Das Vakuum

Wir befinden uns im "Palais de la Découverte", im Saal der Fluide...und wollen einige Experimente aus dem 17. Jahrhundert nachvollziehen, in denen es um das Vakuum geht.

Kamil Fadel
Genau in dieser Zeit hat Otto von Guericke auch die Vakuumpumpe erfunden, denn bis dahin gab es nur Pumpen zum Absaugen von Wasser. Als dann aber die Vakuumpumpe zur Verfügung stand, dachten sich die Wissenschaftler zahlreiche Experimente aus, um den Bereich Luft und Vakuum zu erforschen.
Dank dieser Versuche wurde verständlich, wie die Luft, beziehungsweise Gase ganz allgemein beschaffen sind. Außerdem wurde klar, was bei Gasen der Begriff Druck überhaupt bedeutete.
Im 17. Jahrhundert - um 1640 - wurde dann nach der Erfindung der Vakuumpumpe das folgende Experiment durchgeführt:
Ein Glasbehälter mit zwei Litern Luft wird mit einem Zapfen verschlossen. Der mit zwei Litern Luft gefüllte Behälter samt Zapfen ist genauso schwer wie das Gegengewicht an der Waage. Mit einer Pumpe sauge ich nun die Luft aus dem Behälter ab. Natürlich kann eine solche Pumpe nicht die gesamte Luft herausziehen, aber sie schafft immerhin eine Reduzierung um Faktor 1000, das heißt, im Behälter ist 1000 Mal weniger Luft als zuvor.
Jetzt gibt es zwei Möglichkeiten: Entweder hat Luft ein Gewicht, dann ist der Behälter nun leichter als vorher oder aber Luft wiegt nichts, dann werden wir keine Änderung feststellen und die Waage bleibt im Gleichgewicht. Ich schließe nun das Ventil... und schalte die Pumpe aus.
Jetzt können wir das Gewicht des Behälters ohne Luft mit dem Gegengewicht an der Waage vergleichen. Der Behälter wiegt eindeutig weniger, womit bewiesen ist, dass Luft ein Gewicht besitzt. Ich öffne nun das Ventil, der Behälter füllt sich wieder mit Luft, und unsere Waage zeigt das selbe Ergebnis an wie vor dem Einsatz der Pumpe.

Im Jahre 1640 begreift man also, dass Luft etwas wiegt, und ungefähr 100 Jahre später - um 1740 - entdeckt Daniel Bernouilli, dass sie außerdem aus kleinen Körnchen besteht, aus winzigen Teilchen - den Molekülen. Und man erkennt auch, dass diese Moleküle nicht unbeweglich sind, sie zappeln unaufhörlich. Aus diesem Grund stoßen sie permanent aneinander, aber nicht nur das, sie prallen auch auf jeden Gegenstand, der sich ihnen in den Weg stellt. Dieses Stückchen Cellophan hier in meiner Hand wird in jeder Sekunde von Milliarden und Abermilliarden von Molekülen bombardiert. Das Blatt wird nur deshalb nicht nach dieser Seite weggedrückt, weil es auch aus der entgegengesetzten Richtung ständig mit Molekülen beschossen wird. Wenn ich hier die Luft aber wegnehmen, wird das Cellophan in diesem Bereich von deutlich weniger Molekülen attackiert als zuvor; auf der anderen Seite jedoch prallen noch genausoviele Teilchen dagegen. Darum wird das Blatt in diese Richtung ausgelenkt. Ich setzte nun die Pumpe in Gang; die Luft wird durch diese Öffnung hier abgesaugt. Wir entziehen dem zylindrischen Behälter, der mit einem Stück Cellophan abgedeckt ist, also die Luft. Nun treffen auf die untere Seite des Cellophans deutlich weniger Moleküle als auf seine Oberseite... Ich schalte die Pumpe ein.

Das Cellophan wurde in den zylindrischen Behälter hineingezogen. Ich werde jetzt das gleiche Experiment noch einmal durchführen, nur mit dem Unterschied, dass ich nun dafür sorge, dass sich das Stück Cellophan nicht nach innen wölben kann. Dazu halte ich es ganz einfach fest. Es treffen wieder sehr viel mehr Moleküle auf die obere Seite des Blattes als auf seine Unterseite. Irgendwann kann es dem Druck nicht mehr standhalten und zerreißt. Nun kann die Luft von außen in den zylindrischen Behälter hineinströmen.

Mit der eben erwähnten Hypothese von Daniel Bernouilli, nach der die Moleküle beweglich sind, permanent aufeinanderstoßen und auch gegen alle möglichen anderen Gegenstände prallen, läßt sich auch das Ballon-Experiment von Boyle erklären, das wir uns nun anschauen wollen. Ich habe hier einen elastischen Gummihandschuh. In diesem Handschuh befindet sich Luft, die aber nicht entweichen kann, da der Handschuh keine Löcher hat. Ich lege ihn nun unter eine Glasglocke, aus der ich mit Hilfe dieser Öffnung Luft absauge. Normalerweise stößt die Luft im Innern des Handschuhs gegen seine Innenseite und die Luft außen gegen seine Außenseite. Wenn nun aber außen weniger Luft vorhanden ist, wird der Handschuh dort auch von deutlich weniger Molekülen beschossen. Aus diesem Grund beginnt der Handschuh sich aufzublähen. Das ist gleichbedeutend mit der Aussage, dass innen ein höherer Druck herrscht als außen.

Ich stelle die Pumpe nun ab und lasse ein ganz klein wenig Luft in die Glocke. Diese Luft läßt den äußeren Druck auf den Handschuh wieder ansteigen, so dass er nach und nach zusammenschrumpft und seine ursprüngliche Form zurückgewinnt.

Einige Jahre nach der Erfindung der Vakuumpumpe - oder der pneumatischen Maschine, wie sie damals genannt wurde - startet ihr geistiger Vater Otto von Guericke 1654 ein weiteres Experiment, das unter der Bezeichnung "Magdeburger Halbkugeln" große Berühmtheit erlangen sollte. Wir wollen dieses Experiment nun ebenfalls durchführen, allerdings im verkleinerten Maßstab. Ich habe hier zwei Halbkugeln.
Die untere ist mit einem Loch versehen, das über dieses Ventil hier mit dem inneren Hohlraum der Kugel verbunden ist. Das Ventil ist derzeit geöffnet. So können wir aus der Kugel die Luft absaugen. Ich setzte die Pumpe in Gang. Nun ist die Kugel nahezu luftleer. In ihrem Innern befinden sich jetzt fast keine Moleküle mehr, die gegen die Innenseite stoßen könnten. Außen hingegen ist genügend Luft vorhanden, und diese Luftmoleküle bewegen sich heftig. Sie stoßen gegeneinander und prallen auch auf diese Halbkugel, und zwar von oben nach unten. Der untere Teil der Kugel wird ebenfalls von Molekülen bombardiert, in diesem Fall von unten nach oben.
Auf diese Weise werden die beiden Halbkugeln fest aufeinandergepreßt. Im Sockel selbst ist auch keine Luft mehr vorhanden. Ich stelle die Pumpe nun ab und lasse wieder Luft in den Sockel hineinfließen. Aber diese Luft kann nicht in die Kugel strömen, weil das Ventil noch geschlossen ist. Es ist sehr schwierig, die beiden Halbkugeln voneinander zu trennen, es ist zwar nicht unmöglich, aber doch sehr schwer. Man könnte sagen, dass die beiden Teile von der Luft fest aufeinander gepreßt werden, aber eigentlich ist der Luftdruck - der atmosphärische Druck - dafür verantwortlich. Wenn ich nun das Ventil öffne, wird die Kugel wieder mit Luft gefüllt. Jetzt ist es kein Problem mehr, die beiden Teil voneinander zu trennen. Ich öffne einfach das Ventil.... und kann die beiden Halbkugeln ganz leicht auseinanderziehen.

Wir haben eine ganze Reihe von Experimenten aus dem 17. Jahrhundert gesehen, mit denen wir unterstreichen konnten, dass - entgegen der allgemeinen Lehre - die Natur nicht vor dem Vakuum zurückschreckt. Heute weiß man, dass im Vakuum eine ganze Menge passieren kann. Und tatsächlich ist erwiesen, dass ein solches Milieu ständig in Bewegung ist, und dass dort unaufhörlich Materie-, das heißt Energiepartikel auftauchen und wieder verschwinden. Man weiß also, das Vakuum ist kein Nichts.