John James Waterston

Bedeutung und Grundidee

John James Waterston (* 1811 in Edinburgh; † 18. Juni 1883 ebenda) war ein schottischer Physiker. Er gilt als Pionier der kinetischen Gastheorie. Diese Theorie erklärt Eigenschaften von Gasen durch die Bewegung vieler kleiner Teilchen, also Moleküle.

Waterston entwickelte wichtige Gedanken dazu früher als die später bekannter gewordenen Forscher Rudolf Clausius und James Clerk Maxwell. Seine Arbeiten wurden zu seinen Lebzeiten jedoch kaum beachtet oder abgelehnt, sodass seine Beiträge lange vergessen blieben.

Ausbildung und frühe Arbeit

Waterston wurde als sechstes von neun Kindern in Edinburgh geboren. Seine Familie war von Literatur, Wissenschaft und Musik geprägt. Er besuchte die Edinburgh High-School und begann danach eine Lehre als Bauingenieur bei Grainger and Miller. Seine Arbeitgeber ermutigten ihn, Vorträge an der Universität von Edinburgh zu besuchen.

Dort studierte er Mathematik und Physik bei Sir John Leslie und hörte außerdem Vorlesungen in Chemie, Anatomie und Chirurgie. Er wurde auch aktives Mitglied einer studentischen Literaturgesellschaft.

Mit 19 Jahren veröffentlichte Waterston eine Schrift, in der er eine mechanische Erklärung der Gravitation vorschlug. Fernwirkung sollte darin durch kollidierende Teilchen erklärt werden. Dabei diskutierte er Zusammenhänge zwischen geradliniger Bewegung und Rotationsbewegung, die später für seine kinetische Theorie wichtig wurden.

Mit 21 Jahren ging er nach London und arbeitete als Vermesser für Eisenbahngesellschaften. Weil diese Arbeit viel Reisen erforderte und wenig Zeit für Studien ließ, wechselte er später in die Abteilung für Gewässerkunde der Admiralität unter Francis Beaufort. Beaufort schlug ihn 1839 als Ausbilder der Kadetten der Ostindiengesellschaft vor. Diese Stelle gab Waterston mehr Gelegenheit, eigene Forschungen zu verfolgen.

Kinetische Gastheorie

Während seiner Zeit in Indien entwickelte Waterston unabhängig von Daniel Bernoulli und John Herapath seine kinetische Gastheorie. Er veröffentlichte sie 1843 auf eigene Kosten in dem Buch Thoughts on the Mental Functions.

Waterston leitete aus seinen Annahmen mehrere wichtige Folgerungen ab. Er erkannte, dass der Gasdruck von der Anzahl der Moleküle N, der Molekülmasse M und der quadratisch gemittelten Teilchengeschwindigkeit abhängt. Die im Artikel angegebene Beziehung lautet:

P = NMv²̄

Dabei bezeichnet v²̄ die quadratisch gemittelte Teilchengeschwindigkeit.

Waterston erkannte außerdem, dass die kinetische Energie eines einzelnen Moleküls mit der Geschwindigkeit v genau ½mv² ist. Kinetische Energie ist Bewegungsenergie. Er stellte auch einen Zusammenhang zwischen Wärme, Energie und Temperatur T her. Daraus leitete er für ein ideales Gas das Gesetz ab:

PV/T = a constant

Ein ideales Gas ist ein vereinfachtes Modell eines Gases, bei dem die Teilchenbewegung zur Erklärung der Gasgesetze verwendet wird.

Äquipartition und Wärme

Waterston dachte auch über eine Wellentheorie der Wärme nach, ähnlich der Wellentheorie des Lichtes. Dabei bezog er sich auf Experimente von James David Forbes und Macedonio Melloni zur Wärmestrahlung.

Eine seiner Aussagen wurde als erste Feststellung des Äquipartitionstheorems angesehen. Das Äquipartitionstheorem beschreibt die gleichmäßige Verteilung von Energie auf Bewegungsformen in einem System. Waterston formulierte, dass in Mediengemischen die quadratisch gemittelte Teilchengeschwindigkeit umgekehrt proportional zum spezifischen Gewicht der Moleküle sei.

Ablehnung und spätere Jahre

Waterstons Veröffentlichung hatte zunächst kaum Einfluss, möglicherweise auch wegen ihres ungewöhnlichen Titels. 1845 reichte er seine Theorie bei der Royal Society ein, doch sie wurde zurückgewiesen. Sir John William Lubbock schrieb dazu: „Diese Arbeit ist nichts als Unsinn.“

Da Waterston keine Kopie seiner eingereichten Arbeit hatte, musste er sie neu schreiben und versuchte, sie anderswo zu veröffentlichen. Die Arbeit fand nur geringes Interesse bei William John Macquorn Rankine und Hermann von Helmholtz. Über sie könnte sie möglicherweise August Krönig beeinflusst haben.

Die kinetische Gastheorie wurde erst anerkannt, als Rudolf Clausius und James Clerk Maxwell in den 1850er Jahren ihre Arbeiten veröffentlichten. Zu diesem Zeitpunkt waren Waterstons Beiträge bereits vergessen.

1857 kehrte Waterston nach Edinburgh zurück. Er arbeitete weiter an physikalischen Ideen, stieß aber auf Ablehnung und Nichtbeachtung durch das wissenschaftliche Establishment. Dies wurde durch sein zunehmendes Einsiedlertum und seine Feindseligkeit gegenüber gelehrten Gesellschaften verstärkt. Er beschäftigte sich weiterhin mit Akustik, Astronomie, Mechanik der Flüssigkeiten und Thermodynamik. 1883 starb er in der Nähe von Edinburgh.