Edward Victor Appleton: Der Mann, der den verborgenen Spiegel des Himmels benannte

In einer Winternacht des Jahres 1924 saß ein in Bradford geborener Physiker in einer Empfangshütte außerhalb von Oxford und drehte langsam am Einstellrad eines BBC-Senders, der sechzig Meilen entfernt stand. Er beobachtete, wie ein Signal stärker und schwächer wurde, in einem Rhythmus, der nichts mit der Bodenwelle zu tun hatte. Edward Appleton hatte gerade bewiesen, dass der Himmel selbst aus reflektierenden Schichten geladener Teilchen bestand – und damit gab er dem Radio, dem Radar und schließlich der Luftschlacht um England eine echte Chance.

Eine Kindheit in Bradford

Appleton war der Sohn eines Lagerhalters in Bradford, Yorkshire, und bahnte sich seinen Weg aus dem Gewöhnlichen durch Stipendien: Zuerst zur Hanson Boys' Grammar School, dann, mit achtzehn Jahren, brachte ihn ein Isaac Holden-Stipendium an das St John's College in Cambridge. Er machte 1913 seinen Abschluss in Naturwissenschaften und blieb für einen Master in Physik, angezogen von der Umlaufbahn zweier der prägendsten Experimentalphysiker der Ära, J. J. Thomson und Ernest Rutherford, am Cavendish Laboratory. Der Erste Weltkrieg unterbrach sein Studium: Im Januar 1915 wurde er zu den Royal Engineers eingezogen und verbrachte den Krieg damit, Armeefunker im Signals Depot in Fenny Stratford auszubilden – ein wenig glamouröser Posten, der ihn jedoch zu einem Experten für die praktische Anwendung des Radios machte.

Die Jagd nach dem schwindenden Signal

Nach dem Krieg zurück in Cambridge, schloss sich Appleton den Forschungsstipendiaten von Rutherford an und begann, über ein Problem nachzudenken, das jeder Rundfunktechniker bereits kannte und das niemand erklären konnte: warum Funksignale nach Einbruch der Dunkelheit stärker und schwächer wurden und manchmal ganz verschwanden. Im Jahr 1924, inzwischen Wheatstone-Professor für Physik am King's College London, führten er und ein Student, Miles Barnett, das Experiment durch, das seinen Namen berühmt machte. Unter Verwendung eines BBC-Senders und durch Variation seiner Wellenlänge, während er den Empfang in Oxford überwachte, entdeckte Appleton ein Interferenzmuster zwischen der direkten Bodenwelle und einem zweiten Signal, das von oben kam – der Beweis, dass Funkwellen von einer ionisierten Schicht der oberen Atmosphäre abprallten. Er berechnete deren Höhe mithilfe eines von ihm selbst entwickelten Frequenzmodulationsverfahrens und ging dann noch weiter: 1926 fand er eine zweite, höhere Schicht, die später ihm zu Ehren Appleton-Schicht genannt wurde. Sie liegt in 300 bis 400 Kilometern Höhe und ist in der Lage, die kürzeren Wellenlängen zu reflektieren, die den Kurzwellen-Fernfunk ermöglichen. Appleton war es, der dieser gesamten Region der Atmosphäre ihren heute üblichen Namen gab: die Ionosphäre.

Von der Physik zur Kriegsarbeit

Die praktische Bedeutung dieser Entdeckung wurde in den 1930er Jahren unausweichlich. Appletons magneto-ionische Theorie, die auf dem Elektromagnetismus von Lorentz und Maxwell aufbaute, ermöglichte es Ingenieuren vorherzusagen, wie sich Funkwellen im ionisierten Himmel verhalten würden – ein Wissen, das direkt in Robert Watson-Watts Entwicklung des Radars einfloss. Als das Nobelpreiskomitee später die Bedeutung zusammenfasste, waren sie unverblümt: Ohne Appletons Arbeit wäre das Radar „zu spät gekommen, um in der Luftschlacht um England von entscheidendem Nutzen zu sein“. Appleton blieb nicht bei der reinen Forschung stehen. 1936 wurde er nach Rutherfords plötzlichem Tod kommissarischer Direktor des Cavendish Laboratory, und 1938 wurde er zum Sekretär des Department of Scientific and Industrial Research ernannt, wodurch er effektiv für die Organisation der britischen Wissenschaft für den kommenden Krieg verantwortlich war. Ab 1941 leitete er Tube Alloys, das britische Projekt für Atomwaffen, ernannte James Chadwick zum Leiter der britischen Mission, die in das amerikanische Manhattan-Projekt eingebettet war, und empfahl später John Cockcroft zur Gründung der britischen Nachkriegsforschungseinrichtung für Atomenergie. Nebenbei fand seine Abteilung auch Zeit für Landungsboote, die Rollbombe, Flugzeugklebstoffe und die Entsalzung von Meerwasser – die wenig glamouröse Maschinerie des totalen Krieges.

Der Nobelpreis und die späteren Jahre

1947 wurde Appleton mit dem Nobelpreis für Physik „für seine Untersuchungen zur Physik der oberen Atmosphäre, insbesondere für die Entdeckung der sogenannten Appleton-Schicht“ ausgezeichnet. Zu diesem Zeitpunkt war er bereits 1941 zum Ritter geschlagen und von Regierungen von Norwegen bis Island und den Vereinigten Staaten für seine wissenschaftliche Führung im Krieg geehrt worden. 1948 verließ er die Forschungsverwaltung, um Principal und Vizekanzler der Universität Edinburgh zu werden, ein Amt, das er bis zu seinem Tod innehatte. Er beaufsichtigte das Wachstum der Universität von unter 4.000 auf mehr als 7.000 Studenten, setzte die umstrittene Sanierung des George Square zu einem modernen Universitätsgelände durch und hielt die Wissenschaft am Leben, indem er das Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics gründete und herausgab. Er publizierte bis in seine Sechziger hinein und stellte 1954 fest, dass das Verhalten der Ionosphäre mit der magnetischen Breite variierte, wobei er Daten aus Delhi und Baton Rouge verglich. Er starb im April 1965 in Edinburgh an einem Herzinfarkt, nur wenige Wochen nach der Hochzeit mit seiner zweiten Frau, Helen Allison, seiner früheren Privatsekretärin.

Warum Edward ein Genie genannt wird

Das Argument, Appleton ein Genie zu nennen, beruht auf einer spezifischen und überprüfbaren Art von Einsicht: Er nahm ein Ärgernis – das nervtötende Schwinden nächtlicher Funksignale, das jeder Funktechniker seiner Zeit einfach duldete – und erkannte darin die Signatur einer physikalischen Struktur, die niemand direkt gemessen hatte. Die Entwicklung des Frequenzmodulationsverfahrens zur Zeit- und Höhenbestimmung der Reflexion war ein Akt exakten, quantitativen Einfallsreichtums, keine glückliche Vermutung, und die Zwei-Schichten-Struktur, die er dann kartierte (und die magneto-ionische Theorie, die er zu ihrer Erklärung baute), hielt als brauchbares Ingenieurwissen stand, vor allem beim Radar. Die eigene Sprache des Nobelpreiskomitees – die ihm zuschreibt, dass seine Arbeit dazu beigetragen hat, die Luftschlacht um England rechtzeitig zu gewinnen – ist eine so starke externe Bestätigung der Bedeutung, wie man sie für physikalische Auszeichnungen nur bekommen kann. Das ehrliche Gegenargument ist, dass Appleton kein einsamer theoretischer Visionär nach dem Vorbild eines Einstein oder Dirac war: Sein Durchbruch war der Triumph eines Experimentalphysikers, der auf dem bestehenden Maxwell-Lorentz-Elektromagnetismus aufbaute und mit der Hilfe eines Studenten unter Verwendung eines gewöhnlichen Rundfunksenders ausgeführt wurde. Seine spätere Karriere, so beeindruckend sie war, gehörte eher der Verwaltung und Staatskunst in der Wissenschaft – die Organisation von Tube Alloys, die Leitung einer Universität – als weiteren originellen Entdeckungen. Das Genie liegt, wenn man so will, eng und präzise in den Jahren 1924 bis 1926: die Erkenntnis, die Methode und die Benennung einer Schicht des Himmels, von der niemand wusste, dass sie da war.

Vermächtnis

Appletons Name ziert heute einen Mondkrater, einen Turm in Edinburgh und das Rutherford Appleton Laboratory, das 1979 durch die Zusammenlegung der umbenannten Radio Research Station mit dem Labor entstand, das Rutherfords Namen trägt – passenderweise eine Verbindung von Lehrer und Schüler. Die Ionosphäre, die er kartierte, bleibt die Arbeitsgrundlage für Kurzwellenfunk und buchstäblich eine grundlegende Schicht der modernen Atmosphärenphysik.