Geschichte des Magnetismus
Seit dem dritten vorchristlichen Jahrhundert erwähnen chinesische Quellen die anziehenden Eigenschaften des Magnetsteins , der häufig den Namen tzhu shih, der "liebende Stein", trägt, heißt es doch von ihm: "Der Magnet zieht das Eisen an, wie eine zärtliche Mutter ihre Kinder um sich versammelt; aus diesem Grunde hat er seinen Namen erhalten. Die ersten Kompasse, sogenannte magnetische Wagen oder "Wagen, die nach Süden zeigen" gab es in China spätestens seit dem ersten nachchristlichen Jahrhundert. Erst im 13. Jahrhundert, also zwölfhundert Jahre später, tauchen Kompasse im Abendland auf.
Auch in der griechischen Antike ist der Magnetstein* bekannt, doch konnte man sich seine rätselhafte Kraft nur schwer erklären. Plato (428 - 347 v. Chr.) hielt sie für göttlich. S0 erstaunlich gierig zog der Magnetstein Eisen an, daß er zu leben schien. Thales und Anaxagoras schrieben sogar ihm eine eigene Seele zu.
Auch in späteren Jahrhunderten kam man mit der Erklärung nicht weiter. S0 hielt Alexander Aphrodiseus, ein Denker um 200 n. Chr., die Frage nach dem Magneten für unlösbar. Sieben Jahrhunderte später heißt die resignierende Antwort auf die Frage, warum der Magnetstein das Eisen anziehe, nur: "weil er eine natürliche Kraft dazu hat".
Solche Rätsel haben stets die Phantasie beflügelt, und so fand die alte Schiffersage vom Magnetberg, der alle mit Eisen versehenen Schiffe an sich zieht, um sie zerschellen zu lassen, weite Verbreitung in den Erzählungen vieler Kulturen. Bis ins 16. Jahrhundert hinein blieb der geheimnisvolle Magnetstein mirakulöser Inhalt von Sagen. Vom Diamanten, der den Magnetstein entkräftet bis zum Knoblauch, der, von den Seeleuten verzehrt, den Kompaß betäubt und somit das Schiff vom Kurs abbringt, reichen die Vorstellungen.
Auf den Menschen könne der Magnet verschieden wirken. So glaubte man, daß ein unter das Kopfkissen einer untreuen Frau gelegter Magnetstein die Kraft habe, diese aus dem Bett zu schleudern. Einbrecher hätten die magische Kraft für ihre finsteren Zwecke benutzten können. Denn würden Magnetstückchen auf glühende Kohlen gestreut und diese in Zimmern verteilt, so verbreite sich ein Qualm, der die Bewohner des Hauses in die Flucht jage und dem Dieb Zeit lasse, die Wertsachen an sich zu nehmen.
Dem Magneten wurde auch heilende Wirkung zugeschrieben. In der Hand gehalten, heile er Schmerzen und Krampf der Füße; geglüht und gepulvert, lindere er Brandschäden der Haut.
Als älteste experimentalphysikalische Darstellung des Magnetismus gilt die im 13. Jahrhundert verfaßte Schrift des französischen Gelehrten Petrus Peregrinus, der feststellen konnte, daß die Nord- und Südpole zweier Magnete sich anziehen, während gleichnamige Pole sich abstoßen. Wenn man einen Magneten zerbricht, so entstehen zwei Magnete mit je zwei Polen: einen Pol allein zu erhalten, sei nicht möglich. Noch weitere Erkenntnisse gewann Peregrinus: Aus einem großen Magneteisenstein hatte der Forscher eine Kugel gebildet. Eine eiserne Nadel wird vom einem Magneten so angezogen, daß sie sich stets nach den Polen richtet. Er legte sie auf verschiedene Stellen der Kugel und zog der Nadel entlang Striche rings um den Stein. Diese schnitten sich an den Polen wie die Meridiane des Globus. Doch konnte Peregrinus, der mit seiner Kugel nicht die Erde (diese hielt man für eine flache Scheibe), sondern das Himmelsgewölbe nachzustellen versuchte, aus dieser Analogie nicht den richtigen Schluß ziehen, daß sich die Erde wie ein riesiger Magnet verhält. Immerhin bezog er nicht, wie andere es taten, die Ausrichtung der Nadel auf die Anziehungskraft nördlich gelegener Magneterzgruben oder auf die des Polarsterns, sondern auf eine Kraft, die von den "Himmelspolen" ausginge, um die sich, wie man damals glaubte, das Himmelsgewölbe über der ruhenden Erde drehte.
Die systematische, im heutigen Sinn wissenschaftliche Erforschung des Magnetismus nimmt ihren Anfang mit dem im Jahre 1600 veröffentlichten lateinischen Werk "De Magnete" (Über den Magneten) des englischen Wissenschaftlers William Gilbert. Inzwischen wurden viele grundlegende Eigenschaften magnetischer Werkstoffe entdeckt, und die Ursache und Auswirkung eines magnetischen Feldes konnte weitgehend aufgeklärt werden. Doch bleiben auch heute noch viele Fragen offen.
So hat man den Verlauf des erdmagnetischen Feldes und seine Stärke sehr genau messen können, doch sein Ursprung oder seine Auswirkungen auf Tiere und Pflanzen müssen noch näher begründet werden.
Besonders rätselhaft sind die "magnetischen Monopole", Erscheinungen, die, wie man in der Schule lernte, es eigentlich gar nicht gibt. Seit Petrus Peregrinus glaubte man zu wissen, daß das Charakteristikum aller Magnete ihre Zweipoligkeit ist. Der englische Nobelpreisträger Paul Dirac war es, der 1931 erstmals mit dem Gedanken spielte, es könne ein Elementarteilchen geben, das einem Monopol entspräche. Nach diesen Exoten suchen die Experimentalphysiker noch heute in der Hoffnung, durch ihren Nachweis Antworten auf einige noch ungeklärte Fragen der Kernphysik zu finden.
Im folgenden soll skizziert werden, wie und wo es den Wissenschaften gelungen ist, einige "Geheimnisse" des Magnetismus zu lüften, und wo noch weiter geforscht werden muß.
Veränderungen und Umpolungen - Das Rätsel des geomagnetischen Feldes
1905 zählte Albert Einstein den Erdmagnetismus zu den fünf wichtigsten unbeantworteten Fragen der Physik. Heute wartet die Frage seiner Entstehung noch immer auf eine allumfassende Erklärung.
Naturgemäß können nur wenige Aussagen über das Innere der Erdkugel als gesichert gelten. Die Vorgänge im Erdkern können weder beobachtet, noch der dort herrschende Druck und die Temperatur im Labor nachgebildet werden. Um über auf Messungen Seismologische riesigen Kugel der Größe des den Erdkern fundierte Aussagen machen zu können, ist man angewiesen, die von der Erdoberfläche aus durchführt werden. Beobachtungen deuten darauf hin, daß der Erdkern aus einer mit einem Durchmesser von 3485 Kilometern, also etwa von Planeten Mars, besteht. Im Mittelpunkt des Erdkerns liegt der feste innere Kern, der einen Radius von rund 1200 Kilometern hat. Der Druck in diesen Tiefen steigt auf das 1,3 bis 3,5millionenfache des atmosphärischen Drucks auf der Erdoberfläche. Die Temperaturen liegen schätzungsweise zwischen 4.000 und 5000 Grad Celsius.
Ebenso schwierig wie das Gewinnen von Erkenntnissen über den Erdkern ist die Aufstellung einer Theorie über den Ursprung des Magnetfeldes. Uns trennt der Erdmantel, eine immerhin rund dreitausend Kilometer dicke Materieschicht, von der äußersten Zone des Erdkerns. Wir kennen und wissen nicht, wie das Feld dort aussieht oder wie es entsteht. Es wird vermutet, daß es zehnmal stärker in der Nähe des Erdkerns als an der Erdoberfläche ist.
Indirekt kann man aber über den Ursprung des Feldes Aussagen machen, indem man das heutige Magnetfeld beobachtet. Die Messungen geben wertvolle Erkenntnisse über das kurzfristige Verhalten des Feldes, zum Beispiel über seine Gestalt und über die sogenannten Säkularvariationen, das sind die gewöhnlichen Schwankungen in Zeiträumen von Jahrzehnten und Jahrhunderten. Hierüber geben aber auch historische Quellen Auskunft. So haben Wissenschaftler Erkenntnisse über frühere geomagnetische Feldstärken mit Hilfe musealer Exponate und Sammlungsstücke gewinnen können. Töpfererzeugnisse, die zum Teil ein Alter von 6000 Jahren haben, wurden von chinesischen Forschern untersucht, die zu dem Ergebnis kamen, daß etwa vor 2000 Jahren das magnetische Feld ein Maximum erreichte, das etwa 50% höher lag als das heutige Feld.
Seit dem achtzehnten Jahrhundert wurden zu Navigationszwecken detaillierte Karten erstellt, aus denen sich Stärke und Richtung des geomagnetischen Feldes ablesen lassen. Die Karten zeigen aber auch, wie sich das Feld in den letzten drei Jahrhunderten verändert hat. Zu verzeichnen ist eine allmähliche, gleichmäßige Abnahme der Feldstärke, die, wenn sie andauern würde, zu ihrem völligen Verschwinden in etwa 1500 Jahren führen würde. Die Karten zeigen außerdem eine langsame Verschiebung einiger unregelmäßiger Wirbel des Feldes in westlicher Richtung um etwa einen Längengrad alle fünf Jahre. In diesen Wirbeln weicht eine Magnetnadel mehr oder weniger stark von der Nord-Süd-Richtung ab.
Um das paläomagnetische Feld (das ist das Feld, wie es vor Millionen von Jahren ausgesehen hat) studieren zu können, muß man die Gesteine der Erdkruste untersuchen. Hierzu wird das Alter des Gesteins radiometrisch datiert und die Orientierung seiner magnetisierten Einschlüsse bestimmt, die die Richtung des Magnetfeldes zur Zeit der Gesteinsbildung wiedergeben. Diese paläomagnetischen Zeugnisse erweisen, daß die Erde mindestens seit 3,6 Millionen Jahren ein Magnetfeld besitzt. Während dieser Zeit hat sich die Stärke des Feldes mehrfach verändert. Belegt ist auch, daß sich das Magnetfeld der Erde mehrfach umgepolt hat.
Bereits 1906 hatte der französische Physiker Bernhard Brunhes, der solche Gesteine entdeckt hatte, die Theorie über die Umpolung des Magnetfeldes aufgestellt. Seine These löste über ein halbes Jahrhundert lang eine heftige Debatte aus. Erst als in den sechziger Jahren Untersuchungen von radiometrisch datierten Lavasteinen ausgewertet wurden, wurde es in der Geophysik als sicher angenommen, daß das Magnetfeld der Erde sich umkehren kann. Zwei Polaritätszustände können existieren. In dem einen, der vereinbarungsgemäß als "normaler" Zustand bezeichnet wird, zeigt die nach Norden gerichtete Kompaßnadel auf den magnetischen Nordpol. Im "reversen" oder Umkehr-Zustand wäre sie auf den magnetischen Südpol gerichtet.
Als gesichert gilt, daß es in den letzten 3,6 Milliarden Jahren zu neun wichtigen Umpolungen gekommen ist, wobei die jüngste vor etwa 730 000 Jahren stattfand. Das erdmagnetische Feld kippt nicht schlagartig von einem Polaritätszustand in den anderen um, sondern schwindet allmählich bis es in eine neutrale, magnetfeldfreie Phase eintritt, in der es etwa 1000 Jahre verharrt. Danach kann es in seinen ursprünglichen Polaritätszustand zurückkehren oder aber in den entgegengesetzten Zustand wechseln. 98 Prozent der Zeit bleibt das Feld stabil.