12. Oktober 1999: Der Tag, an dem ein Sohn Damanhurs Atome in Bewegung sah – Ahmed Zewail und die Femtochemie

Bei einem kleinen Geburtstagsfest in einem ägyptischen Haushalt geht das Licht aus, die Kerzen werden angezündet, und jemand hebt das Handy, um den Moment des ersten Auspustens festzuhalten. Man drückt den Auslöser, blickt aufs Foto – und es ist verwackelt: die Wange des Kindes nur ein Lichtfleck, die Kerze ein verschmierter Rauchfaden. Man denkt, die Kamera sei zu langsam gewesen, der Moment schneller als der Verschluss. Dieser flüchtige Gedanke, der einen kaum zwei Sekunden beschäftigt, ist genau die Frage, die Chemiker ein ganzes Jahrhundert lang ratlos machte: Wie fotografiert man etwas, das sich schneller bewegt als das eigene Objektiv?

Und alles um einen herum ist, genau betrachtet, eine chemische Reaktion: das Streichholz, das aufflammt, der Teig, der unter einem Küchentuch aufgeht, das Blatt, das aus Sonnenlicht seine Nahrung gewinnt, das Schmerzmittel, das den Schmerzknoten im Körper löst. Die Wissenschaft kannte Anfang und Ende der Geschichte: Ausgangsstoffe, die hineingehen, Produkte, die herauskommen, Wärme, die sich messen lässt. Doch was dazwischen geschieht – der Augenblick, in dem die Bindung zwischen zwei Atomen sich lockert, ehe sie endgültig reißt –, blieb eine verschlossene Tür: Man sah sie zu, dann sah man sie offen, aber nie die Hand, die den Schlüssel drehte.

Chemiker gaben jener flüchtigen Konfiguration, die weder Ausgangsstoff noch Endprodukt ist, einen Namen: den „Übergangszustand“. Jahrzehntelang blieb er ein theoretisches Konzept, dessen Wirkungen sich berechnen, aber nicht beobachten ließen – wie eine Fußspur im Sand, die verrät, dass jemand vorbeikam, ohne dass man ihn je zu Gesicht bekommen hätte. Dann kam der 12. Oktober 1999: Die Königlich Schwedische Akademie der Wissenschaften gab bekannt, dass der Nobelpreis für Chemie an einen ägyptischen Wissenschaftler namens Ahmed Zewail geht. In der offiziellen, auf der Website des Preises veröffentlichten Begründung hieß es, er erhalte ihn „für seine Studien der Übergangszustände chemischer Reaktionen mittels Femtosekundenspektroskopie“. Das California Institute of Technology (Caltech) erklärte an jenem Tag unter Berufung auf die Begründung der Akademie selbst, die Arbeit habe gezeigt, dass sich mit ultraschneller Lasertechnik beobachten lässt, wie sich Atome innerhalb eines Moleküls während einer Reaktion bewegen – und dass solche Reaktionen sich in einem millionstel Milliardstel einer Sekunde abspielen.

„Ein millionstel Milliardstel einer Sekunde“ ist eine Formulierung, die am Ohr vorbeigeht, ohne etwas zu bedeuten – übersetzen wir sie also in eine uns vertraute Sprache. Eine Femtosekunde ist ein Millionstel eines Milliardstels einer Sekunde; ihr Verhältnis zu einer ganzen Sekunde entspricht ungefähr dem Verhältnis einer Sekunde zu rund zweiunddreißig Millionen Jahren. Selbst das Licht, das Schnellste im gesamten Universum, legt in einer Femtosekunde nur etwa ein Drittel eines Mikrometers zurück – eine Strecke, die mehrere hundert Mal feiner ist als ein menschliches Haar. Und genau in dieser Zeitspanne schwingen die Atome innerhalb eines Moleküls; eine einzelne Schwingung dauert üblicherweise zwischen zehn und hundert Femtosekunden. Das heißt: Jede „Kamera“, die eine Reaktion beobachten will, muss schneller sein als die Schwingung selbst – sonst wird das Bild verwackelt, genau wie das Foto von der Kerze.

Die Idee, auf der die Femtochemie beruht, ist elegant genug, um sie einem Oberstufenschüler zu erklären. Ein ultrakurzer Laserpuls wird in zwei Teile gespalten: Der erste trifft auf das Molekül und liefert ihm die Energie, mit der die Geschichte beginnt – er legt damit den Nullpunkt der Zeit präzise fest. Der zweite wird ihm mit berechneter Verzögerung hinterhergeschickt, und diese Verzögerung wird nicht von einer elektronischen Schaltung eingestellt – kein elektronischer Timer kann die Zeit so fein zerlegen –, sondern dadurch, dass man den Weg, den das Licht zurücklegt, um wenige Mikrometer verlängert: Die zusätzliche Strecke selbst wird zur zusätzlichen Zeit. Der zweite Puls liest dann den Zustand des Moleküls in genau diesem Moment aus. Das Experiment wird bei unterschiedlichen Verzögerungen viele Male wiederholt, die Messwerte summieren sich wie einzelne Filmbilder, und aus diesen Bildern entsteht der Film.

Der Redlichkeit halber sei gesagt, was nicht geschah: Niemand saß vor einem Objektiv und sah ein einzelnes Atom mit bloßem Auge, so wie man ein Gesicht im Spiegel sieht. Aufgezeichnet wurde der Fingerabdruck des Lichts, das das Molekül in jedem Moment absorbierte oder aussandte – ein Fingerabdruck, der sich mit der Anordnung der Atome und den Abständen zwischen ihnen verändert. Aus diesen aufeinanderfolgenden Fingerabdrücken wird das Bild der Bewegung rekonstruiert. Das Wort „Kamera“ ist hier also eine im Ergebnis ehrliche Metapher, keine wörtliche Beschreibung von Objektiv und Film; auf diese Unterscheidung legen wir Wert, weil die Vereinfachung von Wissenschaft niemals zu einer Behauptung werden darf, die über das hinausgeht, was die Forscher tatsächlich geleistet haben.

Die Bedeutung dieser Leistung liegt darin, dass die Chemie nicht länger eine Wissenschaft war, die nur aus „vorher“ und „nachher“ schloss. Der Weg selbst – nicht nur seine beiden Enden – wurde messbar, und der Übergangszustand, bis dahin reine Annahme, wurde zu etwas, das man befragen und dessen Antwort man erhalten konnte. Daraus entstand ein ganzes Forschungsfeld namens Femtochemie: wie eine Bindung bricht, warum eine Reaktion diesen und nicht jenen Weg nimmt, und an welcher Stelle genau ein Katalysator eingreift. Wer den entscheidenden Augenblick auf diesem Weg versteht, kann ihn im Prinzip auch lenken – und genau das beschäftigt seither Forscherinnen und Forscher in Katalyse, Energie und Pharmazie.

Der Mann hinter dieser Arbeit wurde am 26. Februar 1946 in Damanhur geboren und wuchs in Desouk auf. Er schloss sein Studium an der naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Alexandria mit Auszeichnung ab, machte dort seinen Master in Spektroskopie – der Lehre vom Licht, das Materie aussendet – und ging anschließend zur Promotion an die University of Pennsylvania, die er 1974 abschloss. Zwei Jahre später, nach einem Forschungsaufenthalt bei IBM an der University of California, Berkeley, trat er 1976 die Professur am Caltech an, wo er den Linus-Pauling-Lehrstuhl für Chemische Physik innehatte. Im November 2009 wurde er in die erste Gruppe der US-Wissenschaftsgesandten berufen – drei Wissenschaftler, deren Namen gemeinsam bekanntgegeben wurden –, deren Mandat Nordafrika, den Nahen Osten sowie Süd- und Südostasien umfasste.

Wer diese Biografie liest und ein Wunder sucht, wird keines finden. Sie erzählt von einer staatlichen Schule in einer Kleinstadt, einer naturwissenschaftlichen Fakultät an einer ägyptischen Universität und von dem, was jeder Student überall braucht: einen Professor, der aufmerksam ist, und lange Jahre der Geduld mit einem Gerät, das beim ersten Versuch kein Ergebnis liefert. Ahmed Zewail war der dritte Ägypter, der einen Nobelpreis erhielt, nach Präsident Anwar as-Sadat für den Frieden 1978 und dem Schriftsteller Nagib Mahfuz für Literatur 1988 – und der erste in den Naturwissenschaften. Nach unserem Kenntnisstand, Stand der Abfassung dieser Zeilen, ist er weiterhin der einzige Ägypter, der einen Nobelpreis in einer der Naturwissenschaften erhalten hat.

Dann kam das Kapitel, das Ägypter besser kennen als den Laser selbst: die Zewail-Stadt für Wissenschaft und Technologie. Sie wurde durch das Gesetz Nr. 161 von 2012 gegründet, erlassen im Dezember desselben Jahres, das sie damals als unabhängige wissenschaftliche Forschungseinrichtung mit öffentlicher Rechtspersönlichkeit und ohne Gewinnabsicht definierte und ihren Sitz in Sheikh Zayed in der Stadt 6. Oktober im Gouvernement Gizeh festlegte. Nach dem Gesetzestext von 2012 umfasste sie eine Universität für Wissenschaft und Technologie, Forschungsinstitute in Bereichen wie Energie, Medizin, Werkstoffe, Umwelt, Raumfahrt, Nanotechnologie und Informationssysteme sowie ein Zentrum zur Überführung von Forschung in die Praxis, das damals „Technologie-Pyramide“ hieß. Das Gesetz stellte sie unter die Aufsicht der Zentralen Rechnungskontrollbehörde und befreite ihre Überschüsse sowie die Erträge ihrer laufenden Tätigkeit von Steuern und Abgaben.

Anschließend erging der Erlass mit Gesetzeskraft Nr. 166 von 2019, der das Gründungsgesetz der Stadt änderte, datiert auf den 22. Dezember 2019, in Kraft ab dem Tag nach seiner Veröffentlichung im Amtsblatt. Die Novelle strich den Zusatz „Nationales ägyptisches Projekt für die wissenschaftliche Renaissance“ aus dem Gesetzestitel, fügte dem Namen der Stadt das Wort „Innovation“ hinzu, sodass sie fortan „Zewail-Stadt für Wissenschaft, Technologie und Innovation“ heißt, legte ihren Hauptsitz auf die Stadt 6. Oktober im Gouvernement Gizeh fest und benannte das Zentrum für Technologietransfer von „Technologie-Pyramide“ in „Tal der Wissenschaft und Technologie“ um – der Name, der bis heute auf der Website der Stadt selbst erscheint. Zudem wurden die Artikel eins bis sieben neu gefasst: Die Stadt erhielt einen Kuratoriumsrat unter Vorsitz des für Hochschulbildung zuständigen Ministers mit zehn namhaften Wissenschaftlern und fünf Persönlichkeiten des öffentlichen Lebens als Mitgliedern sowie einen Verwaltungsrat, dessen Zusammensetzung per Beschluss des Ministerpräsidenten festgelegt wird und den der Geschäftsführende Vorstand der Stadt leitet, der durch Beschluss des Ministerpräsidenten für eine Amtszeit von vier Jahren ernannt wird, einmal verlängerbar.

Wir erwähnen diese Novelle rein als legislative Tatsache; die Bilanz der Stadt zu bewerten, erfordert Zahlen und veröffentlichte Berichte, und zum Zeitpunkt der Abfassung dieser Zeilen liegen uns keine geprüften Angaben zu Studierenden-, Absolventen- und Forschungszahlen vor, die wir dem Leser vorlegen könnten – wir beschränken uns hier also auf das, was das Gesetz besagt, und nicht mehr. Wichtig ist uns, dass die Idee einer „Stadt für wissenschaftliche Forschung“ in Ägypten nun eine gesetzliche Grundlage mit Nummer und Jahr hat, die jeder Bürger nachschlagen und lesen kann – und danach fragen kann, als Recht und nicht als Gefälligkeit, was davon tatsächlich erreicht wurde.

Ahmed Zewail starb am 2. August 2016 im Alter von siebzig Jahren. Jeden 12. Oktober kehrt der Jahrestag der schwedischen Verkündung wieder, und mit ihm eine Frage, die schwerer wiegt als das Feiern: Was tun wir mit dem Erbe eines Mannes, der es zu seinem Beruf machte, den Augenblick zu betrachten, den sonst niemand sieht? Die Antwort, so meinen wir, beginnt weder bei Budgets noch bei Gebäuden, sondern bei einem Schullabor, dessen Wasserhahn tatsächlich funktioniert, bei einem Lehrer, der seinen Schüler ein Experiment zweimal falsch machen lässt, und bei einer Familie, die es ihrem Sohn nicht als „verlorene zwei Jahre“ ankreidet, wenn er eine Messung wiederholt, deren Ergebnis ihn nicht überzeugt hat.

Wenn Sie also das nächste Mal auf das verwackelte Kerzenfoto auf Ihrem Handy blicken, denken Sie daran: Sie stehen vor genau der Frage, die einen Wissenschaftler aus Damanhur ein halbes Jahrhundert lang beschäftigt hat – dass das, was uns wie ein einzelner Augenblick erscheint, in Wirklichkeit eine Geschichte mit Anfang, Mitte und Ende ist, und dass wir sie nicht sehen, weil unsere Augen langsam sind, nicht die Geschichte selbst. Zeigen Sie Ihrem Kind das Foto, und erzählen Sie ihm, dass ein ägyptischer Mann einen Weg fand, etwas zu beobachten, das milliardenfach schneller ist – und dass er in einem Klassenzimmer begann, das dem Ihres Kindes glich.