James Clerk Maxwell
* 13. Juni 1831 in Edinburgh, + 5. November 1879 in Cambridge
Der Vater war ein Gutsbesitzer und Sonderling, an dem Maxwell mit großer
Liebe hing; er ließ dem Knaben nach dem frühen Tod der Mutter
(deren Familie den Namen Maxwell trug), die beste Schulbildung zuteil werden.
Maxwell studierte drei Jahre Mathematik und Physik in Edinburgh und schoß
1854 sein Studium in Cambridge ab. Ein Jahr später legte er hier seine
erste Arbeit vor, die schon auf die späteren Maxwellschen Gleichungen
zielte.
1856 erhielt Maxwell eine kleine Professur in Aberdeen; von 1860 an
wirkte er für fünf Jahre am King's College in London. Ähnlich
wie Hermann von Helmholtz beschäftigte sich Maxwell mit der Physiologie
des Farbensehens und baute die Dreifarbentheorie von Thomas Young weiter
aus.
Epochemachend
waren Maxwells Arbeiten zur Elektrodynamik, wo er direkt auf den experimentellen
Ergebnissen von Michael Faraday aufbaute
und seine intuitiven Vorstellungen in die mathematisch strenge Form der
Feldphysik brachte. Durch Maxwells vier berühmte Vektorgleichungen
wurden alle Erkenntnisse Faradays zutreffend wiedergegeben. So enthielt
eine dieser Gleichungen als Sonderfall das Induktionsgesetz. Die Gleichungen
beschrieben aber darüber hinaus bereits die Gesetzmäßigkeiten
elektromagnetischer Wellen, die damals experimentell noch nicht realisiert
werden konnten. Dies gelang erst Heinrich Hertz im Jahre 1886. Maxwell
entwickelte als Krönung seiner Arbeiten mit Hilfe seiner Gleichungen
die elektromagnetische Lichttheorie, durch welche die Optik zu einem Teilgebiet
des Elektromagnetismus wurde.
Maxwell führte den Begriff des magnetischen Flusses ein. Diesem
Begriff liegt die Vorstellung zugrunde, daß das magnetische Feld
in der Art eines Flusses die Induktionsspule durchfluten muß, damit
bei der Änderung des Flusses Spannung induziert wird. In der Tat lassen
sich viele Eigenschaften elektrischer und magnetischer Felder am Modell
des Strömungsfeldes einer Flüssigkeit veranschaulichen. Die feldbestimmenden
Ladungen eines elektrischen Feldes sind in dieser Betrachtungsweise Quellen
und Senken. Dem Fehlen magnetischer Ladungen entsprechend hat das magnetische
Feld keine Quellen und Senken; es ist ein Wirbelfeld mit Wirbeln der magnetischen
Flußdichte um die felderzeugenden elektrischen Ströme. Von diesen
Modellvorstellungen machten Faraday, der Experimentator, und Maxwell, der
Theoretiker des Elektromagnetismus, ausgiebig Gebrauch.
Die vollen Maxwellschen Gleichungen wurden 1862 im Philosophical Magazine
unter dem Titel "On Physical Lines of Force" veröffentlicht. In der
Einführung des Verschiebungsstromes ging Maxwell über Faraday
hinaus; nach Maxwell muß ein sich änderndes elektrisches Feld
in einem Kondensator wie ein elektrischer Strom magnetische Wirkungen zeigen.
Gerade diese Annahme führte zur Möglichkeit transversaler elektromagnetischer
Wellen. Über die mathematisch errechnete Fortpflanzungsgeschwindigkeit
schrieb Maxwell 1864: "This velo-city is so nearly that of light, that
it seems we have strong reason to conclude that light itself (including
radiant heat, and other radiation if any) is an electromagnetic disturbance
in the form of wave propagated through the electromagnetic field according
to electromagnetic laws."1873 legte Maxwell in dem zweibändigen "Treatise"
eine Zusammenfassung aller bisherigen Arbeiten vor; die Maxwellschen Gleichungen
erschienen dabei in einer komplizierteren Form; erst Heinrich
Hertz
und Oliver Heaviside griffen auf die ursprüngliche Fassung zurück.
Es dauerte Jahrzehnte, bis die Maxwellschen Gleichungen voll verstanden
und anerkannt wurden. Dann aber bildete die "Maxwellsche Elektrodynamik"
zusammen mit der noch von Newton stammenden Mechanik das stolze Gebäude
der klassischen Physik. Ludwig Boltzmann, der selbst viel zur Einführung
der Maxwellschen Gleichungen beitrug, stellte in Bewunderung ihrer Schönheit
und Symmetrie dem Teil 2 seiner "Vorlesungen über Maxwells Theorie"
als Motto das Goethewort voran: "War es ein Gott, der diese Zeichen schrieb
[?]".
Auch auf dem Gebiete der kinetischen Gastheorie leistete Maxwell Bahnbrechendes.
Er griff die Ansätze von August Karl Krönig und Rudolf Clausius
auf; während diese nur die mittlere Geschwindigkeit der Moleküle
betrachtet hatten, stellte Maxwell die Frage nach der individuellen Geschwindigkeit
des einzelnen Teilchens. Er fand die heute sog. Maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung
und begründete damit zugleich die statistische Physik. Auf Ludwig
Boltzmann wirkten diese Abhandlungen wie eine Offenbarung, und in der Folge
haben beide Forscher durch Parallelarbeit, einander anregend und kritisierend,
das neue Gebiet aufgebaut. Als Wegbereiter der kinetischen Gastheorie war
Maxwell auch ein überzeugter Anhänger der Atomistik. In einer
programmatischen Rede vor der British Association for the Advancement of
Science äußerte er 1871 seine Überzeugung, daß die
Atome absolut unveränderliche Gegebenheiten darstellen, und leitete
daraus die Forderung nach atomaren Standards für die Grundeinheiten
der Masse, der Länge und der Zeit ab (Naturkonstanten).
1865 legte Maxwell aus gesundheitlichen Gründen sein Lehramt am
King's College nieder. Sein Gutsbesitz in Schottland sicherte ihm finanzielle
Unabhängigkeit, und frei von den akademischen Verpflichtungen setzte
er seine Forschungen als Privatgelehrter fort und verfaßte die umfangreichen
Manuskripte seiner Anfang der siebziger Jahre erschienenen Werke. Eine
Berufung nach St. Andrews, an die älteste schottische Universität,
lehnte er ab. Als aber die Universität Cambridge einen Lehrstuhl für
Experimentalphysik neu gründete und, erstmalig für England, mit
einem großen Unterrichtslaboratorium ausstattete, versagte sich Maxwell
dieser für die britische Wissenschaft so wichtigen Aufgabe nicht.
(In Großbritannien hatte es bisher nur ein physikalisches Universitätslaboratorium
gegeben, das von William Thomson im schottischen Glasgow.) Der Bau und
die Einrichtung des nach dem hauptsächlichsten Geldgeber so genannten
"Cavendish Laboratory" nahm viel Zeit in Anspruch; mit ihm begründete
aber Maxwell eine moderne Ausbildung und die berühmte Tradition der
Experimentalphysik in Cambridge.
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