reden.arpa-docs.ch
Rektorats Reden © Prof. Schwinges

Wandlungen und Entwicklungen in der Elektrodynamik

Rektoratsrede
gehalten am 13. November 1943 an der
Eidgenössischen Technischen Hochschule von
Prof. Dr. Franz Tank
Polygraphischer Verlag A.-G. Zürich • 1944

Zu den großen Wundern unseres täglichen Lebens gehört das Auftreten von Kräften. Tief unten im bunten Füllhorn des Naturgeschehens liegen die Rätsel von Kraft und Stoff verborgen. Die Kräfte sind es, welche (las große Uhrwerk des Weltengetriebes im Gange erhalten; sie verursachen Bewegung und ändern Zustände. Mit einem Worte: Kräfte sind die Grundlage jeglicher Dynamik.

Solange die Kräfte ganz unmittelbar auf Druck, Zug oder Stoß beruhen, sind sie für uns anschaulich, gewissermaßen selbstverständlich. Man beobachtet aber auch, daß elektrisch geladene Körper oder Magnetnadeln sich auf Distanz beeinflussen. Im Grunde ist dieses Verhalten sehr merkwürdig. Wir wollen in solchen Fällen einmal von «Fernkräften» sprechen. Das berühmteste Beispiel von Fernkräften bilden die Gravitationserscheinungen der Materie, welche in großartiger Weise in der wechselseitigen An. ziehung zwischen der Sonne und den Planeten zur Auswirkung gelangen. Das von Newton aufgestellte Gravitationsgesetz wurde zum Vorbild aller Fernewirkungsgesetze. Es fand eine solch restlose Bestätigung in der Himmelsmechanik, daß an seiner Zuverlässigkeit nicht zu zweifeln war. In dem Maße, wie die Mechanik sich entwickelte und festigte, erstarrte aber auch ihr Kern, das, was Newton eine «Philosophia naturalis» genannt hatte. Und während unter der Meisterhand der großen Analytiker des 18. Jahrhunderts um diesen Kern eine prächtige, edle Schale sich formte, nämlich die «Méchanique rationelle» eines Lagrange, Euler oder Laplace, blieb im Kerne selbst manches dunkel. Man hielt es aber nicht mehr für zweckmäßig, nach seinen Problemen zu fragen, und damit fand man sich auch bereit, die Fernkräfte als eine gegebene Naturtatsache anzuerkennen. Was durch den Erfolg glänzte, wurde zur Richtlinie, und was unverständlich war, wurde Gewohnheit. So mußte einer Naturauffassung der Weg geöffnet werden, welche in der Zurückführung aller Erscheinungen auf die Gesetze der Mechanik das höchste Ziel jeglicher naturwissenschaftlichen Erkenntnis sah. Kein

Geringerer als Laplace wurde zum Verkünder jener kühnen Vision, gemäß welcher eine ideale Intelligenz nur noch aus gegebenen Kräften und Anfangsbedingungen auf mechanischer Grundlage den Ablauf alles Geschehens zu berechnen hätte, damit wir jeglichen Wissens über Vergangenheit und Zukunft teilhaftig würden.

Die Entwicklung der Physik im 19. Jahrhundert hat die Unhaltbarkeit dieser Gedanken dargetan. Als Ergebnis der Forschung vieler Dezennien kristallisierte sich die Erkenntnis heraus, daß es Fernkräfte nicht geben kann, und weiter, daß gerade deshalb die Natur sich nicht rein mechanisch verstehen läßt. Diese große Wandlung der Anschauungen fand ihren Ursprung und Nährgrund in der Lehre von den elektrischen und magnetischen Kräften, in der Elektrodynamik. Die Elektrodynamik lag von Anfang an längs der Berührungslinie zwischen Mechanik und Elektrizitätslehre. Hier, im Reiche der Kräfte, bestand Gelegenheit zu einem fruchtbaren Austausche geistiger Güter, entbrannte aber auch zwischen Mechanik und Elektrodynamik ein langer und erbitterter Kampf uni die Vorherrschaft. Es war die Bestimmung der Elektrodynamik. daß aus ihrem Boden heraus ein neues, umfassendes Weltbild erwachsen sollte, welches in Harmonie die verschiedenen Gebiete der Physik in sich zu vereinigen imstande war.

Das Wort Elektrodynamik ist von dem großen Franzosen Ampère geprägt worden, der auch als ihr erster bedeutender Vertreter zu gelten hat, und von dem ein Zeitgenosse sagte: «Er ist ohne Zweifel einer der tiefsten spekulativen Köpfe und scheint eine ungeheure allgemeine Gelehrsamkeit zu besitzen.» Unter Elektrodynamik verstand er das Kräftespiel zwischen stromdurchflossenen elektrischen Leitern, bezw. zwischen bewegten elektrischen Ladungen. Später, namentlich als die Vorstellung des elektromagnetischen Feldes mehr und mehr Allgemeingut der Wissenschaft wurde, erweiterte sich die Elektrodynamik zu einer allgemeinen Lehre von den elektrischen und magnetischen Kräften und deren gegenseitiger Verknüpfung. Sie umfaßte damit auch die Grundlagen der Elektrotechnik.

Die Anregung zu seinen berühmten Arbeiten über Elektrodynamik empfing Ampère durch eine kleine Schrift des dänischen

Physikers Oersted, welche dieser mit Datum vom 21. Juli 1820 an Freunde und Männer der Wissenschaft verschickte, und welche den Titel trug: «Versuche über die Wirkung des elektrischen Conflicts auf die Magnetnadel». Er schildert darin ausführlich, wie er die Pole einer kräftigen galvanischen Batterie mit einem leitenden Drahte verbunden und dabei die Ablenkung einer Magnetnadel beobachtet habe. Oersteds Entdeckung erregte in ganz Europa großes Aufsehen. An der Académie des Sciences in Paris, die ein Kollegium erlesener Gelehrter vereinigte, wurden Oersteds Versuche wiederholt und überprüft. In Kürze entstand dort das bekannte, von Biot und Savart erst erfahrungsmäßig gefundene, dann von Laplace mathematisch formulierte Gesetz über die Kraftwirkung eines stromdurchflossenen Leiterelementes auf einen Magnetpol. Und schon am 25. September 1820 notierte sich Ampère über eine Sitzung der Académie des Sciences: «... j'annonçais le fait nouveau de l'attraction et de la répulsion de deux courants électriques sans l'intermède d'aucun aimant, fait que j'avais observé sur des conducteurs pliés en spirales. Je répétais cette expérience dans le cours de la séance.» Diese Worte umschließen bedeutende Tatsachen. Ampère hatte beispiellos rasch gefunden, daß auch elektrische Ströme Kräfte aufeinander ausüben. Er stellte das dazugehörige Gesetz in mathematischer Fassung auf, das dann später unter der Bezeichnung «Grundgesetz der Elektrodynamik» in die Literatur einging.

Dieses Grundgesetz der Elektrodynamik von Ampère, ebenso wie das erwähnte Biot-Savartsche Gesetz und andere, ältere Gesetze der Elektrizitätslehre, z. B. das bekannte Coulombsche Gesetz der Elektrostatik, ist vollständig auf den Boden der Fernewirkungsvorstellungen gegründet. Wohl sind die Aussagen klar und einfach, aber es fehlt ein Einblick in allgemeinere Zusammenhänge. Man war noch nicht an der Wurzel der Erkenntnis angelangt und fühlte das. Zahlreich sind die Versuche, welche unternommen wurden, auf fernewirkungstheoretischer Grundlage ein allgemeines Gesetz zu finden, das alle bisherigen Teilerkenntnisse umfaßte. Diese Versuche sind heute der Vergessenheit anheimgefallen. Der bedeutendste unter ihnen stammt von dem trefflichen Physiker

Wilhelm Weber. Er stellte 1846 ein elektrisches Grundgesetz auf, aus welchem sich auf deduktivem Wege nahezu alle in damaliger Zeit bekannten elektro dynamischen Beziehungen herleiten ließen. Diese Leistung fand allgemeine Anerkennung. Ein Freund und Mitarbeiter von Weber, Rudolf Kohlrausch, äußerte sich darüber: «Die Richtigkeit des Weberschen Gesetzes an und für sich wird keiner bezweifeln, wenn er einmal gesehen hat, wie dasselbe allen Ansprüchen genügt», und noch viel später urteilte Heinrich Hertz über dieses Gesetz: «Man mag über seine Richtigkeit denken wie man will, die Gesamtheit dieser Bestrebungen bildete ein in sich geschlossenes System voll wissenschaftlichen Reizes; wer einmal in den Zauberkreis desselben hineingetreten war, blieb in demselben gefangen.

In diesem Zusammenhange dürfte die folgende Einzelheit nicht ohne Interesse sein. Weber hatte seinem Freunde, dem großen Mathematiker Gauß in Göttingen. Kenntnis von seinen Überlegungen gegeben. Gauß, der schon etwa um das Jahr 1835 herum sich eingehend mit elektrodynamischen Problemen befaßt hatte, antwortete ihm in einem Briefe vom 19. März 1845: «Hochgeschätzter Freund! Ich würde ohne Zweifel meine Untersuchungen längst bekanntgemacht haben, hätte nicht zu der Zeit, wo ich sie abbrach, das gefehlt, was ich wie den eigentlichen Schlußstein betrachtet hatte, nämlich die Ableitung der Zusatzkräfte, und zwar nicht aus der unvermittelten Fernewirkung, sondern, auf ähnliche Weise wie beim Licht, aus einer in der Zeit sich fortpflanzenden Wirkung. Mir hatte das damals nicht gelingen wollen; ich verließ aber, soviel ich mich erinnere, die Untersuchung doch nicht ganz ohne Hoffnung, daß (lies später vielleicht gelingen könnte, obwohl erinnere ich mich recht mit der subjektiven Überzeugung, daß es vorher nötig sei, sich von der Art, wie die Fortpflanzung geschieht, eine konstruierbare Vorstellung zu machen.» Welche Sehergabe besaß doch Gauß auch auf dem Gebiete der Physik, wenn er schon von einer dem Lichte ähnlichen Fortpflanzung der elektrischen Kräfte spricht, von der man eine konstruierbare Vorstellung haben sollte!

Das Auffinden solcher konstruierbarer Vorstellungen bedurfte

aber neuer, aus dem Erfahrungserlebnis geschöpfter Gedanken und mußte einem genialen Experimentator vorbehalten bleiben. Dieser war Michael Faraday. Sohn eines armen Hufschmiedes, ursprünglich Buchbindergeselle, kam er mit 22 Jahren in das Laboratorium des Chemikers und Physikers Davy in der Royal Institution in London und blieb hier nun während seines ganzen Lebens, erst als Laboratoriumsgehilfe, Kammerdiener und Sekretär Davys, später als dessen Nachfolger. Sein Einfühlungsvermögen in die Vorgänge der Natur war von einzigartiger Vollkommenheit. Für ihn bedeutete die Natur das große Webermeisterstück, wo alles Beziehung, Verkettung und Verknüpfung ist. Sein begnadetes Auge ließ ihn in ihrem Walten, mit Faust, schauend erkennen,

«Wie alles sieh zum Ganzen webt,
Eins in dem andern wirkt und lebt;
Wie Himmelskräfte auf und nieder steigen
Und sich die goldnen Eimer reichen!»

Angeregt durch die Untersuchungen Oersteds und Ampères, erfand Faraday schon 1821 seine bekannten Rotationsmechanismen und damit die ersten Modelle elektrischer Maschinen. Von jener Zeit an suchte er unablässig nach einer Möglichkeit, durch magnetische Wirkungen oder durch elektrische Ströme selbst wiederum elektrische Ströme zu erzeugen. Umsonst. Bis er nach langjährigem Bemühen ani 29. August 1831 in sein Tagebuch eintragen konnte. es sei ihm gelungen, durch veränderliche Magnetfelder elektrische Ströme hervorzurufen. An jenem Tage hatte er das berühmte elektromagnetische Induktionsgesetz gefunden und damit eine Entdeckung gemacht, welche voit der allergrößten Auswirkung fur die Wissenschaft und Technik werden sollte. In weiteren neun Tagen gelangte er zu denjenigen Resultaten, welche er später am Anfang seiner «Experimental Researches in Electricity» veröffentlichte. und innerhalb von weniger als einem Vierteljahr gelang es ihm. die einwandfreie und endgültige Formulierung des elektromagnetischen Induktionsgesetzes aufzustellen. Von den vielen bedeutenden Erfolgen Faradays war dies der größte. Er war damals vierzig Jahre alt.

Faraday ist der Vater der Nahewirkungslehre in der Elektrodynamik.

Er schuf die Vorstellung der elektrischen und magnetischen Felder, wodurch die gesamte spätere Entwicklung in eine neue, fruchtbare Bahn gelenkt wurde. Allgemein bekannt ist das Experiment, bei welchem man Eisenfeilichte auf ein Stück Papier streut und dann beobachtet, daß in der Nähe eines Magneten diese Eisenfeilichte längs deutlich erkennbaren Linien sich ordnen. Diese Linienzüge nennt man magnetische Kraftlinien oder Feldlinien. Mit etwas veränderten Versuchsbedingungen lassen sich auch elektrische Kraftlinien zur Darstellung bringen. So einfach diese Dinge scheinen, so schwer ist es, ihre tiefere Bedeutung klarzumachen. Wir müssen uns nämlich denken, daß der Raum, in welchem Kraftlinien nachweisbar sind, und welcher als elektrisches, beziehungsweise magnetisches Feld bezeichnet wird, in einem eigenartigen Zustande des Dranges und Zwanges sich befindet. Die Kraftlinien sind das Mittel zur Beschreibung dieses Zustandes. Ihre Zahl und Dichte veranschaulicht die örtliche Stärke des Feldes; längs der Kraftlinien herrscht ein Zug und quer zu ihnen ein Druck. Der Feldbegriff ist mehr als eine bloße Gedankenkonstruktion; ihm entspricht eine bestimmte physikalische Realität. Der Physiker hat längst gelernt, das eigene Ich und seine Empfindungen nicht mehr zum Maßstab aller Dinge zu nehmen und auch das als Wirklichkeit gelten zu lassen, was den unmittelbaren Sinneswahrnehmungen zwar entzogen sein kann, aber durch Meßinstrumente nachweisbar ist. Für ihn sind die elektrischen und magnetischen Felder Realitäten, ebensogut wie das Licht eines unsichtbaren Spektralbereiches oder die Töne eines unhörbaren Klangbereiches.

Faraday hat nie gerechnet. Sein bedeutendstes Werk, die «Experimental Researches in Electricity», umfaßt drei Bände und über 3000 numerierte Abschnitte, enthält aber keine einzige Formel. Dies hängt mit der Singularität von Faradays Begabung zusammen. So wie bei dem großen Schweizer Geometer Jakob Steiner das Vermögen der geometrischen Vorstellung nahezu unbegrenzt erscheint, und er bei den schwierigsten Problemen die Lösungen einfach sah, so finden wir hei Faraday die Fähigkeit, das physikalische Geschehen ganz unmittelbar zu erfassen. Und doch stellt kein Geringerer als James Clerk Maxwell ihn auf die Stufe eines bedeutenden Mathematikers.

Maxwell sagt wörtlich: «Es ist in der Tat so, daß niemand eine exakte Wissenschaft mit Erfolg pflegen kann, ohne die für dieses Wissensgebiet besonders geeignete Art von Mathematik zu kennen. Ich bin daher nicht der Auffassung, daß nur die an sich so nützlichen Rechnungen und Gleichungen die ganze Mathematik ausmachen. Die Rechnung ist nur ein Teil der Mathematik. Die Geometrie der Lage ist ein Beispiel für ein mathematisches Spezialgebiet, welches ohne die Hülfe von eigentlicher Rechnung aufgebaut werden kann. Faradays Kraftlinien kommt nun innerhalb der Elektrodynamik dieselbe Stellung zu wie den Linienbüscheln in der Geometrie der Lage. Sie liefern eine Methode, uns im Geiste ein klares Bild von den Dingen zu entwerfen, mit welchen wir uns beschäftigen. Die Art und Weise, wie Faraday die Vorstellung seiner Kraftlinien herbeizog und sie mit dem Phänomen der elektromagnetischen Induktion verknüpfte, beweist, daß er in Wirklichkeit ein Mathematiker von hohem Range war.»

Und doch blieben Faradays Gedankengänge seinen Zeitgenossen größtenteils unverständlich. Viel später noch schildert uns der große Physiker Hermann von Helmholtz die Schwierigkeiten, welche ihm das Studium der Faradayschen Arbeiten bereitete, mit folgenden Worten: «Ich möchte Faradays Zeitgenossen nicht herabsetzen, weil seine Worte ihnen unbestimmt und dunkel erschienen; ich weiß zu wohl, wie oft ich selbst gesessen habe, hoffnungslos auf eine seiner Beschreibungen von Kraftlinien und von deren Zahl und Spannung starrend oder den Sinn von Sätzen suchend, wo der galvanische Strom als eine Achse der Kraft bezeichnet wird, und ähnliches mehr.» Dann führt Helmholtz weiter aus: «Jede tiefgreifende Veränderung der grundlegenden Prinzipien und Voraussetzungen einer Wissenschaft führt notwendig die Bildung neuer abstrakter Begriffe und ungewohnter Vorstellungsverbindungen mit sich. Neue Abstraktionen in allgemeinen Sätzen zu definieren, so daß nicht Mißverständnisse aller Art vorkommen könnten, ist sehr schwer. Dem Urheber eines solchen neuen Gedankens wird es meist viel schwerer herauszufinden, warum die anderen ihn nicht verstehen, als ihm die Entdeckung der neuen Wahrheit gewesen. Es brauchte einen zweiten Mann von derselben Tiefe und Selbständigkeit

der Einsicht, der berufen war, in den normalen Formen des systematischen Denkens das große Gebäude auszuführen, dessen Plan Faraday in seinem Geiste entworfen hatte. Dieser zweite Mann war James Clerk Maxwell.»

James Clerk Maxwell wurde am 13. Juni 1831 in Edinburgh geboren als Sproß einer alten schottländischen Familie. Er sollte ursprünglich wie sein Vater Advokat werden, entschloß sich dann aber zu einer der reinen Wissenschaft gewidmeten Laufbahn. Im Dezember 1850 trat er in das Trinity College in Cambridge ein, wo auch der große Newton seine Ausbildung genossen hatte. «Er brachte», so berichtet ein früherer Schulkamerad von ihm, «eine für einen so jungen Mann ungeheure Menge von Kenntnissen mit, aber so ungeordnet, daß seine auf das Methodische bedachten Lehrer sich oft darob entsetzten.» Er liebte nicht nur die Poesie, sondern dichtete auch selbst gern. Seine Schriften zeichnen sich denn auch durch literarische Vollendung aus. Der tiefe und künstlerisch veranlagte Ludwig Boltzmann hat Maxwell einen Dramatiker unter den Physikern genannt. Die Wucht der Gestaltung und der Reichtum der Vorstellungswelt in Maxwells Werken atmen in der Tat einen Geist, der vom Erbe Shakespeares zeugt.

Vierundzwanzig Jahre alt, schrieb Maxwell seine erste größere Abhandlung, «Über Faradays Kraftlinien», mit einer kurzen, aber hochbedeutenden und von seltener Reife zeugenden Einleitung. Eine Reihe von Jahren später erschienen weitere Aufsätze, zusammengefaßt unter dem Titel «Über physikalische Kraftlinien», und 1864 trug er vor der Royal Society seine berühmte große Abhandlung vor über «Eine dynamische Theorie des elektromagnetischen Feldes». In dieser Theorie sind jene partiellen Differenzialgleichungen niedergelegt, welche noch heute Maxwells Namen tragen und welche ihn unsterblich gemacht haben. Diese Gleichungen bilden den Schlüssel zur Erkenntnis alles elektrodynamischen Geschehens, einschließlich eines großen Teiles der Lehre vom Licht und einschließlich der weitverzweigten technischen Anwendungen. Ludwig Boltzmann hat später dem zweiten Teile seiner Vorlesungen über Maxwells Theorie tier Elektrizität — Goethe frei abwandelnd — die Worte vorangesetzt:

«War es ein Gott, der diese Zeilen schrieb.
Die mit geheimnisvoll verborgnem Trieb
Die Kräfte der Natur um mich enthüllen
Und mir das Herz mit stiller Freude füllen?»

Maxwells Werk bedeutet den großen Wendepunkt in dei Entwicklung der Elektrodynamik. Maxwell betonte ursprünglich, daß er nicht daran denke, eine eigentliche Theorie aufzustellen, sondern im Gegenteil nur versuchen wolle, an Hand von mechanischen Analogien — gewissermaßen in der Sprache von Gleichnissen —, welche unserem Denkvermögen leicht zugänglich sind, physikalische Vorstellungen zu gewinnen, die der weiteren Entwicklung eher förderlich als hinderlich sein sollten. Er hoffe dadurch die Gefahr zu vermeiden, welche eine auf voreiligen Hypothesen aufgebaute Theorie mit sich bringt. «Denn», sagt er, «wenn wir eine physikalische Hypothese wählen, so sehen wir die Erscheinungen wie durch eine gefärbte Brille und sind zu jener Blindheit gegen Tatsachen und Voreiligkeit in den Annahmen geneigt, welche eine auf einem einseitigen Standpunkte stehende Erklärung begünstigt.» Die Maxwellschen Modellvorstellungen sind im Grunde hochinteressant, jedoch kommt ihnen heute keine praktische Bedeutung mehr zu. Sie konnten fallen. nachdem das Ziel, nämlich die Aufstellung der Feldgleichungen, erreicht war, so wie das Gerüst zu beseitigen ist, wenn der Bau vollendet dasteht.

Aus den Maxwellschen Gleichungen geht hervor, daß jeder elektrische oder magnetische Vorgang den Charakter eines Wellenphänomens besitzt. Die Lehre vom Gleichstrom, die Elektrostatik und die Magnetostatik bilden Grenzfälle davon. Mit Maxwell beginnt das Wellenphänomen eine zentrale Bedeutung in der Physik zu gewinnen. Die elektrischen und magnetischen Felder pflanzen sich von Punkt zu Punkt wellenartig im Raume fort, wobei sie sich gegenseitig auseinander erzeugen. Fernewirkungen gibt es keine mehr. Die alten Fernewirkungsgesetze stellen sich als Näherungen dar für den Fall nicht zu großer Entfernungen. Maxwell hat die Lehre von den elektrischen Wellen rein theoretisch erschlossen. Erst ein Vierteljahrhundert später gelang Heinrich

Hertz deren experimenteller Nachweis, worauf dann die großen Anwendungen in der drahtlosen Telegraphie und Telephonie folgen konnten. Doch erkannte Maxwell mit voller Klarheit die Identität der elektrischen Wellen mit dem Lichte. So schlug seine Theorie eine mächtige Brücke zwischen zwei Gebieten der Physik. welche bisher nur in loser Beziehung zueinander gestanden hatten: der Elektrizitätslehre und der Optik.

Den Beweis von der Wesensgleichheit zwischen den elektrischen Wellen und dem Lichte baute Maxwell auf Versuche von Wilhelm Weber und Rudolf Kohlrausch. Diese Physiker hatten 1 856 mit einer für die damalige Zeit erstaunlichen Genauigkeit das Verhältnis der elektromagnetisch gemessenen Einheit der Stromstärke zu deren elektrostatisch gemessenem Werte ermittelt. Ihre Methode bestand darin, daß sie die Ladungsmenge eines Kondensators elektrostatisch bestimmten und dann mit einem Galvanometer den Strom maßen, der bei der Entladung des Kondensators sich einstellte. Für die Verhältniszahl, welche merkwürdigerweise den physikalischen Sinn einer Geschwindigkeit besaß, fanden sie den Betrag von 310000 Kilometern in der Sekunde. Nach Maxwell ist nun die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der elektrischen Wellen im leeren Raume gleich dieser Verhältniszahl. Schon 1862 sagte er in seiner Abhandlung «Über physikalische Kraftlinien» in ebenso scharfsinniger wie kühner Erkenntnis tier Dinge: «Die Geschwindigkeit der Transversalschwingungen, welche sich für unser Medium aus den elektromagnetischen Experimenten von Weber und Kohlrausch ergibt, stimmt so genau mit der aus optischen Experimenten berechneten Geschwindigkeit des Lichtes überein, dass wir kaum den Gedanken zurückweisen können, daß das Licht aus Transversalschwingungen desselben Mediums besteht, welches auch die Ursache der elektrischen und magnetischen Erscheinungen ist. So wollte es das Schicksal, daß die Vertreter dor Fernewirkungslehre den ersten und wichtigsten Beitrag für den Nachweis der Richtigkeit der Nahewirkungstheorie lieferten.

Maxwells Theorie fand nur langsam Eingang in die Wissenschaft. Ihrer Verbreitung stand lindernd im Wege einerseits das Ungewöhnliche, das ihr anhaftete, anderseits die immer noch starke

Position der Fernewirkungs-Anschauungen, Bahnbrechend wirkte endlich Maxwells großes Standardwerk «A Treatise on Electricity and Magnetism», das 1873 erschien und von dem er nicht ohne Stolz sagte: «Ich habe es nicht als Richter, sondern wie ein Advokat geschrieben.» Maxwell starb 1879, 48jährig, als erster Professor für Experimentalphysik des von ihm eingerichteten und nachmals zu so hoher Berühmtheit gelangten Cavendish-Laboratoriums in Cambridge.

Zu den frühesten und bedeutendsten Förderern Faraday-Maxwellschen Gedankengutes auf dein europäischen Kontinente zählte Hermann von Helmholtz. Hermann von Helmholtz, zehn Jahre älter als Maxwell, universell begabt, der Musik, Dichtkunst und Malerei zugetan, war zugleich Physiker, Physiolog, Mathematiker und Philosoph. Mit Recht reiht man ihn unter die bedeutendsten Forscher des 19. Jahrhunderts ein. Bande der Freundschaft verknüpften ihn besonders auch mit dem englischen Physikerkreis. Maxwell zählte zu seinen größten Verehrern. In einem Lebensbilde, welches Maxwell von Helmholtz entwarf, nennt er ihn einen «intellectual giant», einen Riesen an Geisteskraft. Helmholtz hatte bereits bedeutende Arbeiten über Elektrodynamik veröffentlicht und war zur Einsicht gekommen, daß die Fernewirkungstheorien zu Widersprüchen mit den Axiomen der Mechanik fuhren, wenn man sie auf ungeschlossene Ströme anwendet. Nach der Maxwellschen Theorie besteht nun neben den Leitungsströmen eine weitere Art von Strömen. welche Maxwell Verschiebungsströme nannte. Diese Verschiebungsströme treten vor allem bei raschen Feldänderungen in Nichtleitern auf und besitzen die Fähigkeit, in sich selbst geschlossene Stromkreise zu bilden oder offene Leitungsströme zu geschlossenen Kreisen zu ergänzen. Nachdem Helmholtz einmal die Überlegenheit der Faraday-Maxwellschen Anschauungen erkannt hatte, suchte er folgerichtig nach experimentellen Beweisen für das Vorhandensein solcher Verschiebungsströme und damit nach weiteren Möglichkeiten der Entscheidung zwischen Nahewirkungstheorie und Fernewirkungstheorie. Helmholtz bemühte sich vor allem auch, das Interesse seiner Schüler

auf die neuen Problemstellungen zu lenken. Unter diesen Schülern ragte vor allen hervor Heinrich Hertz.

Heinrich Hertz ist bekannt geworden als Entdecker der nach ihm benannten Hertzschen Wellen. Er ist daher zugleich der eigentliche Begründer der drahtlosen Telegraphie und Telephonie. Seine großen Experimentaluntersuchungen fallen in sein 28. bis 32. Lebensjahr oder in die Zeit, während der er als Professor der Physik am Polytechnikum in Karlsruhe tätig war. Die Tagebücher von Hertz sind uns zu einem großen Teil noch erhalten. In anschaulicher und zugleich spannender Lebendigkeit entrollt sich uns hier ein Bild des Entwicklungsganges seiner Arbeiten von tier Konzeption der ersten Gedanken bis zum glücklich vollendeten Versuche. Am 16. September 1886 schreibt er: «Unschlüssig, welche Arbeit zu beginnen», am 4. Oktober 1886: «Funkenversuche», am 13. November 1886: «Geglückt, die Induktion zweier ungeschlossener Stromkreise aufeinander darzustellen», und am 5. Dezember 1886 folgt ein Brief an den verehrten Lehrer Helmholtz: «... Es ist mir nämlich gelungen, sehr sichtbar die Induktionswirkung eines ungeschlossenen geradlinigen Stromes» (heute würden wir sagen: einer Antenne) «auf einen andern ungeschlossenen geradlinigen Strom darzustellen, und ich darf hoffen, daß der betretene Weg mit der Zeit die eine oder andere an diese Erscheinung sich knüpfende Frage zu lösen gestatten wird.» Er stellt nun durch Funkenentladungen Wellen von wenigen Dezimetern Wellenlänge her und zeigt deren lichtähnliche Reflexion und Brechung. Große Hohlspiegel werden hergestellt und Ablenkprismen aus Asphalt, Pech oder Schwefel gegossen. Seinem Vater gesteht er in einem Briefe. daß zum Gelingen der Versuche neun Zentner Pech (!) notwendig waren und fährt dann weiter: «Die Arbeit, die ich in den nächsten Tagen mit Gottes Hilfe beendigen werde, ist eigentlich eine Lösung der Aufgabe. welche im Jahre 1879 die Berliner Akademie gestellt hat. welche aber ohne Bearbeitung geblieben ist. Helmholtz forderte mich damals zur Bearbeitung auf. aber ich stand davon ab, da ich gar keinen gangbaren Weg sah. Jetzt ist es mir fast spielend geglückt, auf einem Wege, der damals freilich nicht zu vermuten war. Darum ist die Arbeit für mich eine Art persönlichen Triumphes.

Diesen persönlichen Triumph durfte er in sichtbarer Weise entgegennehmen, als er im September 1889 an der Versammlung deutscher Naturforscher und Ärzte in Heidelberg seinen berühmt gewordenen Vortrag hielt «Über die Beziehungen zwischen Licht und Elektrizität.» Darin führte er unter anderem aus: «Was ist das Licht? Wir wissen, daß es eine Wellenbewegung ist. Wir kennen die Geschwindigkeit der Wellen, wir kennen ihre Länge, wir wissen, daß es Transversalwellen sind, wir kennen mit einem Worte die geometrischen Verhältnisse der Bewegung vollkommen. An diesen Dingen ist ein Zweifel nicht mehr möglich; eine Widerlegung dieser Anschauung ist für den Physiker undenkbar. Die Wellentheorie des Lichtes ist, menschlich gesprochen, Gewißheit: was aus derselben mit Notwendigkeit folgt, ist gleichfalls Gewißheit. Es ist also auch gewiß, daß aller Raum, von dem wir Kunde haben, nicht leer ist, sondern erfüllt von einem Stoffe, welcher fähig ist, Wellen zu schlagen, dem Aether.» Und nun bezeichnet Heinrich Hertz die Frage nach der Natur dieses Aethers als die brennende Tagesfrage der Physik, indem er fortfährt: «Immer mehr gewinnt es den Anschein, als überrage diese Frage alle übrigen, als müsse die Kenntnis des Aethers uns auch das Wesen der alten Materie und ihrer innersten Eigenschaften, der Schwere und der Trägheit, offenbaren.» Es sind (lies Worte von prophetischer Tiefe.

Die nun folgende Entwicklung hat Hertz nicht mehr erlebt. Er starb am 1. januar 1894, noch nicht 37 Jahre alt, ein unerschöpflich spendender Geist in einem erschöpften Körper. Die Elektrodynamik entwickelte sich nun zunächst in einer Richtung, welche bereits Maxwell vorgeschwebt hatte und schon vor ihm durch Wilhelm Weber angebahnt worden war, nämlich nach der Seite der Atomtheorie. Helmholtz schloß 1881 als einer der ersten aus den Gesetzen der Elektrolyse, daß die Elektrizität nicht ein beliebig unterteilbares Fluidum sein könne, sondern daß auch sie letzten Endes eine diskrete Struktur aufweise und aus letzten Ladungselementen bestehe, den positiven und negativen Elementarladungen. Diese Anschauung fand ihre Bestätigung bei den Untersuchungen der Ionen- und Elektronenstrahlen in den

elektrischen Gasentladungen und wurde zum Ausgangspunkt einer großangelegten Elektronentheorie der Materie. Als deren bedeutendsten Vertreter dürfen wir den hochbegabten Holländer Hendrik Anton Lorentz bezeichnen. Nach Lorentz gibt es einen Äther. welcher im unendlichen Raume in absoluter Ruhe sich befindet. und in welchem die Maxwellschen Gleichungen strenge Gültigkeit besitzen. Die Materie baut sich aus den positiven Atomladungen und den negativen Elektronen auf, indem sie ein mehr oder weniger geordnetes lockeres und löchriges Gerüst bildet. Durch die Materie werden jene Modifikationen der elektrischen und magnetischen Felder bewirkt, welche, makroskopisch gemessen, in den Materialkonstanten der Stoffe zum Ausdruck gelangen. Der eigentliche Träger der Felder bleibt jedoch der Äther. So rückt auch in der Elektronentheorie der Materie das Ätherproblem schließlich wiederum gegen den Schwerpunkt der Betrachtung. Eine besonders kritische Lage wurde nun durch die Einbeziehung bewegter Körper in den Kreis der Untersuchungen, d. h. durch die Fragen der Elektrodynamik bewegter Körper, geschaffen.

Im ruhenden Äther muß ein elektromagnetisches Signal, z. B. ein Zeitzeichen oder ein Lichtblitz, als Kugelwelle sich ausbreiten. Es scheint fast selbstverständlich, daß ein in Bewegung befindlicher Beobachter, der von seiner eigenen Bewegung nichts weiß. den Eindruck gewinnt, daß diese Welle in einer bestimmten Richtung —es ist dies die Bewegungsrichtung des Beobachters — sich weniger rasch fortpflanzt als in der entgegengesetzten Richtung. Nun finden sich aber in der Natur keinerlei schlüssige Beweise für das Bestehen eines solchen Effektes; die feinsten Meßmethoden führen zu negativen Resultaten. Ob wir relativ zur Sonne im Raume ruhen, oder ob wir mit der außerordentlichen Geschwindigkeit von rund 100000 Kilometern in der Stunde nut der Erde auf ihrer Bahn uns bewegen, immer ist das überraschende und zunächst unbegreifliche Ergebnis festzustellen, daß ein von einem Punkte aus gesendetes elektromagnetisches Signal uns als Kugelwelle erscheint. Das heißt aber, daß eine Relativbewegung der Erde oder irgendeines bewegten Körpers zu dem als ruhend gedachten Äther nicht nachweisbar ist. Daraus läßt sich weiter folgern,

daß unsere Experimentierkunst, mit andern Worten unsere Erfahrung, uns den Nachweis für das Bestehen eines mit substanziellen Eigenschaften begabten Äthers nicht zu erbringen vermag. Der Äther hat jedes Versuches gespottet. ihn mechanisch zu begreifen, und damit reifte schließlich die Erkenntnis, (laß die Natur überhaupt auf der Grundlage der Mechanik allein nicht verstanden werden kann.

Den scheinbar unlösbaren gordischen Knoten, welchen das Ätherproblem bildete, mit dem Schwert des Geistes zerteilt zu haben, ist Albert Einsteins Verdienst. Wir finden den Namen Albert Einstein in den Verzeichnissen der Studierenden am Eidgenössischen Polytechnikum in den Jahren 1897-1900 zusammen mit denjenigen seiner Studienkameraden Marcel Großmann und Louis Kollros. Der junge Akademiker scheint schon früh eigene Wege gegangen zu sein. Die Direktion sieht sich veranlaßt, auf Antrag des Professors für Physik Einstein einen Verweis zu erteilen wegen Vernachlässigung des Physikalischen Praktikums. Nach abgelegter Diplomprüfung wird Einstein Ingenieur am Eidgenössischen Patentamt. Er entfaltet nun auf dern Gebiete der theoretischen Physik eine wissenschaftliche Tätigkeit von erstaunlicher Fruchtbarkeit und Tiefe. Im Jahre 1905 erscheint in den Annalen der Physik seine inhaltsschwere Abhandlung «Zur Elektrodynamik bewegter Körper». Erst 26jährig, holt er hier mit seltener Zielsicherheit aus zu einer großen Revision unserer Vorstellungen über Zeit und Raum. Tiefschürfend den grundlegenden Unterschied zwischen Denkgewohnheiten und Denknotwendigkeiten erkennend. stellt er sein berühmtes Prinzip der Relativität auf, zusammen mit dem Prinzip von der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit. «Die zu entwickelnde Theorie», sagt er in der Einleitung, «stützt sich — wie jede andere Elektrodynamik — auf die Kinematik des starren Körpers, da die Aussagen einer jeden Theorie Beziehungen zwischen starren Körpern (Koordinatensystemen), Uhren und elektromagnetischen Prozessen betreffen. Die nicht genügende Berücksichtigung dieses Umstandes ist die Wurzel der Schwierigkeiten mit denen die Elektrodynamik bewegter Körper gegenwärtig zu kämpfen hat.»

Und er stellt sich nun die Frage: «Welche Beziehungen müssen in der Welt der Physik bestehen, wenn es grundsätzlich unmöglich sein soll, irgendeine stoffliche Eigenschaft des Trägers der elektromagnetischen Wellen nachzuweisen?» Er zeigt, daß es auf diese Frage eine klar umschriebene Antwort gibt und daß diese Antwort identisch ist mit dem Postulat, daß die Naturgesetze ihre Form nicht ändern sollen, wenn man von einem ursprünglichen Koordinatensystem zu einem neuen, relativ zu ihm in gleichförmiger Translationsbewegung begriffenen übergeht. Dies ist eier Kern der sogenannten speziellen Relativitätstheorie, welche Einsteins Namen in alle Welt getragen hat. Die Durchführung seines Postulates gelang Einstein durch eine geistreiche Abklärung des Begriffes der Gleichzeitigkeit zweier räumlich getrennter Ereignisse. Diese Art der Gleichzeitigkeit muß nämlich definiert werden, denn nur die Gleichzeitigkeit von Vorgängen, welche am selben Ort stattfinden, ist der Erfahrung direkt zugänglich. Nach der Relativitätstheorie gibt es keine Gleichzeitigkeit im absoluten Sinne, und als Folge davon wird die Vorstellung von unvermittelten Fernewirkungen unhaltbar. In der relativistischen Elektrodynamik ist von vornherein kein Platz mehr da für Fernkräfte. Nur im Falle, daß die Lichtgeschwindigkeit als sehr groß betrachtet werden darf gegenüber jeder sonst vorkommenden Geschwindigkeit, bleiben die alten Fernewirkungsgesetze als Näherungen bestehen. Die Maxwellschen Gleichungen behalten jedoch ganz allgemein ihre volle und strenge Richtigkeit. Der Schütze Maxwell hatte gut getroffen; daß der Pfeil in der Mitte saß, bewies Albert Einstein.

An der Naturforscherversammlung in Salzburg 1908 war der junge Ingenieur des Eidgenössischen Patentamtes der Mittelpunkt der physikalischen Welt; 1909 erfolgte Einsteins Berufung an die Universität Zürich, womit er die Reihe der großen theoretischen Physiker eröffnete, deren unsere Schwesteranstalt sich rühmen darf; 1912-1914 finden wir ihn an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich.

Der Ausbau der Elektrodynamik auf Grund des Relativitätsprinzipes führt in die Sphären höchster Abstraktion. Und doch läßt sich wohl keine angemessenere mathematische Form für die

Elektrodynamik denken als die relativistische. Das Gewand der relativistischen Formulierung ist der elektrodynamischen Feldtheorie so angepaßt wie im Märchen der Schuh an tien Fuß des Aschenbrödels. Es wird eine vierdimensionale Welt geschaffen, in welcher zu den drei Raumdimensionen noch als vierte, zwar imaginär, aber formal gleichwertig, die Zeitdimension tritt. Aller Flittertand von Vorstellungen, der einmal aus der Kammer der Alltagswelt entlehnt worden war, muß fallen. Anschauung und Sinnenwelt spielen kaum eine Rolle mehr. Die Denkökonomie der mathematischen Sprache leistet das Äußerste an Präzision und Kürze. In Gleichungen von wenigen Zeilen findet sich Grundsätzlichstes zusammengedrängt; eine Welt liegt in einer Nußschale gefangen. Das Naturgeschehen ergibt sich als Verwirklichung dessen, was an sich als das mathematisch überhaupt denkbar Einfachste erscheint. Die Elektrodynamik geht auf in einer Art Geometrie. Der Raumbegriff wird erweitert und zu einem neuartigen Fundament der Physik. Der Raum bleibt nicht mehr das passive Gefäß alles Geschehens, sondern er übernimmt die Rolle welche man immer dem Äther zuschreiben wollte. Er ist der Träger tier elektrischen und magnetischen Felder; (liese sind physikalische Zustände des Raumes.

Es ist, wie wenn in dieser Art Physik der alte Traum vieler Dichter und Denker von den Urbildern aller Dinge in Erfüllung gegangen wäre. Goethe schildert uns durch den Mund des Mephisto diese Welt der Urbilder in folgenden Zeilen:

«Nichts wirst du sehn in ewig leerer Ferne.
Den Schritt nicht hören, den du tust.
Nichts Festes finden, WO du ruhst!»

Worauf Faust zuversichtlich antwortet:

«Nur immer zu! wir wollen es ergründen —
In deinem Nichts hoff ich das All zu finden.»

Und es ist so: die relativistische Fassung der Elektrodynamik enthält — wenigstens zu einem großen Teile — das All der Elektrizitätslehre, ja der ganzen Physik.

Die Elektrodynamik, so wie sie aus dem geschilderten Entwicklungsgange

herausgewachsen ist, wollen wir die klassische Elektrodynamik nennen. Viel mehr, als wir uns dessen im allgemeinen bewußt sind, ist ihr geschichtlicher Verlauf durch die großen Forscherpersönlichkeiten des 19. Jahrhunderts bestimmt worden. Die Werke dieser Männer sind umstrahlt vom unvergänglichen Glanze der Einmaligkeit. Die Elektrodynamik des 20. Jahrhunderts zeigt neue Aspekte. Aufs tiefste wird sie berührt durch die Problematik der Beziehungen zwischen Welle und Korpuskel. Der Stern, welcher dieser neuen Ära vorausleuchtete. wurde von dem deutschen Physiker Max Planck im Jahre 1900 entdeckt und von ihm «das universelle Wirkungsquantum» genannt. In seinem Zeichen begann die Physik neue Reiche zu gründen.

Was das 19. Jahrhundert geleistet hat, übernehmen wir als Erbe. Dieses Erbe ermöglichte die Schöpfung einer gewaltigen und schicksalbestimmenden Technik. Die Technik ist eine Macht; aber ihre Grundpfeiler heißen Erkenntnis und Arbeit, und daher ist sie in letzter Bestimmung zum Guten berufen. An uns ist es, ihre geschichtliche Sendung zu erkennen und ihren tieferen Sinn zu erfassen. Und wenn wir aus dem uns überkommenen wunderbaren Gefäß des Wissens das Können schöpfen und die Technik formen, dann müssen wir es tun mit dem Bewußtsein tiefster Verantwortung und mit einem unentwegten Glauben an die Ideale.