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15. Dezember 2005

Ein Effekt, der die Welt bewegte (Altes Medizinisches Wien 71)

Selbst in seinen kühnsten Träumen hätte sich der Visionär Christian Doppler kaum vorstellen können, welche Bedeutung seine Entdeckung einmal für die gesamte Menschheit haben würde. Welche Wellen die an Umfang kleine Schrift „Über das farbige Licht der Doppelsterne“ einmal schlagen würde. Seine geniale Idee erlangte in fast allen Bereichen unseres Lebens fundamentale Bedeutung.

Die wahrscheinlich wichtigste Entdeckung der Astronomie im 20. Jahrhundert, basierend auf dem Doppler-Effekt, machte Edwin Hubble anno 1929: Das Weltall dehnt sich aus. Aus der Verschiebung der Spektren von Spiralgalaxien zum roten Ende des Spektrums – der berühmte „red shift“, gedeutet als Doppler-Effekt – schloss er, dass sich alle Galaxien, mit Ausnahme der lokalen Gruppe, von uns entfernen. Diese Entdeckung revolutionierte das gesamte Weltbild und bildete die Grundlage für das heute weitgehend anerkannte Urknall-Modell zur Entstehung unseres Universums. Nicht nur die Astronomie und Kosmologie wurden durch die geniale Idee Dopplers revolutioniert. Sie erlangte in fast allen Bereichen unseres Lebens – beinahe von der Befruchtung bis zum Hirntod – fundamentale Bedeutung.

Experimenteller Beweis

1845, am Bahndamm der gerade erst fertig gestellten Eisenbahnstrecke von Utrecht nach Marsden, ließ der holländische Physiker Christoph H. D. Buys-Ballot Musiker mit geschultem Gehör aufstellen. Auf einer Dampflokomotive, dem damals schnellsten verfügbaren Fahrzeug, postierte er Trompeter mit exakt gestimmten Instrumenten, die beim Vorbeifahren an den Beobachtern einen bestimmten Ton spielen mussten. Obwohl der Lärm der Lokomotive fast die Trompeter übertönte, gelang das Experiment. Die Beobachter am Bahndamm hörten bei Annäherung der Lok den gespielten Ton um einen halben Ton höher. Was Buys-Ballot hier erstmals im Experiment bewies, gilt heute als Jahrtausendeffekt: der Doppler-Effekt. Drei Jahre vorher hatte Christian Doppler (1803 bis 1853) diesen Effekt vorhergesagt und eine einfache mathematische Formel für die Änderung der Tonhöhe in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit angegeben.

In Dopplers Arbeit „Über das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels“ hatte er diesen Effekt zwar als Erklärung für die Farben der Sterne gedacht und sich damit geirrt, aber seine Idee war richtig. Bis an sein Lebensende 1852 war Doppler davon überzeugt, dass die Farben der Sterne von ihrer Geschwindigkeit bestimmt sind. Wissenschaftshistoriker weisen heute darauf hin, dass Doppler diesen Fehler leicht hätte erkennen können, wenn er die Literatur seiner Zeit gewissenhaft studiert und selbst astronomische Beobachtungen gemacht hätte. Aber Doppler war eben kein Astronom, sondern Mathematiker und Physiker und außerdem ein Genie. Er lag zwar in diesem speziellen Fall falsch, aber seine Idee erwies sich als genial und richtig.

Zweitberühmtester Salzburger

Christian Doppler wurde 1803 in Salzburg als Sohn einer alteingesessenen Steinmetzfamilie geboren. Körperlich eher schwächlich, schien er dem Vater als Steinmetz nicht geeignet und so ließ dieser ihn – ein Lehrer hatte seine mathematische Begabung erkannt – am Polytechnischen Institut in Wien, heute Technische Universität, studieren. Nach Abschluss seiner Studien war er hier auch einige Jahre als Assistent tätig. Da seine Assistentenstelle zeitlich befristet war und nicht verlängert wurde, musste er sich als Buchhalter einer Spinnerei in Bruck an der Leitha durchschlagen. Eine Stelle, die seiner Ausbildung entsprach, war trotz verzweifelter Suche nicht zu finden.

Beinahe wäre das Doppler-Prinzip eine amerikanische Entdeckung geworden. Der unglückliche Doppler hatte bereits alles in die Wege geleitet, um nach Amerika auszuwandern, als er endlich eine Stelle als Professor für Mathematik und Handelsbuchhaltung in Prag bekam. Hier bewährte er sich so gut, dass man ihn 1841 zum Professor für höhere Mathematik und praktische Geometrie am Technischen Institut in Prag ernannte. Am 25. Mai 1842 stellte er sein Buch „Über das farbige Licht der Doppelsterne“ bei einem Treffen der naturwissenschaftlichen Sektion der böhmischen Gesellschaft der Wissenschaften vor. In diesem Werk beschrieb und berechnete er den Effekt, der ihn weltberühmt machen sollte. Nach kurzem Intermezzo als Kaiserlich-Königlicher Bergrat und Professor für Mathematik, Physik und Mechanik in Chemnitz kehrte er 1849 zurück, um Professor am Polytechnischen Institut in Wien zu werden. Ein Jahr später ernannte ihn Kaiser Franz Joseph zum Direktor des neuen physikalischen Institutes der Universität Wien in Erdberg.

Ein weltberühmter Schüler

Hier erteilte Doppler auch einem Augustinermönch aus Brünn Privatunterricht für die Lehramtsprüfung. Die Prüfung schaffte der Zögling zwar nicht, aber das Prinzip der Wahrscheinlichkeitstheorie und Kombinatorik scheint er von seinem Lehrer übernommen zu haben. Der Name des 28-jährigen Ordensbruders war Johann Gregor Mendel, der später als Begründer der Genetik in die Geschichte einging.

Im Jahr 1852 verschlechterte sich der Gesundheitszustand Dopplers. Er konnte seinen Lehrverpflichtungen nicht mehr nachkommen und musste auf dringendes Anraten seines Arztes einen Krankenurlaub am Meer antreten. Doppler entschied sich für Venedig. Die Tuberkulose war aber bereits zu weit fortgeschritten. Doppler starb am 17. März 1853 und wurde am Friedhof San Michele in Venedig bestattet. Der Doppler-Effekt findet heute praktische Anwendung bei der Geschwindigkeitsüberwachung mittels Verkehrsradar, bei Navigationsverfahren, in der Meteorologie, Erdvermessung, Temperaturmessungen von Gasen und nicht zuletzt im Einsatz des Doppler-Prinzips in der Medizin. Der Ultraschall, eine der wichtigsten bildgebenden Diagnostikverfahren in der Medizin, ist, in Kombination mit dem Doppler-Effekt – das Doppler-Prinzip gilt ja für alle elektromagnetischen Wellen ebenso wie für Schallwellen – heute „die“ Methode zur Darstellung und Messung hämodynamischer Verhältnisse im Körper. Und dies schmerzlos, nicht invasiv, ohne ionisierende Strahlen, mobil, beliebig oft wiederholbar und noch dazu kostengünstig.

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Neue Ära der Diagnostik

Mit dem von den Japanern Shigeo Satomura und Ziro Kenaka entwickelten „Doppler-Rheographen“ begann 1959 eine neue Ära in der medizinischen Diagnostik. Die technische Entwicklung der letzten Jahrzehnte hat Geräte und Techniken geschaffen, deren Einsatzmöglichkeiten vom 21. Tag nach der Befruchtung, dem Tag, an dem das Herz des Föten erstmals zu schlagen beginnt, bis zum Lebensende reicht. Die letzte Entwicklung auf diesem Gebiet ist die Gewebe-Doppler-Bildgebung, mit der Durchblutungsstörungen im Herzmuskel visuell dargestellt werden. Damit lässt sich etwa gesundes Herzmuskelgewebe von Narbengewebe unterscheiden. Es gibt kaum einen Ort im Körper, an dem die Doppler-Sonographie keine Anwendung findet, und kaum eine Fachrichtung der Medizin, die sich nicht der Ultraschall-Doppler-Sonographie bedient. Ohne diese Methode ist die Diagnostik in der Medizin heute absolut nicht mehr vorstellbar.

Seit 1988 würdigen der „Christian-Doppler-Fonds“ und das „Doppler-Institut für medizinische Wissenschaft und Technologie“ in Salzburg das Werk des nach Mozart bedeutendsten Salzburgers und fördert Entwicklungen in allen Wissensbereichen, deren Grundlagen auf dem „Doppler-Effekt“ beruhen. Leitgedanke dieses Fonds ist der Wahlspruch Christian Dopplers: „Die lohnendsten Forschungen sind diejenigen, welche, indem sie den Forscher erfreu’n, zugleich der Menschheit nützen“.

Wolfgang Regal/Michael Nanut, Ärzte Woche 16/2004

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