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JAMES CLERK MAXWELL |
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JAMES CLERK MAXWELL und das elektromagnetische Feld . Lebensdaten: 1831 - 1879. Als das bedeutendste Ereignis des 19. Jahrhunderts«, schreibt RICHARD FEYNMAN, »wird sich Maxwells Entdeckung der Gesetze der Elektrodynamik herausstellen.« Diese Gesetze, sie sind rein mathematischen Inhalts, bestehen aus komplizierten Differentialgleichungen, ihre Bedeutung ist aber leicht zu verstehen: Durch sie wurden Elektrizität und Magnetismus zu einer einzigen, meßbaren Kraft zusammengeführt. Darüber hinaus legen sie dar, daß Licht nur der sichtbare Ausschnitt aus einem sehr viel breiteren Spektrum und Teil des elektromagnetischen Feldes ist - eine Tatsache von enormer Tragweite. In dieser und in seiner Arbeit über die kinetische Gastheorie schuf Maxwell die Grundlagen für die Physik des 20. Jahrhunderts. Seine Forschungen führten direkt zur Radio und Fernsehtechnik, in manchen Bereichen nahm er die Kybernetik vorweg. Oft wird Maxwell auf eine Stufe mit ISAAC NEWTON und ALBERT EINSTEIN gestellt; sein Einfluß kann nicht hoch genug eingeschätzt werden. James Maxwell wurde am 13. Juni 1831 als einziges Kind von John Clerk Maxwell und Frances Kay in Edinburgh, Schottland geboren. Als 1839 seine Mutter an Krebs starb, soll der Achtjährige ausgerufen haben: »Oh, wie bin ich froh! Nun hat sie keine Schmerzen mehr.« Sein Vater war Gutsherr auf einem Anwesen bei Glenlair, Kircudbright, Rechtsanwalt und in seiner Freizeit Erfinder. Maxwells Kindheit könnte als Vorbild für zukünftige Wissenschaftler dienen. Er verstand sich gut mit seinem Vater, war mit einem außergewöhnlichen Gedächtnis gesegnet, und mechanisches Spielzeug übte auf ihn eine Faszination aus, die sein ganzes Leben lang anhielt. 1841 gewann er die Mathematik-Medaille der Edinburgh Academy, bald darauf begann er seinen Vater zu den Sitzungen der Edinburgh Royal Society zu begleiten. Als Vierzehnjähriger verfaßte er einen Artikel über das Zeichnen von Ellipsen mit Nadel und Faden, den die Society veröffentlichte. Ab 1847 besuchte er die Universität von Edinburgh, drei Jahre später das Trinity College in Cambridge. 1854 machte er seinen Abschluß und kehrte nach Schottland zurück, um am Marischal College in Aberdeen zu lehren. 1857 beobachtete er die Saturnringe, seine Aufzeichnungen dazu wurden von der Raumsonde Voyager über ein Jahrhundert später bestätigt. 1860 ging Maxwell ans King's College in London, wo er die fruchtbarsten Jahre seines Lebens verbringen sollte. 1855 formulierte er eine Farbtheorie, 1861 schuf er die erste Farbphotographie - die ein Band mit Schottenmuster zeigt. Ein Jahrzehnt später war er an der Gründung des Cavendish Laboratory beteiligt und wurde dessen erster Direktor. Maxwells Arbeit über den Elektromagnetismus baute auf der seines Vorgängers MICHAEL FARADAY auf. Weder Faraday noch Lord Kelvin, ein Zeitgenosse Maxwells, konnten sich ohne der Hilfe eines mechanischen Modells vorstellen, wie Elektrizität funktioniert. Faraday zufolge erklärten zum Beispiel röhrenförmige »Kraftlinien« die über, Entfernung wirkenden magnetischen Phänomene. So wie Newton Gleichungen zur Erklärung der Mechanik sich bewegender Körper lieferte, ersetzte Maxwell die maschinenhaften Vorstellungen seiner Vorgänger durch ein Modell, das elektrische Phänomene mathematisch beschrieb. Elektrizität war von nun an nichts mehr, das man sich als eine Art Apparat bildlich vorstellen konnte. Bereits 1855 hatte Maxwell versucht, die Ansichten Faradays in eine mathematische Form zu bringen. Seine berühmte Abhandlung »Eine dynamische Theorie des elektromagnetischen Feldes« trug er 1864 der sehr erstaunten Royal Society vor. Darin legte er zum ersten Mal die Grundgleichungen des Elektromagnetismus dar. Sie zeigen, wie elektrische Ladung auf bestimmten Frequenzen - die den Ort der Ladung im elektromagnetischen Spektrum bestimmen -, Wellen durch den Raum sendet. Aufgrund dessen war Maxwell in der Lage, das gesamte elektromagnetische Spektrum vorherzusagen, dem nach heutigem Verständnis Radiowellen, Mikrowellen, Infrarotwellen, Ultraviolett, Röntgen und Gammastrahlen angehören. Die wichtigste Folge der Maxwellschen Gleichungen war jedoch, daß sie die Geschwindigkeit der Elektrizität bei ungefähr 300 000 km/sek. festlegen - was in etwa der experimentell bestimmten Lichtgeschwindigkeit entspricht. »Die Geschwindigkeit liegt so nahe an der des Lichts«, schrieb Maxwell, »daß wir allen Grund zu der Schlußfolgerung haben, daß auch das Licht ... eine elektromagnetische Störung in der Form von Wellen ist, die sich gemäß den elektromagnetischen Gesetzen im elektromagnetischen Feld ausbreitet.« Die volle Bedeutung der Arbeiten Maxwells, die er 1873 zum Lehrbuch der Elektrizität und des Magnetismus erweiterte, wurde nicht sofort erfaßt. Dies lag vorwiegend daran, daß ein Verständnis der atomaren Natur des Elektromagnetismus noch nicht existierte. In den 60er Jahren befaßte sich Maxwell mit der Zusammensetzung von Gasen und den physikalischen Eigenschaften von Molekülen. Im Grunde lieferte Maxwell eine mathematische Beschreibung der Molekülbewegung in einem Gas bei gegebener Temperatur. Zum ersten Mal sah sich Maxwell mit diesem Problem konfrontiert, als er sich in den 50er Jahren mit den Saturnringen beschäftigte. Bald danach entwickelten andere Physiker die Lehrsätze der Energieerhaltung und der Entropie - die thermodynamischen Gesetze. Die große Menge experimentellen Materials ermöglichte schließlich weitere Fortschritte in der Theorie. 1860 verfiel Maxwell auf den Gedanken, das Verhalten von Gasmolekülen statistisch zu beschreiben. In seinem 1867 erschienenen Artikel »Über die dynamische Gastheorie« zeigte er, daß sich bekannte Gase gemäß den theoretischen Vorhersagen verhalten, und 1870 veröffentlichte er sein Lehrbuch Theorie der Wärme. Die Theorie wurde im 19. Jahrhundert zu »einem Grundpfeiler der Vorstellung, was Materie sei«, schrieb Maxwells Biograph Ivan Tolstoy und fügte an: »Wenn Maxwells Theorie des Elektromagnetismus von seinem Genie zeugt, dann läßt sich mit Fug und Recht behaupten, daß ihm die Arbeit zur Molekulartheorie profunde physikalische Einsichten bescheinigt.« Ein letzter Beitrag Maxwells verdient hier wegen seines aktuellen Interesses angeführt zu werden. Sein Artikel » On Governors« (»Über Regler«) bildet eine der Grundlagen für die Mitte des 20. Jahrhunderts entwickelte Theorie der Rückkoppelung, die vor allem mit dem Namen Norbert Wieners in Verbindung gebracht wird. Wieners Kybernetik - abgeleitet vom griechischen Wort für Steuermann - ist eine Anspielung auf Maxwells Begriff. James Clerk Maxwell heiratete 1858 Katherine Mary Dewar. Das Paar blieb kinderlos, und obwohl Biographen manchmal die Ehe als geradezu vorbildlich beschreiben, war Maxwells Frau bei seinen Kollegen nicht besonders angesehen. Sie galt als humorlos, und auf Partys bekam er vor ihr wohl auch manchmal zu hören: »James, du beginnst dich zu amüsieren; es ist an der Zeit zu gehen.« Maxwell kam nicht in den Genuß eines langen Lebens. Er starb am 5. November 1879 im Alter von achtundvierzig Jahren an Magenkrebs, der Krankheit, an der auch seine Mutter gestorben war. Über die Bedeutung Maxwells war man sich zunächst nicht ganz im klaren. Man bewunderte ihn als außergewöhnlichen Wissenschaftler, seine Theorie zum Elektromagnetismus mußte allerdings erst noch bestätigt werden. 1880 sprach HERMANN VON HELMHOLTZ, ein Bewunderer Maxwells, mit einem Studenten - Heinrich Hertz -über die Möglichkeit, Maxwells Gleichungen nachzuweisen. 1888 führte Hertz dann eine Reihe von Experimenten durch, bei denen elektromagnetische Wellen erzeugt und gemessen wurden und der Nachweis geliefert werden konnte, daß sie sich wie Licht verhielten. Maxwells Ansehen wuchs daraufhin beständig, und zusammen mit dem Wiener LUDWIG BOLTZMANN gilt er zurecht als einer der Wissenschaftler, die der Physik des 20. Jahrhunderts den Weg bereitet haben. |
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