James Clerk Maxwell – der Physiker, der Elektrizität, Magnetismus und Licht verband

1. James Clerk Maxwell – der Mann hinter den elektromagnetischen Wellen

Wenn heute von elektromagnetischen Wellen die Rede ist, denken viele zunächst an Radio, WLAN, Mobilfunk oder andere moderne Technologien. Die physikalischen Grundlagen dafür reichen jedoch weit in das 19. Jahrhundert zurück. Eine der entscheidenden Personen dieser Entwicklung war der schottische Physiker James Clerk Maxwell.

Maxwell wurde 1831 in Edinburgh geboren und gilt heute als einer der bedeutendsten Physiker des 19. Jahrhunderts. Seine besondere Leistung bestand nicht darin, ein einzelnes elektrisches oder magnetisches Phänomen zu entdecken. Vielmehr gelang es ihm, zahlreiche zuvor bekannte Erkenntnisse über Elektrizität und Magnetismus zu einer gemeinsamen Theorie zusammenzuführen.

Vor Maxwell hatten Wissenschaftler wie Hans Christian Ørsted, André-Marie Ampère und Michael Faraday bereits wichtige Zusammenhänge zwischen elektrischen und magnetischen Erscheinungen entdeckt. Besonders Faradays Vorstellung von Kraftlinien und Feldern beeinflusste Maxwell stark. Maxwell übersetzte solche physikalischen Vorstellungen in eine mathematische Beschreibung und entwickelte sie entscheidend weiter.

Dabei zeigte sich etwas Erstaunliches: Nach seiner Theorie konnten sich Veränderungen elektrischer und magnetischer Felder wellenförmig durch den Raum ausbreiten. Aus den bekannten elektrischen und magnetischen Größen ließ sich außerdem eine Geschwindigkeit für diese Ausbreitung bestimmen.

Diese Geschwindigkeit lag bemerkenswert nahe an der damals bereits bekannten Lichtgeschwindigkeit.

Für Maxwell war das ein entscheidender Hinweis. Er kam zu dem Schluss, dass Licht selbst eine elektromagnetische Erscheinung sein müsse. Damit wurden drei Bereiche, die zuvor weitgehend getrennt betrachtet worden waren, miteinander verbunden:

Elektrizität, Magnetismus und Licht.

Diese Erkenntnis veränderte das physikalische Weltbild grundlegend. Maxwells Theorie sagte darüber hinaus elektromagnetische Wellen voraus, die nicht auf den Bereich des sichtbaren Lichts beschränkt sein mussten.

Zu Maxwells Lebzeiten fehlte allerdings noch der überzeugende experimentelle Nachweis solcher elektromagnetischen Wellen. Diesen erbrachte einige Jahre nach Maxwells Tod der deutsche Physiker Heinrich Hertz. Seine Experimente bestätigten eindrucksvoll eine der wichtigsten Vorhersagen der Maxwellschen Theorie.

Maxwell und Hertz stehen deshalb für zwei unmittelbar miteinander verbundene Schritte der Wissenschaftsgeschichte:

Heute bildet die elektromagnetische Theorie eine Grundlage für unser Verständnis eines enormen Spektrums von Erscheinungen – von Radiowellen und Mikrowellen über sichtbares Licht bis hin zu Röntgen- und Gammastrahlung.

Doch wie gelangte Maxwell zu einer Theorie, die unser Verständnis der Physik so nachhaltig verändern sollte? Um das nachzuvollziehen, lohnt zunächst ein Blick auf den Menschen hinter den Gleichungen.

2. Vom schottischen Landgut in die Wissenschaft

James Clerk Maxwell wurde am 13. Juni 1831 in Edinburgh geboren. Einen großen Teil seiner Kindheit verbrachte er jedoch auf Glenlair, dem Landgut seiner Familie im Südwesten Schottlands. Schon früh zeigte sich eine Eigenschaft, die ihn sein gesamtes Leben begleiten sollte: eine außergewöhnliche Neugier auf die Funktionsweise der Welt.

Der junge Maxwell soll immer wieder danach gefragt haben, wie Dinge funktionieren und warum sie bestimmte Formen oder Eigenschaften besitzen. Sein Interesse beschränkte sich dabei nicht auf ein einzelnes Gebiet. Geometrie, Mechanik, Farben und Naturbeobachtungen faszinierten ihn gleichermaßen.

Ein ungewöhnlich früher Forscher

Nach dem frühen Tod seiner Mutter wurde Maxwell zunächst zu Hause unterrichtet. Später besuchte er die Edinburgh Academy. Dort fiel insbesondere seine mathematische Begabung auf.

Bereits als Jugendlicher beschäftigte er sich intensiv mit geometrischen Problemen. Im Alter von nur 14 Jahren beschäftigte er sich mit der geometrischen Konstruktion und Verallgemeinerung bestimmter ovaler Kurven. Seine Ergebnisse wurden 1846 der Royal Society of Edinburgh vorgestellt. Da Maxwell noch zu jung war, um die Arbeit selbst vorzutragen, übernahm dies der Mathematiker James Forbes.

Damit zeichnete sich bereits früh ab, dass Maxwell nicht nur außergewöhnlich gut rechnen konnte. Er besaß die Fähigkeit, hinter einzelnen Beobachtungen allgemeine mathematische Zusammenhänge zu erkennen.

Studium in Edinburgh und Cambridge

1847 begann Maxwell sein Studium an der University of Edinburgh. Neben Mathematik beschäftigte er sich dort intensiv mit Physik und führte eigene Experimente durch.

1850 wechselte er an die University of Cambridge, eines der wichtigsten Zentren der britischen Mathematik und Naturwissenschaften. Dort studierte er schließlich am Trinity College und schloss sein Studium 1854 mit hervorragenden Ergebnissen ab.

Cambridge prägte Maxwells wissenschaftliche Arbeitsweise entscheidend. Seine besondere Stärke lag darin, physikalische Vorstellungen mit mathematischen Methoden zu verbinden. Genau diese Fähigkeit sollte später für seine Arbeiten über Elektrizität und Magnetismus von zentraler Bedeutung werden.

Mehr als Elektrizität und Magnetismus

Maxwells wissenschaftliche Interessen waren bemerkenswert vielseitig. So beschäftigte er sich unter anderem mit der Wahrnehmung und Mischung von Farben. Seine Forschungen trugen zu einem besseren Verständnis des Farbsehens und der additiven Farbmischung bei. 1861 entstand im Zusammenhang mit diesen Arbeiten eine berühmte Demonstration der Farbfotografie mit drei unterschiedlichen Farbfiltern.

Auch die Ringe des Saturn beschäftigten Maxwell. Mitte der 1850er-Jahre untersuchte er mathematisch, wie diese gewaltigen Ringstrukturen stabil bleiben konnten. Er kam zu dem Ergebnis, dass sie nicht aus einem einzigen festen Ring bestehen konnten, sondern aus zahlreichen voneinander getrennten Bestandteilen aufgebaut sein mussten – eine bemerkenswerte Schlussfolgerung lange vor den späteren detaillierten Beobachtungen durch Raumsonden.

Darüber hinaus leistete Maxwell wichtige Beiträge zur kinetischen Gastheorie. Gemeinsam mit späteren Arbeiten von Ludwig Boltzmann entstand daraus die sogenannte Maxwell-Boltzmann-Verteilung, mit der sich die Geschwindigkeitsverteilung von Teilchen in einem Gas beschreiben lässt.

Der Weg zur elektromagnetischen Theorie

Nach seinem Studium übernahm Maxwell verschiedene akademische Positionen. 1856 wurde er Professor am Marischal College in Aberdeen, später lehrte er am King's College London.

Gerade die Jahre in London wurden für seine Arbeiten über Elektrizität und Magnetismus besonders wichtig. Maxwell setzte sich intensiv mit den experimentellen Erkenntnissen Michael Faradays auseinander. Faraday hatte elektrische und magnetische Felder mit anschaulichen Vorstellungen von Kraftlinien beschrieben – weitgehend ohne die komplexe Mathematik, die Maxwell beherrschte.

Maxwell erkannte das enorme Potenzial dieser Ideen.

Sein Ziel wurde zunehmend, die unterschiedlichen Beobachtungen zu Elektrizität und Magnetismus in einer gemeinsamen mathematischen Theorie zu beschreiben. Aus dieser Arbeit sollte schließlich eine der bedeutendsten Vereinheitlichungen in der Geschichte der Physik entstehen.

Um zu verstehen, warum Maxwells Ansatz so revolutionär war, müssen wir uns jedoch zunächst ansehen, was Wissenschaftler vor ihm bereits über Elektrizität und Magnetismus herausgefunden hatten.

3. Elektrizität und Magnetismus vor Maxwell

Heute erscheinen Elektrizität und Magnetismus als eng miteinander verbundene Erscheinungen. Zu Beginn des 19. Jahrhunderts war dieser Zusammenhang jedoch keineswegs selbstverständlich. Elektrische und magnetische Phänomene wurden zunächst weitgehend getrennt voneinander untersucht.

Erst eine Reihe von Entdeckungen zeigte, dass zwischen beiden eine tiefere Verbindung bestehen musste. Drei Wissenschaftler spielten dabei eine besonders wichtige Rolle: Hans Christian Ørsted, André-Marie Ampère und Michael Faraday.

Ihre Experimente schufen die Grundlage, auf der James Clerk Maxwell später seine elektromagnetische Theorie aufbauen konnte.

Ørsted: Elektrischer Strom erzeugt ein Magnetfeld

Eine entscheidende Beobachtung machte der dänische Physiker Hans Christian Ørsted im Jahr 1820.

Bei einem Experiment stellte er fest, dass eine Kompassnadel abgelenkt wurde, sobald elektrischer Strom durch einen nahe gelegenen Draht floss. Wurde der Strom abgeschaltet, verschwand die Ablenkung wieder.

Damit war erstmals deutlich gezeigt worden:

Diese Beobachtung war von großer Bedeutung. Elektrizität und Magnetismus konnten offenbar nicht länger als vollständig voneinander unabhängige Phänomene betrachtet werden.

Ørsteds Entdeckung löste eine intensive wissenschaftliche Beschäftigung mit dem Zusammenhang zwischen beiden Erscheinungen aus.

Ampère: Die Kräfte zwischen elektrischen Strömen

Nur kurze Zeit später griff der französische Physiker André-Marie Ampère Ørsteds Beobachtungen auf und untersuchte sie systematisch.

Ampère erforschte insbesondere, wie sich stromdurchflossene Leiter gegenseitig beeinflussen. Dabei zeigte sich, dass zwischen ihnen Kräfte auftreten können, deren Richtung unter anderem davon abhängt, in welche Richtung der elektrische Strom fließt.

Damit wurde immer deutlicher, dass elektrischer Strom und Magnetismus unmittelbar miteinander zusammenhängen.

Ampère entwickelte mathematische Beschreibungen dieser Wechselwirkungen und legte damit wichtige Grundlagen der späteren Elektrodynamik. Sein Name ist bis heute in der Physik präsent: Die Einheit der elektrischen Stromstärke trägt die Bezeichnung Ampere (A).

Doch eine entscheidende Frage war noch offen: Wenn Elektrizität Magnetismus hervorrufen konnte – ließ sich dieser Zusammenhang auch umkehren?

Faraday: Magnetismus erzeugt elektrischen Strom

Die Antwort darauf fand Michael Faraday.

1831 gelang ihm der experimentelle Nachweis der elektromagnetischen Induktion. Faraday zeigte, dass eine Veränderung des magnetischen Feldes einen elektrischen Strom beziehungsweise eine elektrische Spannung hervorrufen kann.

Entscheidend ist dabei die Veränderung: Ein unverändertes Magnetfeld allein genügt nicht. Bewegt sich beispielsweise ein Magnet relativ zu einer Leiterschleife oder verändert sich das Magnetfeld auf andere Weise, kann eine elektrische Spannung induziert werden.

Damit war eine grundlegende Wechselwirkung sichtbar geworden:

Dieses Prinzip bildet bis heute eine wesentliche Grundlage von Generatoren, Transformatoren und zahlreichen weiteren elektrotechnischen Anwendungen.

Faradays Vorstellung von Feldern

Faradays Bedeutung für Maxwell ging jedoch weit über einzelne Experimente hinaus.

Um elektrische und magnetische Kräfte anschaulich zu beschreiben, arbeitete Faraday mit der Vorstellung von Kraftlinien. Ein Magnet beeinflusste nach dieser Sichtweise seine Umgebung nicht einfach über eine rätselhafte Fernwirkung. Stattdessen besitzt der Raum um elektrische Ladungen und Magnete physikalische Eigenschaften.

Diese Vorstellung führte schrittweise zu dem, was wir heute als elektrisches und magnetisches Feld bezeichnen.

Das war ein grundlegender Perspektivwechsel. Nicht nur die geladenen Körper oder Magnete selbst waren von Bedeutung – auch der Raum zwischen ihnen wurde Teil der physikalischen Beschreibung.

Faraday entwickelte viele seiner Vorstellungen vor allem aus Experimenten und physikalischer Anschauung. Eine umfassende mathematische Theorie dafür besaß er jedoch nicht.

Genau an diesem Punkt setzte Maxwell an.

Aus einzelnen Entdeckungen entsteht ein Gesamtbild

Als Maxwell begann, sich intensiv mit Elektrizität und Magnetismus zu beschäftigen, lagen somit bereits wesentliche Bausteine vor:

Was noch fehlte, war eine Theorie, die diese Erkenntnisse in einem gemeinsamen mathematischen Rahmen zusammenführte.

Maxwell erkannte, dass Faradays Feldvorstellung weit mehr war als ein anschauliches Hilfsmittel. Sie konnte der Schlüssel zu einer grundlegenden Beschreibung von Elektrizität und Magnetismus sein.

Aus dieser Idee entwickelte sich schließlich ein neues Bild der elektromagnetischen Welt – und daraus folgte eine Vorhersage, deren Bedeutung weit über Elektrizität und Magnetismus hinausging.

4. Maxwells große Idee: Ein Feld für Elektrizität und Magnetismus

Die Experimente von Ørsted, Ampère und Faraday hatten gezeigt, dass Elektrizität und Magnetismus eng miteinander verbunden sind. Doch zunächst handelte es sich um einzelne Beobachtungen und Gesetzmäßigkeiten. James Clerk Maxwell suchte nach einer umfassenderen Erklärung.

Besonders wichtig war für ihn Faradays Vorstellung von elektrischen und magnetischen Feldern. Maxwell erkannte darin die Grundlage für eine Theorie, die Elektrizität und Magnetismus miteinander verbinden konnte.

Was ist überhaupt ein Feld?

Der Begriff „Feld“ wirkt zunächst abstrakt, beschreibt aber eine vergleichsweise einfache Idee.

Ein Magnet kann beispielsweise eine Kompassnadel beeinflussen, obwohl er sie nicht berührt. Um diese Wirkung zu beschreiben, spricht man von einem magnetischen Feld, das den Magneten umgibt. An jedem Ort innerhalb dieses Feldes lässt sich angeben, in welche Richtung und mit welcher Stärke eine magnetische Wirkung auftreten würde.

Ähnlich verhält es sich mit elektrischen Ladungen. Auch sie verändern den Raum in ihrer Umgebung. Diese Wirkung wird durch ein elektrisches Feld beschrieben.

Faraday hatte solche Felder mit Kraftlinien anschaulich dargestellt. Maxwell ging einen entscheidenden Schritt weiter: Er machte die Felder selbst zu zentralen Größen seiner mathematischen Beschreibung.

Elektrische und magnetische Felder beeinflussen sich gegenseitig

Faradays Experimente hatten gezeigt, dass ein veränderliches Magnetfeld ein elektrisches Feld hervorrufen kann. Dieses Prinzip steckt hinter der elektromagnetischen Induktion.

Diese Ergänzung war von grundlegender Bedeutung.

Damit entstand ein bemerkenswert symmetrisches Bild: Veränderungen magnetischer Felder können elektrische Felder erzeugen, während Veränderungen elektrischer Felder wiederum magnetische Felder hervorrufen können.

Elektrizität und Magnetismus erschienen damit nicht mehr als zwei weitgehend getrennte Bereiche der Physik, sondern als unterschiedliche Aspekte eines gemeinsamen elektromagnetischen Feldes.

Wenn sich eine Veränderung durch den Raum bewegt

Aus dieser Verbindung ergab sich eine weitreichende Konsequenz.

Stellen wir uns ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld vor. Dieses ist mit einem magnetischen Feld verbunden. Verändert sich wiederum das magnetische Feld, entsteht damit auch ein elektrisches Feld in seiner Umgebung.

Auf diese Weise kann sich eine elektromagnetische Störung durch den Raum fortpflanzen.

Genau darin liegt die grundlegende Idee einer elektromagnetischen Welle.

Bei einer solchen Welle verändern sich elektrische und magnetische Felder periodisch. In einer idealisierten Darstellung stehen das elektrische Feld und das magnetische Feld senkrecht zueinander und zugleich senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle.

Das unterscheidet sie beispielsweise von Schallwellen. Schall benötigt Materie – etwa Luft, Wasser oder einen festen Körper –, deren Teilchen die Schwingung weitergeben. Elektromagnetische Wellen können dagegen auch den nahezu leeren Raum zwischen Sonne und Erde durchqueren.

Eine Theorie führt zu einer Vorhersage

Maxwell hatte elektromagnetische Wellen zunächst nicht direkt beobachtet. Ihre Existenz ergab sich aus seiner theoretischen Beschreibung von Elektrizität und Magnetismus.

Seine Theorie erlaubte darüber hinaus eine bemerkenswerte Vorhersage: Es ließ sich bestimmen, mit welcher Geschwindigkeit sich elektromagnetische Wellen im Vakuum ausbreiten müssten. Das Ergebnis sollte zu einer überraschenden Verbindung mit dem Licht führen.

Wie Maxwell diese Zusammenhänge mathematisch beschrieb, lässt sich in einer heute berühmten Gruppe von Gleichungen zusammenfassen: den Maxwell-Gleichungen.

5. Die Maxwell-Gleichungen – vier Gleichungen verändern die Physik

Der Name James Clerk Maxwell ist heute untrennbar mit vier Gleichungen verbunden. Die Maxwell-Gleichungen beschreiben grundlegende Zusammenhänge zwischen elektrischen Ladungen, elektrischen Feldern und magnetischen Feldern.

Auf den ersten Blick wirken die mathematischen Formeln kompliziert. Ihre grundlegenden Aussagen lassen sich jedoch auch ohne höhere Mathematik verstehen.

1. Elektrische Ladungen sind Quellen elektrischer Felder

Die erste Maxwell-Gleichung ist das Gaußsche Gesetz für elektrische Felder. In Differentialform lautet sie:

Vereinfacht gesagt beschreibt sie, dass elektrische Ladungen Quellen beziehungsweise Senken elektrischer Felder sein können.

Um eine positive elektrische Ladung herum zeigt das elektrische Feld beispielsweise nach außen, bei einer negativen Ladung nach innen. Je nachdem, wie elektrische Ladungen im Raum verteilt sind, ergibt sich daraus eine entsprechende Verteilung des elektrischen Feldes.

Die erste Gleichung stellt somit einen grundlegenden Zusammenhang zwischen elektrischer Ladung und elektrischem Feld her.

2. Magnetische Felder besitzen keine einzelnen Quellen

Die zweite Gleichung ist das Gaußsche Gesetz für Magnetfelder:

Sie beschreibt einen bemerkenswerten Unterschied zwischen elektrischen und magnetischen Feldern.

Während es einzelne positive oder negative elektrische Ladungen gibt, wurden bislang keine isolierten magnetischen Nord- oder Südpole – sogenannte magnetische Monopole – nachgewiesen.

Ein gewöhnlicher Magnet besitzt deshalb immer einen Nord- und einen Südpol. Selbst wenn man einen Stabmagneten teilt, entstehen zwei kleinere Magnete, die wiederum jeweils beide Pole besitzen.

Magnetische Feldlinien besitzen daher keine Anfangs- oder Endpunkte an einzelnen magnetischen Ladungen; in typischen Darstellungen bilden sie geschlossene Linien.

3. Ein veränderliches Magnetfeld erzeugt ein elektrisches Wirbelfeld

Die dritte Maxwell-Gleichung beschreibt das von Faraday entdeckte Prinzip der elektromagnetischen Induktion:

Entscheidend ist dabei die Veränderung des Magnetfeldes.

Wenn sich ein Magnetfeld mit der Zeit verändert, entsteht ein elektrisches Wirbelfeld. In einem geeigneten Leiter kann dadurch eine elektrische Spannung und – bei geschlossenem Stromkreis – ein elektrischer Strom hervorgerufen werden.

Dieses Prinzip bildet die physikalische Grundlage beispielsweise für Generatoren und Transformatoren.

Maxwell integrierte Faradays experimentelle Erkenntnisse damit in seine umfassende mathematische Beschreibung des Elektromagnetismus.

4. Elektrische Ströme und veränderliche elektrische Felder sind mit Magnetfeldern verknüpft

Die vierte Gleichung wird als Ampère-Maxwell-Gesetz bezeichnet:

Der erste Teil dieser Beziehung war im Wesentlichen bereits durch Ampères Arbeiten bekannt: Elektrische Ströme sind von Magnetfeldern umgeben.

Maxwell ergänzte jedoch einen entscheidenden weiteren Term.

Auch ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld trägt zur Entstehung eines magnetischen Wirbelfeldes bei. Dieser Beitrag wird mit dem Begriff Verschiebungsstrom in Verbindung gebracht.

Gerade diese Ergänzung war für Maxwells Theorie von enormer Bedeutung. Sie machte die Beschreibung konsistent und führte zugleich zu einer weitreichenden Konsequenz: Elektrische und magnetische Felder können auch dort dynamisch miteinander gekoppelt sein, wo kein gewöhnlicher Leitungsstrom fließt.

Vier Gleichungen – ein gemeinsames elektromagnetisches Feld

Betrachtet man die vier Aussagen gemeinsam, entsteht ein geschlossenes Bild:

• Elektrische Ladungen stehen mit elektrischen Feldern in Verbindung.
• Isolierte magnetische Pole sind in der klassischen Elektrodynamik nicht vorhanden.
• Veränderliche Magnetfelder sind mit elektrischen Wirbelfeldern verknüpft.
• Elektrische Ströme und veränderliche elektrische Felder sind mit magnetischen Wirbelfeldern verknüpft.

Vor allem die letzten beiden Beziehungen zeigen, wie eng elektrische und magnetische Felder miteinander verbunden sind.

Im ladungs- und stromfreien Raum können Maxwells Gleichungen zu Wellengleichungen für das elektrische und magnetische Feld führen. Die Theorie sagte damit voraus, dass sich elektromagnetische Störungen als Wellen durch den Raum ausbreiten können.

Schrieb Maxwell tatsächlich diese vier Gleichungen auf?

Hier lohnt sich eine historische Präzisierung.

Die heute bekannten vier Maxwell-Gleichungen standen in Maxwells ursprünglichen Arbeiten nicht in genau dieser kompakten Form. Maxwell verwendete ein umfangreicheres System von Beziehungen und eine andere mathematische Schreibweise.

Die moderne Vektorform entwickelte sich erst später. Insbesondere der britische Physiker und Mathematiker Oliver Heaviside trug wesentlich dazu bei, Maxwells Theorie mithilfe der Vektoranalysis in die heute vertraute kompakte Darstellung zu überführen.

Wenn heute von den „vier Maxwell-Gleichungen“ gesprochen wird, handelt es sich daher um die moderne Formulierung der elektromagnetischen Theorie, deren entscheidende theoretische Grundlage Maxwell geschaffen hatte.

Ihre Bedeutung geht jedoch weit über vier mathematische Formeln hinaus. Gemeinsam beschreiben sie die grundlegenden Zusammenhänge elektrischer und magnetischer Felder – und führen zu einer der erstaunlichsten Erkenntnisse der Physikgeschichte: einer Verbindung zwischen Elektromagnetismus und Licht.

6. Als Maxwell die Geschwindigkeit des Lichts wiederfand

Maxwells Theorie verband Elektrizität und Magnetismus in einem gemeinsamen mathematischen Rahmen. Doch eine ihrer erstaunlichsten Konsequenzen ging noch weit darüber hinaus.

Aus den Gleichungen ließ sich ableiten, dass sich Veränderungen elektrischer und magnetischer Felder wellenförmig durch den Raum ausbreiten können. Noch bemerkenswerter war, dass die Theorie auch eine Geschwindigkeit für diese elektromagnetischen Wellen vorgab.

Für den leeren Raum ergibt sich:

Dabei bezeichnen ε₀ und μ₀ zwei fundamentale Konstanten, die in der elektromagnetischen Beschreibung des Vakuums auftreten. Entscheidend ist an dieser Stelle weniger die Formel selbst als das Ergebnis, zu dem sie führt.

Die daraus bestimmte Geschwindigkeit lag bei ungefähr 300.000 Kilometern pro Sekunde. Und diese Zahl war bereits bekannt.

Eine überraschende Übereinstimmung

Im 19. Jahrhundert hatten Physiker die Geschwindigkeit des Lichts bereits experimentell untersucht. Maxwell konnte daher die aus elektromagnetischen Größen abgeleitete Geschwindigkeit mit den damaligen Messwerten für Licht vergleichen.

Die Übereinstimmung war bemerkenswert.

Maxwell erkannte, dass dies kaum zufällig sein konnte. Bereits 1861/62 zog Maxwell daraus den Schluss, dass Licht und elektromagnetische Erscheinungen eng miteinander verbunden sein mussten. In seiner 1864 vorgestellten und 1865 veröffentlichten Arbeit A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field formulierte er diese elektromagnetische Theorie des Lichts weiter aus.

Damit wurden Bereiche der Physik miteinander verbunden, die zuvor weitgehend getrennt behandelt worden waren:

Licht musste nach dieser Vorstellung keine grundsätzlich eigene Art von Naturphänomen sein. Es ließ sich als elektromagnetische Welle verstehen.

Was schwingt bei einer Lichtwelle?

Bei einer Wasserwelle bewegt sich Wasser, bei einer Schallwelle verändern sich beispielsweise Druck und Dichte der Luft.

Doch was verändert sich bei einer elektromagnetischen Welle?

Hier sind es elektrische und magnetische Felder.

In einer idealisierten elektromagnetischen Welle stehen das elektrische Feld und das magnetische Feld senkrecht zueinander. Beide stehen außerdem senkrecht zur Richtung, in die sich die Welle ausbreitet.

Die Felder ändern dabei fortlaufend ihre Stärke und Richtung. Die Geschwindigkeit, mit der sich diese elektromagnetische Welle im Vakuum ausbreitet, entspricht der Lichtgeschwindigkeit.

Maxwells Theorie erklärte damit nicht nur bekannte elektrische und magnetische Phänomene. Sie lieferte zugleich eine physikalische Beschreibung des Lichts.

Sichtbares Licht ist nur ein kleiner Ausschnitt

Aus Maxwells Theorie folgte noch eine weitere wichtige Erkenntnis: Elektromagnetische Wellen sind nicht grundsätzlich auf die Frequenzen beschränkt, die das menschliche Auge als Licht wahrnehmen kann.

Elektromagnetische Wellen können unterschiedliche Frequenzen und Wellenlängen besitzen.

Sichtbares Licht bildet deshalb nur einen kleinen Bereich eines wesentlich größeren elektromagnetischen Spektrums. Heute unterscheiden wir darin unter anderem:

• Radiowellen
• Mikrowellen
• Infrarotstrahlung
• sichtbares Licht
• Ultraviolettstrahlung
• Röntgenstrahlung
• Gammastrahlung

Physikalisch gehören all diese Erscheinungen zur gleichen grundlegenden Kategorie: elektromagnetische Strahlung. Sie unterscheiden sich vor allem durch ihre Frequenz beziehungsweise Wellenlänge und die damit verbundene Photonenenergie.

Für elektromagnetische Wellen im Vakuum besteht dabei ein einfacher Zusammenhang zwischen Ausbreitungsgeschwindigkeit, Frequenz und Wellenlänge:

Je höher die Frequenz f, desto kürzer ist bei gleicher Ausbreitungsgeschwindigkeit die Wellenlänge λ – und umgekehrt.

Eine Vorhersage wartet auf ihren experimentellen Beweis

Maxwells Schlussfolgerung war weitreichend: Wenn seine Theorie richtig war, mussten elektromagnetische Wellen grundsätzlich auch außerhalb des sichtbaren Bereichs existieren.

Doch eine mathematische Vorhersage allein war noch kein experimenteller Nachweis.

Maxwell selbst sollte diesen Nachweis nicht mehr erleben. Er starb 1879 im Alter von nur 48 Jahren.

Wenige Jahre später begann ein deutscher Physiker mit Experimenten, bei denen elektrische Funken eine entscheidende Rolle spielten. Heinrich Hertz gelang es, elektromagnetische Wellen gezielt zu erzeugen und nachzuweisen.

Was Maxwell aus der Mathematik vorhergesagt hatte, wurde damit im Experiment beobachtbar.

7. Von Maxwell zu Hertz – aus Theorie wird Experiment

James Clerk Maxwell hatte mit seiner elektromagnetischen Theorie eine weitreichende Vorhersage gemacht: Elektromagnetische Wellen müssten sich durch den Raum ausbreiten können.

Doch Maxwell selbst konnte diese Wellen nicht experimentell nachweisen. Als er am 5. November 1879 starb, war seine Theorie zwar veröffentlicht und unter Physikern bekannt, ihre vielleicht spektakulärste Vorhersage wartete jedoch noch auf eine überzeugende experimentelle Bestätigung.

Diese gelang einige Jahre später Heinrich Hertz.

Hertz bringt elektromagnetische Wellen ins Labor

Der deutsche Physiker Heinrich Hertz beschäftigte sich in den 1880er-Jahren intensiv mit Maxwells elektromagnetischer Theorie. An der Technischen Hochschule Karlsruhe entwickelte er Versuchsaufbauten, mit denen sich elektromagnetische Wellen gezielt erzeugen und nachweisen ließen.

Dazu verwendete Hertz unter anderem einen Funkensender. Zwischen zwei Metallkugeln konnte durch eine hohe elektrische Spannung ein Funke überspringen. Die dabei entstehenden schnellen elektrischen Schwingungen erzeugten elektromagnetische Wellen.

Als Empfänger nutzte Hertz unter anderem einen metallischen Drahtring mit einer kleinen Funkenstrecke. Trafen die elektromagnetischen Wellen auf diesen Resonator, konnten darin elektrische Schwingungen angeregt werden, die sich durch winzige Funken bemerkbar machten.

Damit konnte Hertz zeigen, dass sich die erzeugten elektromagnetischen Wirkungen ohne leitende Verbindung durch den Raum übertragen ließen.

Elektromagnetische Wellen verhalten sich wie Licht

Hertz beließ es nicht bei der bloßen Erzeugung und dem Nachweis der Wellen.

In weiteren Experimenten untersuchte er ihre Eigenschaften. Dabei konnte er unter anderem Phänomene beobachten, die bereits aus der Optik bekannt waren. Elektromagnetische Wellen konnten reflektiert werden, Interferenz zeigen und stehende Wellen bilden. Hertz untersuchte außerdem ihre Brechung und Polarisation.

Damit wurde die Verbindung zu Maxwells Theorie besonders deutlich.

Die im Labor erzeugten Wellen verhielten sich in wesentlichen Punkten so, wie es für elektromagnetische Wellen zu erwarten war. Licht und die von Hertz erzeugten Wellen waren keine grundsätzlich verschiedenen Erscheinungen – sie gehörten zur selben physikalischen Familie.

Der entscheidende Unterschied lag vor allem in ihrer Frequenz beziehungsweise Wellenlänge.

Maxwell hatte die Wellen vorhergesagt – Hertz wies sie nach

Die Arbeiten von Maxwell und Hertz bilden deshalb eine eindrucksvolle Verbindung von Theorie und Experiment in der Geschichte der Physik. Maxwell hatte aus mathematischen Zusammenhängen geschlossen, dass elektromagnetische Wellen existieren müssten. Hertz zeigte einige Jahrzehnte später experimentell, dass sich solche Wellen tatsächlich erzeugen, übertragen und nachweisen lassen.

Vereinfacht lässt sich diese Entwicklung so zusammenfassen:

Die Möglichkeit, elektromagnetische Wellen gezielt zu erzeugen und zu übertragen, eröffnete anschließend den Weg zu zahlreichen technischen Entwicklungen. Welche Bedeutung daraus für Wissenschaft und Technik entstand, zeigt Maxwells Vermächtnis bis heute.

Wer genauer erfahren möchte, wie Heinrich Hertz elektromagnetische Wellen experimentell nachwies und warum später die Einheit der Frequenz nach ihm benannt wurde, findet dazu weitere Hintergründe in unserem Ratgeber über Heinrich Hertz und die Geschichte der Maßeinheit Hertz.

8. Maxwells Vermächtnis – von elektromagnetischen Wellen zur modernen Physik

Als James Clerk Maxwell 1879 starb, waren viele technische Entwicklungen, die wir heute mit elektromagnetischen Wellen verbinden, noch Zukunftsmusik. Radio und Fernsehen existierten ebenso wenig wie Radar, Mobilfunk, WLAN oder Satellitenkommunikation.

Maxwell selbst erfand keine dieser Technologien.

Und doch wäre ihre physikalische Beschreibung ohne die Grundlagen, die Maxwell geschaffen hatte, kaum vorstellbar.

Seine entscheidende Leistung bestand darin, Elektrizität, Magnetismus und Licht in einer gemeinsamen Theorie zu verbinden. Damit gelang ihm eine der großen Vereinheitlichungen in der Geschichte der Physik.

Von der Grundlagenforschung zur technischen Anwendung

Nachdem Heinrich Hertz die von Maxwells Theorie vorhergesagten elektromagnetischen Wellen experimentell nachgewiesen hatte, begann eine rasante Entwicklung.

Forscher und Erfinder erkannten, dass elektromagnetische Wellen nicht nur ein interessantes physikalisches Phänomen waren. Sie konnten auch genutzt werden, um Informationen ohne elektrische Leitungen über Entfernungen zu übertragen.

Aus den ersten Experimenten mit Funkwellen entstanden schließlich technische Anwendungen, die unseren Alltag grundlegend verändert haben. Dazu gehören unter anderem:

• Funk und Radio
• Fernsehen
• Radar
• Satellitenkommunikation
• Mobilfunk
• WLAN
• zahlreiche Verfahren der modernen Mess- und Kommunikationstechnik

Dabei sollte Maxwell nicht als Erfinder dieser Technologien verstanden werden. Zwischen seiner Theorie und modernen Kommunikationssystemen liegen zahlreiche weitere wissenschaftliche und technische Entwicklungen.

Maxwell lieferte etwas Grundlegenderes: die physikalische Theorie, mit der elektromagnetische Felder und Wellen beschrieben werden können.

Ein Spektrum – viele Erscheinungsformen

Eine weitere weitreichende Folge der elektromagnetischen Theorie ist die Erkenntnis, dass scheinbar sehr unterschiedliche Erscheinungen zur gleichen physikalischen Familie gehören. Radiowellen, sichtbares Licht, Röntgenstrahlung und die weiteren Bereiche des elektromagnetischen Spektrums sind Formen elektromagnetischer Strahlung und unterscheiden sich insbesondere durch Frequenz und Wellenlänge

Maxwells Verbindung von Optik und Elektromagnetismus schuf eine wesentliche Grundlage für dieses einheitliche Verständnis.

Maxwell und der Weg zu Einstein

Maxwells Einfluss beschränkte sich jedoch nicht auf den Elektromagnetismus.

Seine Theorie stellte die Physik am Übergang zum 20. Jahrhundert vor ein grundlegendes Problem. Die Maxwell-Gleichungen sagen für elektromagnetische Wellen eine bestimmte Ausbreitungsgeschwindigkeit im Vakuum voraus – die Lichtgeschwindigkeit.

Diese Eigenschaft ließ sich nicht ohne Weiteres mit den damaligen Vorstellungen von Raum, Zeit und Bewegung aus der klassischen Mechanik vereinbaren.

Genau dieser Konflikt gehörte zu den wichtigen Ausgangspunkten für Albert Einsteins spezielle Relativitätstheorie von 1905. Einstein entwickelte ein neues Verständnis von Raum und Zeit, in dem die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum für alle Inertialbeobachter denselben Wert besitzt.

Bemerkenswert ist dabei: Die Maxwell-Gleichungen mussten nicht nachträglich an die spezielle Relativitätstheorie angepasst werden. Ihre Struktur ist mit dem relativistischen Verständnis von Raum und Zeit vereinbar.

Maxwells Theorie erwies sich damit nicht nur als Grundlage der klassischen Elektrodynamik, sondern zugleich als ein wichtiger Wegbereiter für die moderne Physik.

Eine Idee, die bis heute weiterwirkt

Maxwells Geschichte zeigt eindrucksvoll, welche Bedeutung theoretische Grundlagenforschung entwickeln kann.

Aus Experimenten von Ørsted, Ampère und Faraday entstand zunächst eine Vielzahl einzelner Erkenntnisse über elektrische und magnetische Erscheinungen. Maxwell erkannte darin ein größeres Muster und brachte diese Zusammenhänge in eine gemeinsame mathematische Theorie.

Aus dieser Theorie folgte die Existenz elektromagnetischer Wellen.

Hertz wies diese Wellen experimentell nach.

Andere Forscher und Ingenieure machten sie technisch nutzbar.

Und die Konsequenzen der elektromagnetischen Theorie führten schließlich weit über Maxwells ursprüngliche Fragestellungen hinaus.

Damit schließt sich der Kreis unseres Ratgebers:

James Clerk Maxwell hinterließ damit weit mehr als vier berühmte Gleichungen. Er veränderte unser Verständnis davon, wie elektrische und magnetische Felder den Raum durchdringen, wie sich elektromagnetische Wellen ausbreiten – und letztlich auch davon, was Licht ist.

9. Quellen und weiterführende Literatur

Für die historische und fachliche Einordnung dieses Beitrags wurden unter anderem Originalarbeiten von James Clerk Maxwell sowie Veröffentlichungen und Informationsangebote wissenschaftlicher Institutionen herangezogen.

• Maxwell, James Clerk (1865): A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field. Philosophical Transactions of the Royal Society of London, Vol. 155, S. 459–512.
• Maxwell, James Clerk (1873): A Treatise on Electricity and Magnetism. Clarendon Press, Oxford.
• James Clerk Maxwell Foundation: Biografische Informationen und Zeittafel zu Leben und wissenschaftlichem Werk. James Clerk Maxwell Foundation
• MacTutor History of Mathematics Archive, University of St Andrews: Biografie von James Clerk Maxwell. James Clerk Maxwell – Biography
• American Physical Society (APS): Historische Beiträge zur Entwicklung des Elektromagnetismus und zu den Arbeiten von Faraday, Maxwell und Hertz. American Physical Society
• Einstein Online / Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik: Hintergrundinformationen zu Elektromagnetismus, Maxwell-Gleichungen und spezieller Relativitätstheorie. Einstein Online

Links

• Hertz (Hz) einfach erklärt
• Nikola Tesla und die Welt der Frequenzen
• Die Schumann Resonanz 7,83 Hz
• Infos zu Royal Raymond Rife
• VINETAVITAL Frequenzgeräte