über so lange Zeiträume, dass man sie kaum „einfach laufen lassen“ konnte. Jede Störung, jede kleine Veränderung konnte das Ergebnis beeinflussen. Deshalb verbrachte Ketterle ungewöhnlich viel Zeit direkt in der Nähe seiner Apparaturen. Überliefert ist sogar, dass er sich zeitweise ein Feldbett in sein Büro stellte, um keine Messreihe zu verpassen und jederzeit reagieren zu können.
So wirkt die Jagd nach dem absoluten Nullpunkt ein wenig wie eine moderne Form der Entdeckungsreisen früherer Jahrhunderte. Nur dass man heute nicht mehr in ferne Länder aufbricht, sondern in Temperaturbereiche, die kaum noch physikalisch vorstellbar sind.
Und vielleicht zeigt gerade das etwas sehr Menschliches in der Physik. Auch dort, wo man weiß, dass man ein Ziel nie ganz erreichen kann, lohnt es sich dennoch, immer ein Stück weiterzugehen.
Das erinnert mich irgendwie an den Ereignishorizont eines schwarzen Loches.
Die letzte Frage
Temperatur, Thermometer, alles klar. Jetzt stellt sich aber zum Schluss noch die Frage, wie man die Temperatur eines Sternes misst, wo man ja kein Thermometer daran halten kann?
Die Antwort ist ebenso verblüffend wie elegant. Man misst nicht die Wärme direkt, sondern das Licht.
Jeder heiße Körper sendet elektromagnetische Strahlung aus. Je heißer er wird, desto stärker verschiebt sich die abgestrahlte Energie zu kürzeren Wellenlängen. Das kann man im Alltag beobachten. Ein Stück Eisen glüht zunächst dunkelrot, dann orange, gelb und schließlich fast weiß.
Genau diesen Effekt nutzen Astronominnen und Astronomen. Das Licht eines Sterns wird mit einem Spektrographen in seine Farben zerlegt – ähnlich wie bei einem Regenbogen. Anschließend untersucht man, bei welchen Wellenlängen der Stern besonders viel Strahlung aussendet.
Ich darf in diesem Zusammenhang an meinen Sommerartikel von vor zwei Jahren erinnern. „Die große Thermoskanne“ ging bei euch total durch die Decke.
Ein relativ kühler Stern erscheint also rötlich. Seine Oberflächentemperatur liegt oft nur bei 3.000 bis 4.000 Kelvin. Unsere Sonne strahlt gelblich-weiß und erreicht etwa 5.800 Kelvin. Besonders heiße Sterne leuchten blauweiß und können Temperaturen von 20.000, 30.000 oder sogar mehr als 50.000 Kelvin besitzen.
Die Farbe eines Sterns verrät bereits viel über seine Temperatur. Astronomen sprechen dabei von der sogenannten Schwarzkörperstrahlung. Ein idealer Schwarzkörper würde Strahlung ausschließlich aufgrund seiner Temperatur aussenden. Reale Sterne weichen zwar etwas davon ab, folgen diesem Prinzip aber erstaunlich gut.
Noch genauer wird die Temperaturbestimmung durch die Analyse der Spektrallinien. Bestimmte chemische Elemente hinterlassen charakteristische Fingerabdrücke im Licht eines Sterns. Die Stärke dieser Linien hängt unter anderem von der Temperatur ab. So können Astronomen oft auf wenige Prozent genau bestimmen, wie heiß die Oberfläche eines Sterns ist.
Natürlich misst man damit nur die Temperatur der sichtbaren Oberfläche, der sogenannten Photosphäre. Im Inneren eines Sterns herrschen ganz andere Bedingungen. Im Zentrum unserer Sonne werden etwa 15 Millionen Kelvin erreicht. Dort verschmelzen Wasserstoffkerne zu Helium, und genau diese Kernfusion liefert die Energie, die schließlich als Sonnenlicht bei uns ankommt.
Epilog
Wenn wir also nachts zu den Sternen aufblicken, sehen wir nicht nur kleine Lichtpunkte am Himmel. Wir sehen gewissermaßen riesige natürliche Thermometer. Allein aus ihrem Licht können wir herausfinden, wie heiß ihre Oberflächen sind, woraus sie bestehen und sogar, wie sie sich im Laufe ihres Lebens entwickeln werden.
Das ist vielleicht eine der schönsten Leistungen der Astronomie: Temperaturen von Objekten zu bestimmen, die so weit entfernt sind, dass wir sie niemals direkt erreichen können. Ein Thermometer braucht man dafür nicht – ein wenig Physik und das Licht der Sterne genügen.
Messen bedeutet nicht immer, etwas direkt wahrzunehmen.
Niemand hat jemals ein Thermometer in die Sonne gehalten. Niemand wird die Oberfläche eines fernen Sterns berühren oder seine Hitze mit der Hand fühlen können. Trotzdem kennen wir seine Temperatur oft erstaunlich genau. Wir beobachten, messen und interpretieren die Spuren, die er hinterlässt.
Eigentlich ist das eine Arbeitsweise, die weit über die Astronomie hinausgeht. Oft erschließen wir uns die Welt nicht durch unmittelbare Wahrnehmung, sondern indem wir Informationen sammeln und richtig deuten. Aus Licht wird eine Temperatur, aus einigen Spektrallinien die Geschichte eines Sterns.
Vielleicht fasziniert mich Astronomie deshalb so sehr. Sie zeigt, wie viel wir über Dinge erfahren können, die scheinbar unerreichbar sind.
Und so führt die Geschichte der Temperaturmessung vom Quecksilberthermometer auf der Fensterbank bis zu den Sternen am Nachthimmel. Die Werkzeuge haben sich verändert, die Neugier dahinter ist dieselbe geblieben.
Aus Licht wird eine Temperatur, aus einigen Spektrallinien die Geschichte eines Sterns.
und letztlich wird beim Sternenonkel oft eine elektromagnetische Welle zum Geräusch oder Weltraumsound.