Megaskop

Historisch

Basiswissen｜ Historische Entwicklung｜ Camera obscura｜ Sonnenmikroskop｜ Megaskop｜ Exkurs in Menschliches｜ DIY Megaskop｜ Video I｜ Die Linsenformel｜ Video II｜ Persönliche Einschätzung｜ Fußnoten

Basiswissen

Als Megaskop bezeichnet man einen im 18. und 19. Jahrhundert beliebten optischen Apparat für eine sehr starke Vergrößerung kleiner undurchsichtiger Objekte auf einen Schirm. Ursprünglich mit Sonnenlicht betrieben^[1], später mit künstlichen Lichtquellen, führte insbesondere die Erzeugung des hellen Lichts selbst zu praktischen Problemen.^[2] Vorgestellt wird auch eine sehr simple DIY-Variante als Tischversuch.

Historische Entwicklung

Camera obscura

Der Ausgangspunkt der Entwicklungslinie hin zum Megaskop war die sogenannte Camera obscura. Die Camera obscura war in ihrer ursprünglichen Form ein vollständig abgedunkelter (obscur = dunkel) Raum. Solche Räume waren schon im Mittelalter bekannt^[10], möglicherweise sogar schon in der Steinzeit^[11]. Die seit dem 16. Jahrhundert populären Räume hatten eine meist kreisförmige Öffnung hin zur Außenwelt, oft einfach nur ein Loch in einer Tür oder Wand.

Dieses Bild ist für das Verständnis des Textes nicht wichtig. Das Bild wird im Text nicht erwähnt.

Die klassische Camera obscura war ein großer, tatsächlich auch von innen begehbarer Raum. Ganz ohne optische Hilfsmittel, alleine durch die geometrische Anordnung eines Loches in der Wand und einer gegenüberliegenden Wand entstanden verblüffend gute Abbilder der Außenwelt.

Der Lochdurchmesser lag meist bei wenigen Zentimetern. Durch diese Öffnung projizierte das Licht von außen ein oft überraschend scharfes, buntes und oft auch bewegtes Bild der Außenwelt in das Innere des Raumes. Optisch ist die Camera obscura eng verwandt mit einem Lochauge bei Tieren oder einer Lochkamera. Spätestens seit dem Jahr 1558 hatte man dann eine Sammellinse in die Wandöffnung gesetzt. Das ergab deutlich hellere Bilder, ohne dass die Schärfe des Bildes darunter litt.^[12] Siehe dazu mehr im Artikel zur 👉 Camera obscura

Sonnenmikroskop

Aus der Camera obscura mit Linse ging dann im späten 17. Jahrhundert das Sonnenmikroskop hervor.^[13] Man nutzte das Sonnenlicht und bestrahlte damit ein undurchsichtiges Objekt, welches dann mit einer oder mehreren Linsen in stark vergrößerter Form auf eine Wand projiziert wurde. Man hat damit zum Beispiel Flöhe auf 2 Meter Größe gebracht oder Motten so vergrößert, dass sie eine gewisse Ähnlichkeit (Rüssel) mit Elefanten zeigten.^{[1, Seite 126]} Weitere belegte Objekte waren die Schuppen von Fischen, die Augen einer Fliege oder die etwa 2 mm langen Essigälchen (Nematoden-Würmchen).^{[6, Seite 127]}. Für die Zuschauer besonders eindrucksvoll sollen zappelnde kleine Tiere gewesen sein.

Die wandernde Sonne

Ein praktisches Problem des Sonnenmikroskops war es, das Sonnenlicht hin zur Wandöffnung zu bündeln. So wurde eine Version von Nathaniel Lieberkühn (1711 bis 1756) beschrieben, in der das Sonnenlicht von alleine direkt auf die Öffnung in der Wand fallen musste. Damit waren die Vorführungen auch eng an geeignete Tageszeiten gebunden. Eine praktische Verbesserung war die Verwendung eines Heliostaten, der im 19. Jahrhundert von dem Franzosen Leon Foucault stark verbessert worden sei.^{[6, Seite 128]} Der Heliostat war ein Spiegel, der automatisch so dem Gang der Sonne über den Tageshimmel folgte, dass das Licht immer auf dieselbe Stelle hin reflektiert wurde.

Eine vergleichsweise detaillierte Darstellung eines Sonnenmikroskops mitsamt des Vorführraums findet man in dem Buch Amusements Microscopiques des deutschen Wissenschaftlers Martin Frobene Ledermüller (1719 bis 1769).

Oben im Bild sieht man den Vorführraum, eine klassische Camera obscura als dunkles Zimmer mit einer Öffnung zur Außenwelt rechts. Bis auf die Projektionswand sind alle Wände dunkel gestrichen. Durch diese Öffnung fällt das Licht der Sonne auf einen kleinen undurchsichtigen Gegenstand. Dessen Umrisse werden dann stark vergrößert, bis zu 2 Metern, auf einer hellen Wand im Inneren der Camera obscura geworfen. Der rechteckige Rahmen rechts von den Stühlen zeigt ein aufgespanntes Pergamentpapier. Auf diesem konnte man das erzeugte Bild abpausen.^[14]

Interessant an der Darstellung ist die Verwendung einer Schraubenfeder, um das Objekt auf seiner Glasplatte fest an einem Ort zu halten. Oft waren es scheinbar kleine "nur" praktische Verbesserungen, die den Fortschritt sehr förderten.

Publikum

Ein gewichtiger Vorteil des Sonnenmikroskops gegenüber einem klassischen Mikroskop war die Möglichkeit eines großen Publikums. Während bei einem Tischmikroskop immer nur eine Person alleine durch das Okular auf das Objekt schauen kann, können sich bei einem Sonnenmikroskop viele Personen gleichzeitig dasselbe Bild betrachten. Damit kann man auch mit dem Finger auf Details zeigen, wobei den anderen Zuschauern sofort klar wird, worauf man zeigt. Bei einem klassischen Mikroskop ist auch das nicht möglich.

Die größte Einschränkung war jedoch, dass man für eine gelungene Vorführung auf Sonnenlicht in ausreichender Stärke und aus einer passenden Richtung angewiesen war. Damit waren Vorstellungen abends oder bei wolkenverhangenem Himmel praktisch unmöglich. Diesen Mangel beseitige dann schließlich das Megaskop.

Megaskop

Das Megaskop ist sozusagen eine Sonnenmikroskop, bei dem die Sonne aber durch eine künstliche Lichtquelle ersetzt wurde. Und damit musste im Vorführraum auch keine Öffnung mehr zu Außenwelt vorhanden sein. Der ganze Apparat konnte mehr oder minder als Kiste gebaut werden und in einem vollständig abgedunkelten Raum eingesetzt werden.

Leonhard Euler

Als Erfinder gilt das mathematische Genie Leonhard Euler (1707 bis 1783).^[15] In einem Brief aus dem Jahr 1762 soll Euler auf ein entsprechendes Gerät Bezug nehmen, dass er einer Prinzessin schon sechs Jahre zuvor, also 1756, vorgeführt habe.^{[6, Seite 131]} Der Namensgeber hingegen war der französische Wissenschaftler und Ballonfahrer Jacques Charles. Er verband die griechische Worte Mega (groß) und skope (ich sehe) zu Megaskop.^{[6, Seite 131]}

Eulers Megaskop konnte undurchsichtige Gegenstände, Reliefs oder Gemälde an eine Wand projizieren. So gesehen ist das Megaskop ein direkter Vorfahr heutiger Diaprojektoren und Beamer.

Einschränkung

Einen große Aufwand stellte die Pflege einer starken Lichtquelle dar. Man war zur Zeit Eulers noch über 100 Jahre entfernt von der Erfindung heute üblicher elektrischer Leuchtmittel. Euler nutzte für sein Megaskop zwei Spiegel sowie Lampen mit zwei großen Dochten. Wer schon einmal versucht hat, mit Öllampen oder Kerzen und einem Docht ein ruhiges, dauerhaftes und helles Licht zu erzeugen, kann sich die Probleme leicht vorstellen. Eine große Version mit einer starken Paraffinlampe, wurde von dem Chemiker Jacques Charles (dem Erfinder des Wasserstoffballons) gebaut. Doch die Probleme blieben. So konnte sich das Megaskop zur Studie kleinster Objekte nicht gegen das klassische Mikroskop durchsetzen. Und auch als Projektionsapparat soll es eine Reihe von Nachteilen gehabt haben.

ZITAT:

1909, Mängel des Megaskops: "Gewisse Vorzüge, die man [am Megaskop] rühmt, sind nicht stichhaltig (z. B. der der Billigkeit, weil die Anfertigung von Diapositiven entfallen könne; dieser Umstand wird durch die hohen Brennkosten der notwendigen sehr starken Lampe, die mangelhafte Deutlichkeit des Bildes u. s. w. mehr als wettgemacht). In der Regel läßt man bei der episkopischen Projektion das Licht durch einen entsprechend gewinkelten Spiegel auf den undurchsichtigen Gegenstand fallen, und die von diesem reflektierten Lichtstrahlen wirft das Objektiv auf den Schirm. Der große Lichtverlust, der hierbei fast immer stattfindet, läßt die episkopische Projektion nur bei Verwendung sehr starken Bogenlichtes, guter Kondensoren und sehr lichtstarker, vollkommen korrigierter (daher sehr teurer) Objektive rätlich erscheinen."^[2]

Ein Megaskop zur bildlichen Vergrößerung kleiner Objekte spielt heute keine praktische Rolle mehr. Echte solche Geräte findet man nur noch in Museen und Sammlungen. Echte Mikroskope mit Okular und später die Erfindung von großen elektronischen Bildschirmen vereinten die gute Auflösung von Mikroskopen mit dem Vorteil einer großen Bildfläche.

Exkurs in Menschliches

Nur Menschen

Gehen wir noch einmal zurück ins Frankreich des Jahres 1783. Der anerkannte Chemiker Jacques Charles (1746 bis 1823) kritisierte öffentlich die physikalischen Vorstellungen des Gelehrten Marat (1743 bis 1753) zum Megaskop. Es kam zum erbitterten Streit. Marat suchte Charles persönlich in seinem Haus auf. Charles warf Marat aus der Tür, nachdem er von diesem mit einem Stock bedroht worden sei. Marat beschwerte sich öffentlich und forderte Charles zu einem (potentiell tödlichen) Waffenduell heraus.^{[7, Seite 133]} Zu der Zeit wurden Duelle zum Beispiel mit Degen oder Pistolen durchgeführt. Man vereinbarte vorher, ob der Kampf "nur" bis aufs "erste Blut" oder bis zum Tode ausgetragen werden sollte.

Wer in der Geschichte der Wissenschaft nach offen ausgetragenen und verbittert geführten Streitigkeiten sucht, wird bald mit vielen Funden belohnt. Man denke zum Beispiel an die Kontroverse zwischen Leibniz und Newton wer als Urheber der Infinitesimalrechnung zu gelten hat. Im Jahr 1895 veröffentlichte der englische Schriftsteller H. G. Wells seine Kurzgeschichte "The Moth". In ihr karikiert er einen klassischen Streit von Wissenschaftlern über geistiges Eigentum. Einen Streit mit tödlichen Folgen für vielleicht zehntausende von Menschen war eine scharfe Kontroverse zwischen Albert Einstein und Philipp Lenard. Aus einer öffentlichen Zurückweisung des einen durch den anderen wurde Lenard zu einem lautstarke Verfechter des Antisemitismus.

Vielleicht zeigte schon der Streit zwischen Charles und Marat aus dem Jahr 1783 wie sehr eine zuschauende Öffentlichkeit brandbeschleunigend auf eine Auseinandersetzung wirkt. Vor Zuschauern darf sich keiner eine Blöße geben. Auch die scharfe Feindseligkeit zwischen Einstein und Lenard wurde durch öffentliche Zeitungsartikel eskaliert. Und welchen Einfluss haben dann Zurückweisungen, Kritiken oder bloß fehlende Aufmerksamkeit (Ghosting, left on read) in sozialen Medien, wenn sie schnell auch vor einem größeren Publik quasi-öffentlich sind?

Der Streit von Marat und Charles rund um das Megaskop zeigt, dass auch begabte und öffentlich anerkannte Wissenschaftler nicht vor häßlichen Streitigkeiten gefeit sind.

DIY Megaskop

Im 18. Jahrhundert verzauberte das Megaskop viele Zuschauer und entführte sie für kurze Zeit in eine Traum- oder Schauerwelt. Man bezahlte damals viel Geld für den Eintritt zu solchen Wissenschafts-Shows.^[7] Heute kann man mit einfachem und billigem Material den Zauber leicht in den eigenen vier Wänden nachstellen. Man benötigt:

Eine Lampe mit z. B. 350 Lumen, z. B. die 👉 WH54 20260418 Inventar Kopflampe

Eine einfache Sammellinse, das heißt eine Lupe^{👉  [9]}

Ein Glas mit einem Objekt, das man betrachten will

Eine möglichst helle Wand als Projektionsfläche

Eine Kopflampe, wie Jogger sie benutzen kann man für 10 Euro aufwärts kaufen. 350 Lumen sind völlig ausreichend. Das ist eine eher niedrige Leuchtstärke für solche Lampen. Stärkere Taschenlampen geht bis hin zu 4000 Lumen.

Dann braucht man noch eine einfache Handleselupe. Eine übliche Brennweite von etwa 20 cm ist gut geeignet. Wenn eine solche Lupe mehr als 15 Euro kostet ist sie teuer.

Das Objekt, das man vergrößern möchte, kann eine tote Spinne, ein Dia oder auch eine Struktur aus selbst gezüchteten Kristallen sein. Wichtig ist, dass das Objekt an seinen Umrissen möglichst undurchsichtig ist.

Und zuletzt benötigt man eine möglichst helle große Fläche als Leinwand. Die Rückseite von Rollos oder weiße Türflächen haben sich sehr gut bewährt. Aber selbst ein großes weißes Blatt Papier ist oft schon ausreichend.

Video I

Mit einfachsten Mitteln konnten die kleinen quadratischen Kristalle aus NaCl im Bild auf mehr als das Dreißigfache ihrer wahren Größe gebracht werden.

Die Linsenformel

In einer anderen Variante des Megaskops mit elektrischer Lichtquelle kommt man sogar ohne Glasbecher aus. Das Objekt, das vergrößert werden soll ist der Glühfaden einer Glühlampe.

Video II

Wie bei den historischen Vorbildern aus dem frühen 18. Jahrhundert, wird hier ein undurchsichtiger Gegenstand, der Glühfaden, mit Hilfe von einer (oder mehreren) Lupen stark vergrößert auf eine Wand geworfen.

Zwischen die leuchtende Glühbirne und die Wand hält man eine Lupe. Mit etwas Geduld findet man eine Position recht nahe an der Lampe, bei der die Lupe ein recht scharfes und stark vergrößertes Abbild des Glühfadens auf die Wand wirft. Je weiter die Wand entfernt ist, desto stärker ist auch die Vergrößerung.

Versucht man den Effekt physikalisch mit Hilfe der Strahlenoptik zu verstehen, genügt die Mathematik der Klasse 10 (quadratische Gleichungen, pq-Formel), um auch rechnerisch nachvollziehen zu können, an welche Stelle die Lupe für eine erfolgreiche Projektion gehalten werden muss. Die Mathematik und Physik dieses Phänomens sind ausführlich erklärt im Artikel zur sogenannten 👉 Linsenformel

Persönliche Einschätzung

In unserer Lernwerkstatt in Aachen führen wir seit etwa 2015 einfache optische Experimente durch. Gerade im Winter, wenn es draußen dunkel ist, erzeugen sie oft eine fast heilige bis magische Stimmung. Die kindliche Freude am Guckkästen, der Zauber von bloß bebilderten Weihnachtskalendern oder die Faszination an Daumenkinos zeigt, mit welche einfachen Effekten man fast religiöse, auf jeden Fall aber metaphysische, Gefühlsregungen in Schwingung bringen kann. Wie vielleicht eine homöopathische Medizin gerade erst dann wirkt, wenn sie ausreichend verdünnt ist, scheinen auch Farbe, Bewegung und Motive oft gerade dann besonders ans Herz zu fassen, wenn sie nicht laut, nicht schnell, nicht reißerisch sondern still und leise, langsam aber verträumt daher kommen. Wie stark diese Zauberwirkung auf Menschen vergangener Jahrhunderte gewesen sein muss zieht sich als roter Faden durch Mannonis liebevoll geschriebene Geschichte der optischen Geräte vor der Zeit des Kinos.^[6]

Fußnoten

[1] Sonnenmikroskop: "Megaskop (Megosköp), 1) ein Sonnenmikroskop von großen Dimensionen; 2) eine Art Vergrößerungsglas,[81] durch welches kleine Gemmen u. Tameen betrachtet werden." In: Pierer's Universal-Lexikon, Band 11. Altenburg 1860, S. 81-82. Online: http://www.zeno.org/nid/20010421289

[2] Viele Nachteile: "Die episkopische Projektion, auch megaskopische genannt, das ist die von undurchsichtigen Gegenständen, hat in neuerer Zeit eine Wichtigkeit erlangt, die nicht immer ganz gerechtfertigt erscheint. Gewisse Vorzüge, die man an ihr rühmt, sind nicht stichhaltig (z. B. der der Billigkeit, weil die Anfertigung von Diapositiven entfallen könne; dieser Umstand wird durch die hohen Brennkosten der notwendigen sehr starken Lampe, die mangelhafte Deutlichkeit des Bildes u. s. w. mehr als wettgemacht). In der Regel läßt man bei der episkopischen Projektion das Licht durch einen entsprechend gewinkelten Spiegel auf den undurchsichtigen Gegenstand fallen, und die von diesem reflektierten Lichtstrahlen wirft das Objektiv auf den Schirm. Der große Lichtverlust, der hierbei fast immer stattfindet, läßt die episkopische Projektion nur bei Verwendung sehr starken Bogenlichtes, guter Kondensoren und sehr lichtstarker, vollkommen korrigierter (daher sehr teurer) Objektive rätlich erscheinen." In: der Artikel "Projektionsapparate". Lueger, Otto: Lexikon der gesamten Technik und ihrer Hilfswissenschaften, Bd. 7 Stuttgart, Leipzig 1909., S. 249-257. Online: http://www.zeno.org/nid/20006106439

[3] Zwei Bauweisen: "Es kommen zweierlei Prinzipe zur Anwendung: 1. der schräg aufrechtstehende Gegenstand wird durch das vom Kondensor kommende Licht unmittelbar beleuchtet und vom Objektiv abgebildet (Megaskop), oder 2. das parallele, von einem schräggestellten Spiegel kommende Licht trifft auf den horizontal liegenden Gegenstand, welcher es nach oben in das vertikal angeordnete Objektiv reflektiert; das aus diesem austretende optische Bild wird schließlich von einem schräggestellten Spiegel auf den Schirm geworfen (Episkop)." In: der Artikel "Projektionsapparate". Lueger, Otto: Lexikon der gesamten Technik und ihrer Hilfswissenschaften, Bd. 7 Stuttgart, Leipzig 1909., S. 249-257. Online: http://www.zeno.org/nid/20006106439

[4] Falsche Übersetzung: Megaskōp (griech., Wunderkammer), eine Laterna magica, die von undurchsichtigen Gegenständen, Holzschnitten, Photographien, Naturobjekten vergrößerte Bilder entwirft. Die Gegenstände werden wie bei der gewöhnlichen Laterna magica den Linsen gegenübergestellt und durch eine seitlich angebrachte Vorrichtung an der vordern Seite sehr stark beleuchtet. Vgl. Stöhrer, Die Projektion physikalischer Experimente (Leipz. 1877)." Hier muss kritisch angemerkt werden, dass Megaskop nicht als Wunderkammer übersetzt werden kann. Mega heißt so viel wie groß, und skop so viel wie sehen. In: Meyers Großes Konversations-Lexikon, Band 13. Leipzig 1908, S. 544. Online: http://www.zeno.org/nid/20007069863

[5] Episkop als Synonym: "Episkōp (grch.), Megaskop, Apparat, der undurchsichtige Objekte mittels starken, auffallenden Lichts projiziert." In: Brockhaus' Kleines Konversations-Lexikon, fünfte Auflage, Band 1. Leipzig 1911., S. 522. Online: http://www.zeno.org/nid/20001083198

[6] Laurent Mannoni: The Great Art of Light and Shadow. Archeology of the Cinema. Aus dem Französischen übersetzt von Richard Crange. University of Exter Press, Devon (UK), 2000. Original: Le Grand Art de la Lumière et de l'Ombre (1995). Dort das Unterkapitel "The microscope lantern or 'solar microscope'" (Seite 125 ff.)

[7] Laurent Mannoni: The Great Art of Light and Shadow. Archeology of the Cinema. Aus dem Französischen übersetzt von Richard Crange. University of Exter Press, Devon (UK), 2000. Original: Le Grand Art de la Lumière et de l'Ombre (1995). Dort das Unterkapitel "The 'Megascope'" (Seite 131 ff.).

[8] Klassische Glühbirnen erzeugten das Licht mit einem Glühfaden. Sie dürfen in Deutschland seit dem Jahr 2012 als Leuchtmittel nicht mehr verkauft werden. Eine Alternative bieten LED-Lampen mit einem sogenannten Filament. Siehe auch 👉 Glühbirne

[9] Als Sammellinse für einfache Versuche sind handelsübliche und meist sehr billige Lupen aus Kunststoff völlig ausreichend. Gängige Brennweiten sind oft etwa 20 cm, typische Durchmesser zum Beispiel 8 bis knapp über 10 cm. Siehe als ein geeignetes Beispiel das 👉 WH54 20200125 Inventar Brennglas

[10] D. C. Lindberg: A reconsideration of Roger Bacon's theory of pinhole images. Arch. Rational Mech. 6, 214–223 (1970). Siehe auch 👉 Roger Bacon

[11] Zur Idee, dass steinzeitliche Höhlenmalereien durch Bilder inspiriert worden sein könnten, die durch kleine Öffnung ins Innere von Zelten und Höhlen gefallen sind: Matt Gatton, Leah Carreon. “Probability and the Origin of Art: Simulations of the Paleo-camera Theory” in APLIMAT, Journal of Applied Mathematics, Volume 4 (2011). Siehe auch 👉 Camera obscura

[12] "Größere Schärfe und Helligkeit erzielt man bei Anwendung einer Sammellinse, die nach Porta (1558) in die erweiterte Öffnung eingesetzt wird." In: Meyers Großes Konversations-Lexikon, Band 3. Leipzig 1905, S. 717-718. Online: http://www.zeno.org/nid/20006393357

[13] Am "Ende des 17. Jahrhunderts" soll zum Beispiel der Engländer James Wilson ein Sonnenmikroskop mit einem Spiegel außen zum Einfangen des Sonnenlichts gebaut haben. In: Laurent Mannoni: The Great Art of Light and Shadow. Archeology of the Cinema. Aus dem Französischen übersetzt von Richard Crange. University of Exter Press, Devon (UK), 2000. Dort auf Seite 127.

[14] Eine Beschreibung des Bildes eines Sonnenmikroskops von Ledermüller findet sich zum Beispiel in: Klaus Henkel: Ledermüller und Rußworm. Erschienen in "µ", der Vereinszeitschrift der Mikrobiologischen Vereinigung München e. V., September 1997.

[15] Euler habe das Megaskop beschrieben in: Lettres a une Princesse d'Allemagne sur Quelques Sujets de Physique et de Philosophie. Gemeint war die Prinzessin von Anhalt Dessau. Die Briefe wurden zwischen 1768 und 1772 veröffentlicht.

[16] Mehrere Makroskope finden sich im Musée des Arts et Métiers (le CNAM) in Paris. Die Beschreibung aus dem Katalog des Museums lautet: Grand microscope lucernal, pour les objets opaques et transparents, modifié par Charles. N° d'inventaire : 01829.