Edward Mills Purcell: Der Physiker, der den Wasserstoff singen hörte

An einem Dezembernachmittag im Jahr 1945, in einem Laborgebäude aus Kriegszeiten in Harvard, das noch nach Lötzinn und Radarteilen roch, richteten Edward Mills Purcell und zwei Kollegen eine Paraffinprobe auf einen Funkempfänger und fingen zum ersten Mal das schwache Absorptionssignal von Atomkernen ein, die in einem Magnetfeld kippten. Sie brauchten Wochen, um sich davon zu überzeugen, dass das Signal echt war. Es würde weitere drei Jahrzehnte dauern, bis die Medizin es in den MRT-Scanner verwandelte.

Ein Ingenieur aus dem Agrargürtel entdeckt die Physik

Purcell wurde am 30. August 1912 in Taylorville, Illinois, als Sohn von Edward A. Purcell und Mary Elizabeth Mills geboren und wuchs dort sowie im nahe gelegenen Mattoon auf, wo er öffentliche Schulen besuchte. Er kam an die Purdue University mit der Absicht, Elektroingenieur zu werden, und schloss sein Studium 1933 ab, aber eine Tätigkeit als Bachelor-Student in der Elektronendiffraktionsforschung unter Professor K. Lark-Horovitz lenkte ihn in Richtung Physik. Ein Jahr als Austauschstudent an der Technischen Hochschule in Karlsruhe, Deutschland, wo er bei Professor W. Weizel studierte, schärfte dieses Interesse weiter. Er kehrte für ein Aufbaustudium nach Harvard in die USA zurück, erwarb 1938 seinen Doktortitel und blieb kurzzeitig als Physiklehrer, bevor der Zweite Weltkrieg seine Karriere umgestaltete, wie es bei fast jedem Physiker seiner Generation der Fall war.

Radar am MIT

1940 trat Purcell dem MIT Radiation Laboratory bei, dem Eilprogramm, das Mikrowellenradar für die Kriegsanstrengungen der Alliierten entwickelte, und stieg zum Leiter seiner Gruppe für Grundlagenentwicklungen auf. Die Arbeit brachte ihn Schulter an Schulter mit I. I. Rabi und anderen Physikern zusammen, die molekulare und nukleare Eigenschaften durch Funkmethoden erforschten, und machte Purcell mit der Mikrowellenelektronik vertraut, die er für seine eigene Entdeckung in der Nachkriegszeit benötigen würde. Die Radarforschung war in gewissem Sinne eine fünfjährige Ausbildung in der Resonanzinstrumentierung, auch wenn niemand in dem Projekt an medizinische Bildgebung dachte.

Die Entdeckung der Kernspinresonanz

Nach dem Krieg kehrte er als außerordentlicher Professor nach Harvard zurück und arbeitete mit Robert Pound und Henry Torrey zusammen, um die Kernspinresonanzabsorption in Materie nachzuweisen – das Phänomen, bei dem Atomkerne in einem Magnetfeld Hochfrequenzenergie mit einer Frequenz absorbieren und wieder emittieren, die von ihrer lokalen chemischen Umgebung abhängt. Felix Bloch und seine Gruppe in Stanford entdeckten denselben Effekt unabhängig und fast gleichzeitig mit einer anderen Detektionsmethode, und die beiden Teams teilten sich den Nobelpreis für Physik 1952 "für ihre Entwicklung neuer Methoden für nukleare magnetische Präzisionsmessungen und damit verbundene Entdeckungen". Die Sprache des Nobelkomitees war trocken; die Konsequenz war es nicht. NMR gab Chemikern eine exakte, zerstörungsfreie Methode, um die Struktur von Molekülen zu lesen, und Jahrzehnte später wurde sie zur physikalischen Grundlage der Magnetresonanztomographie, die es Ärzten ermöglichte, ohne Skalpell oder Röntgendosis in einen lebenden Körper zu sehen. Purcell selbst wandte sich schnell den subtileren Ecken des Phänomens zu – Spin-Echo-Relaxation, Kernspinrelaxationszeiten und das seltsame, aber reale Konzept der negativen Spintemperatur, ein Ergebnis, das sich später als relevant für die Theorie des Lasers erweisen sollte.

Der Galaxie zuhören

Purcells wissenschaftliche Neugier machte nicht vor der Laborbank halt. Er sagte die Detektion der 21-Zentimeter-Funkemissionslinie von neutralen Wasserstoffatomen, die im interstellaren Raum verstreut sind, voraus und half dann bei ihrer Bestätigung – ein so schwaches Signal, dass seine Auffindung die Ausweitung derselben Resonanztechniken erforderte, die NMR auf astronomische Entfernungen erzeugt hatten. Die 21-Zentimeter-Linie ermöglichte es Astronomen, die Spiralstruktur der Milchstraße zum ersten Mal abzubilden, und begründete effektiv das Gebiet der Radioastronomie als systematische Disziplin. Es war ein seltener Fall, in dem die Labortechnik eines Physikers sowohl die Medizin als auch die Kosmologie innerhalb einer einzigen Karriere umgestaltete.

Professor, Lehrbuchautor, Präsidentenberater

Zurück in Harvard stieg Purcell 1949 zum ordentlichen Professor auf und erhielt schließlich den Titel eines Gerhard Gade University Professor. Er war Präsident der American Physical Society und gehörte der National Academy of Sciences und der American Academy of Arts and Sciences an. Sein wissenschaftlicher Ruf führte ihn in den Staatsdienst: Er saß ab 1957 unter Dwight Eisenhower im wissenschaftlichen Beirat des Präsidenten und beriet weiterhin John F. Kennedy und Lyndon Johnson; er war Teil der Generation von Physiker-Staatsmännern, die der Kalte Krieg nach Washington rief. Er hinterließ auch weit über seine eigenen Entdeckungen hinaus einen bleibenden Eindruck in der Physikdidaktik, indem er als Teil des Berkeley Physics Course das Lehrbuch Elektrizität und Magnetismus verfasste, ein von der NSF finanziertes Projekt der Sputnik-Ära, das bemerkenswert dafür ist, die spezielle Relativitätstheorie direkt in die Darstellung des Elektromagnetismus einzuflechten – eine pädagogische Entscheidung, die von Physiklehrern immer noch bewundert wird. Er ist auch für eine viel zitierte Vorlesung von 1976 mit dem Titel "Life at Low Reynolds Number" bekannt, die mit erstaunlicher Klarheit erklärte, warum Schwimmen auf mikroskopischer Ebene – etwa für ein Bakterium – ganz anderen physikalischen Regeln gehorcht als Schwimmen auf menschlicher Ebene, und das sogenannte Jakobsmuschel-Theorem für reziproke Bewegungen in viskosen Flüssigkeiten einführte. Zu den späteren Auszeichnungen gehörten die Oersted-Medaille im Jahr 1967 und die National Medal of Science im Jahr 1979.

Warum Edward ein Genie genannt wird

Das Argument, Purcell ein Genie zu nennen, stützt sich weniger auf einen plötzlichen Geistesblitz als vielmehr auf eine seltene Beständigkeit der Intuition beim Instrumentenbau, die auf völlig unterschiedliche Skalen angewendet wurde. Dieselbe Technik – das Anregen von Kernspins mit Radiowellen und das Lesen des schwachen Signals, das sie zurücksenden – ermöglichte es ihm, ein Laborphänomen mit sofortigem chemischem und medizinischem Nutzen zu finden und wenige Jahre später ein Flüstern von Wasserstoffatomen zu entdecken, die über die Galaxie verstreut sind. Kollegen und spätere Wissenschaftshistoriker haben auf diese Bandbreite sowie auf seine Fähigkeit hingewiesen, schwierige Physik in einfacher Sprache zu erklären, als Markenzeichen einer ungewöhnlich tiefen physikalischen Intuition und nicht nur als bloße technische Fertigkeit. Das ehrliche Gegenargument ist, dass Purcell die NMR nicht allein oder isoliert entdeckte: Felix Blochs Team erreichte die gleiche Physik unabhängig innerhalb von Wochen mit einer anderen Methode, und Purcell baute direkt auf der Radar-Kriegselektronik auf, die von Hunderten von Ingenieuren im MIT Radiation Laboratory entwickelt wurde. Sein Genie lag darin, zu erkennen, was ein vertrautes Stück Radargerät über das unsichtbare Innere der Materie offenbaren könnte – und dann diese Offenbarung in Lehrbüchern und Vorlesungen so klar zu erklären, dass sie für die nächste Generation von Physikern zum Allgemeinwissen wurde.

Vermächtnis

Purcell starb am 7. März 1997 in Cambridge, Massachusetts, im Alter von vierundachtzig Jahren. Die Technik, die er in einem umgebauten Radarlabor mitentdeckte, befindet sich heute in MRT-Suiten in Krankenhäusern und Chemieabteilungen weltweit, und die von ihm entwickelte Methode zur Himmelskartierung bleibt ein Arbeitswerkzeug der Radioastronomie – ein seltener Fall, in dem die Erkenntnis eines Physikers Medizin und Kosmologie gleichzeitig umgestaltet hat.