Die Phlogiston-Theorie – Wunderbar falsch, aber phantastisch fruchtbar

Es gibt eine Art von Anhängern des Gnu-Atheismus und/oder des Szientismus, die eine sehr schwarz-weiße Einstellung zur Definition von Wissenschaft und auch zur Geschichte der Wissenschaft haben. Für diese Leute, und es gibt erstaunlich viele von ihnen, sind Theorien entweder richtig und damit wissenschaftlich und helfen dem Fortschritt der Wissenschaft oder falsch und damit nicht wissenschaftlich und behindern diesen Fortschritt. Aus der Sicht des Historikers kann diese Haltung oder dieser Standpunkt natürlich nur mit Unglauben betrachtet werden, da unser atheistischer Befürworter des Szientismus den Geozentrismus, die Phlogistontheorie und den Lamarckismus als falsch abtut und damit in den Mülleimer der Geschichte wirft, während er Kopernikus, Lavoisier und Darwin als Götter der Wissenschaft feiert, die uns aus dem Tal der Unwissenheit in die Sonne des rationalen Denkens geführt haben.

Ich habe diese Situation schon mehr als einmal angesprochen, aber als Wissenschaftshistorikerin denke ich, dass es eine Lektion ist, die in regelmäßigen Abständen wiederholt werden muss. Da es sich um die „National Chemistry Week 2015“ der American Chemical Society handelt, werde ich die Phlogiston-Theorie erneut untersuchen, deren Schöpfer Georg Ernst Stahl am 22. Oktober 1659 in Ansbach geboren wurde, das in Mittelfranken liegt, ganz in der Nähe meines Wohnortes.

Stahl hatte eine recht konventionelle Karriere: Von 1679 bis 1684 studierte er Medizin an der Universität Jena. 1687 wurde er Hofarzt des Herzogs von Sachen-Weimar und 1694 zum Professor der Medizin an der neu gegründeten Universität Halle ernannt, wo er bis 1715 blieb, als er Leibarzt von Friedrich Wilhelm I., König von Preußen, wurde. Stahl war wie die meisten Chemiker der Frühen Neuzeit von Beruf Arzt, die Chemie existierte nur im akademischen Kontext als Teildisziplin der Medizin.

Um die Phlogistontheorie zu verstehen, müssen wir zurückgehen und einen kurzen Blick auf die Entwicklung der Theorie der Materie seit den alten Griechen werfen. Empedokles führte im fünften Jahrhundert v. Chr. die berühmte Vier-Elemente-Theorie (Erde, Wasser, Luft und Feuer) ein, die in Europa bis in die frühe Neuzeit die grundlegende Theorie blieb. Im neunten Jahrhundert n. Chr. fügte Abu Mūsā Jābir ibn Hayyān den vier Elementen Schwefel und Quecksilber als Prinzipien und nicht als Substanzen hinzu, um die Eigenschaften der sieben Metalle zu erklären. Jahrhundert n. Chr. übernahm Paracelsus al-Jābirs Schwefel und Quecksilber und fügte Salz als seine tria prima hinzu, um die Eigenschaften der gesamten Materie zu erklären. Im siebzehnten Jahrhundert, als der Einfluss von Paracelsus auf seinem Höhepunkt war, übernahmen viele Alchemisten/Chemiker die Fünf-Elemente-Theorie – Erde, Wasser, Schwefel, Quecksilber und Salz – und ließen Luft und Feuer weg. Robert Boyle verwarf in seinem Werk The Sceptical Chymist (1661) sowohl die griechische Vier-Elemente-Theorie als auch die Tria prima des Paracelsus und tastete sich an ein moderneres Konzept der Elemente heran. Wir kommen nun zu den Ursprüngen der Phlogistontheorie.

Der deutsche Johann Joachim Becher (1635-1682), ein Arzt und Alchemist, war ein großer Fan von Boyle und seinen Theorien und reiste sogar nach London, um zu den Füßen des Meisters zu lernen.

Wie Boyle lehnte er sowohl die griechische Vier-Elemente-Theorie als auch die Tria prima des Paracelsus ab und ersetzte sie in seiner Physica Subterranea (1667) durch eine Zwei-Elemente-Theorie Erde und Wasser, wobei die Luft nur als Mischvertreter der beiden auftritt. Allerdings führte er im Grunde die tria prima des Paracelsus in Form von drei verschiedenen Arten von Erde wieder ein.

• terra fluida oder quecksilberhaltige Erde, die dem Material die Eigenschaften flüssig, fein, flüchtig und metallisch verleiht
• terra pinguis oder fettige Erde, die dem Material die Eigenschaften ölig, schwefelhaltig und brennbar
• terra lapidea glasige Erde, die der Materie die Eigenschaft der Schmelzbarkeit verleiht

Stahl griff Bechers Schema der Elemente auf, konzentrierte sich auf seine terra pinguis, machte sie zu seiner zentralen Substanz und benannte sie in Phlogiston um. Nach seiner Theorie enthalten alle Stoffe, die brennbar sind, Phlogiston, das bei der Verbrennung freigesetzt wird, wobei die Verbrennung aufhört, wenn das Phlogiston verbraucht ist. Der klassische Beweis dafür war die Verbrennung von Quecksilber, das in Stahls Terminologie zu Asche wird (in unserer Terminologie zu Quecksilberoxid). Wird diese Asche mit Holzkohle wieder erhitzt, wird das Phlogiston (nach Stahl) wiederhergestellt und mit ihm das Quecksilber. (Nach unserer Auffassung entzieht die Holzkohle den Sauerstoff und stellt das Quecksilber wieder her). In einer komplexen Versuchsreihe verwandelte Stahl Schwefelsäure in Schwefel und wieder zurück, wobei er die Veränderungen wiederum durch die Entfernung und Wiederkehr von Phlogiston erklärte. Durch Erweiterung konnte Stahl, ein hervorragender experimenteller Chemiker, mit seiner auf Experimenten und empirischen Beobachtungen basierenden Phlogistontheorie erklären, was wir heute als Redoxreaktionen und Säure-Base-Reaktionen kennen. Stahls Phlogistontheorie war somit die erste empirisch begründete „wissenschaftliche“ Erklärung für einen großen Teil der Grundlagen der Chemie. Sie ist ein klassisches Beispiel für das, was Thomas Kuhn ein Paradigma und Imre Lakatos ein wissenschaftliches Forschungsprogramm nannte.

Im Nachhinein betrachtet ist die Phlogistontheorie in all ihren Aspekten glorreich, wunderbar und absolut falsch, was zu der Verachtung führt, mit der sie von unseren gnu-atheistischen Befürwortern des Szientismus betrachtet wird, aber sie liegen damit falsch. Ich ziehe Lakatos‘ wissenschaftliches Forschungsprogramm dem Kuhn’schen Paradigma vor, weil es den Erfolg der Phlogistontheorie viel besser beschreibt. Für Lakatos ist es unerheblich, ob eine Theorie richtig oder falsch ist, was zählt, sind ihre Heuristiken. Ein wissenschaftliches Forschungsprogramm, das neue Fakten und Phänomene hervorbringt, die in den beschreibenden Rahmen des Programms passen, hat eine positive Heuristik. Ein Programm, das neue Fakten und Phänomene hervorbringt, die nicht dazu passen, hat eine negative Heuristik. Wissenschaftliche Forschungsprogramme haben während ihres gesamten Bestehens sowohl eine positive als auch eine negative Heuristik, und solange die positive Heuristik die negative überwiegt, wird das Programm weiterhin akzeptiert. Genau das war bei der Phlogistontheorie der Fall.

Die meisten europäischen Chemiker des 18. Jahrhunderts akzeptierten und arbeiteten im Rahmen der Phlogistontheorie und brachten eine große Anzahl neuer wichtiger chemischer Erkenntnisse hervor. Am bemerkenswertesten in diesem Sinne sind die, meist britischen, sogenannten pneumatischen Chemiker. Joseph Black (1728-1799), Professor für Medizin in Edinburgh, isolierte und identifizierte im Rahmen der Phlogistontheorie Kohlendioxid, während sein Doktorand Daniel Rutherford (1749-1819) Stickstoff isolierte und identifizierte. Der Schwede Carl Wilhelm Scheele (1742-1786) produzierte, identifizierte und untersuchte Sauerstoff, wofür ihm jedoch keine Anerkennung zuteil wird, da er zwar der Erste war, seine Ergebnisse jedoch verspätet veröffentlichte und von Joseph Priestley (1733-1804) geschlagen wurde, der unabhängig davon ebenfalls Sauerstoff entdeckte und ihn fälschlicherweise als dephlogische Luft bezeichnete. Priestley, der mit Abstand größte unter den pneumatischen Chemikern, isolierte und identifizierte mindestens acht weitere Gase und legte den Grundstein für die Entdeckung der Photosynthese, seine vielleicht größte Leistung.

Henry Cavendish (1731-1810) isolierte und identifizierte Wasserstoff, den er eine Zeit lang für Phlogiston hielt, bevor er die wichtigste Entdeckung im Rahmen der Phlogistontheorie machte: die Struktur des Wassers. Durch eine Reihe sorgfältiger Experimente konnte Cavendish nachweisen, dass Wasser kein Element, sondern eine Verbindung ist, die aus zwei Anteilen Phlogiston (Wasserstoff) und einem Anteil dephlogierter Luft (Sauerstoff) besteht. Mit der gleichen Präzision wies er auch nach, dass normale Luft aus vier Teilen Stickstoff zu einem Teil Sauerstoff besteht oder besser gesagt, nicht ganz. Er fand ständig etwas, das er nicht identifizieren konnte und das in einem Hundertzwanzigstel des Stickstoffvolumens vorhanden war. Jahrhundert wurde dies schließlich als das Gas Argon identifiziert.

Alle diese Entdeckungen sind der positiven Heuristik der Phlogistontheorie zuzurechnen. Negativ zu Buche schlägt die Tatsache, dass mit zunehmender Messgenauigkeit im 18. Jahrhundert entdeckt wurde, dass die Asche, zum Beispiel von Quecksilber, die bei der Verbrennung zurückbleibt, schwerer ist als die ursprüngliche Substanz, die verbrannt wird. Dies war insofern beunruhigend, als die Verbrennung als Freisetzung von Phlogiston angesehen wurde. Einige Befürworter der Theorie schlugen sogar negatives Phlogiston vor, um diese Anomalie zu erklären. Dieser Vorschlag, der sich nie durchsetzte, wird heute besonders verspottet, was ich in einem Zeitalter, in dem man Antimaterie akzeptieren musste und nun aufgefordert wird, dunkle Materie und dunkle Energie zu akzeptieren, um bekannte Anomalien in den aktuellen Theorien zu erklären, etwas seltsam finde.

Eigentlich waren es die Entdeckungen des Sauerstoffs und der Zusammensetzung des Wassers, die Lavoisier die notwendigen Bausteine lieferten, um die Phlogistontheorie zu demontieren und seine eigene, konkurrierende Theorie aufzustellen, die sich schließlich als erfolgreich erweisen und die Phlogistontheorie auf den Schrotthaufen der Chemiegeschichte befördern sollte. Man sollte jedoch nie vergessen, dass es genau diese Theorie war, die ihm die Werkzeuge lieferte, die er dazu benötigte. Wie ich in meinem Untertitel schrieb, kann selbst eine Theorie, die wunderbar falsch ist, fantastisch fruchtbar sein und sollte im Nachhinein mit Respekt behandelt werden.