HEINRICH HERTZ lebte in einer Zeit, in der fast alle Grundprobleme der klassischen Physik geklärt schienen. Die Erkenntnisse aus der Elektrizitätslehre, der Wärmelehre und der Optik trugen zur Fundierung neuer Produktionszweige bei, die sich schnell entwickelten. Es entstanden solche interdisziplinären Gebiete wie die Astrophysik, die Biophysik oder die physikalische Chemie. Noch offen waren die Einordnung einiger Entdeckungen und die Lösung einiger ungeklärter theoretischer Probleme.
Kindheit, Jugend, Ausbildung
HEINRICH RUDOLPH HERTZ - meist wird der zweite Vorname weggelassen - wurde am 22. 2. 1857 als ältester Sohn des Rechtsanwaltes und späteren Senators GUSTAV HERTZ geboren. Seine Eltern legten Wert auf eine solide Erziehung. Nach Besuch einer Privatschule und häuslichem Unterricht besuchte er die Gelehrtenschule des Johanneums in Hamburg, wo er 1875 ein ausgezeichnetes Abitur ablegte.
Seine Begabung lag nicht nur auf mathematisch-naturwissenschaftlichem
Gebiet, auch Sprachen lagen ihm und sein handwerkliches Geschick war ebenfalls
stark ausgeprägt. So besuchte er sonntags die Gewerbeschule, um dort
handwerkliche Fähigkeiten zu erwerben. Als einer seiner dortigen
Lehrer, ein Drechslermeister, nach Jahren hörte, HERTZ sei Professor
geworden, soll er geantwortet haben: "Ach wie
schade, was wäre das für ein tüchtiger Drechsler geworden!"
Nur in einem Fach - der Musik - versagte er völlig.
Typisch für HERTZ war neben seiner Vielseitigkeit auch lebenslang
seine Bescheidenheit. Das mag ihn davon abgehalten haben, sofort eine
wissenschaftliche Laufbahn anzustreben. Er beschloss, Ingenieurwissenschaften
zu studieren und begann nach einer einjährigen Vorbereitung im Büro
eines Architekten 1876 ein Studium in Dresden. Nach Ableistung seines
einjährigen Militärdienstes setzte er das Studium an der Technischen
Hochschule in München fort. Bald erkannte er, dass seine wirklichen
Interessen der Naturwissenschaft gehörten und wechselte zunächst
zur Universität in München, 1878 nach Berlin. Dort waren u.
a. die berühmten Physiker GUSTAV KIRCHHOFF (1824-1887) und HERMANN
VON HELMHOLTZ (1821-1894) seine Lehrer. Besonders HELMHOLTZ wurde bald
auf HERTZ aufmerksam und hat seine wissenschaftliche Entwicklung stark
beeinflusst.
Erste wissenschaftliche Arbeiten
Seine erste selbstständige wissenschaftliche Arbeit war die Lösung einer Preisaufgabe der Berliner Universität über den Nachweis der trägen Masse von Selbstinduktionsströmen. Diese Preisaufgabe bearbeitete er erfolgreich, wenn auch mit negativem Ergebnis. Bereits 1880 promovierte er mit einer theoretischen Arbeit über die Induktion in rotierenden Kugeln. Er erhielt das in Berlin selten vergebene Prädikat "magna cum laude" (sehr gut).
Hochschullehrer und Forscher
Nach zwei Jahren Assistententätigkeit bei HELMHOLTZ in Berlin habilitierte sich HERTZ in Kiel in theoretischer Physik und war dort von 1883-1885 tätig. 1885 wurde er als Professor für Physik an die Technische Hochschule Karlsruhe berufen. Dort heiratete er 1886 ELISABETH DOLL, die Tochter eines Kollegen.
In den folgenden Jahren gelangen ihm in Karlsruhe
seine grundlegenden Entdeckungen über elektromagnetische Wellen.
Diese brachten ihm zahlreiche Ehrungen ein. 1889 erfolgte seine Berufung
an die Universität Bonn. Kurz danach begann eine quälende Kiefererkrankung,
der er am 1. 1. 1894 erlag, noch nicht 37 Jahre alt.
Zu Ehren von HEINRICH HERTZ wurde als Einheit
der Frequenz das Hertz (Kurzzeichen: Hz) festgelegt. Die in der Nachrichtentechnik
genutzten elektromagnetischen Wellen bezeichnet man auch als hertzsche
Wellen.
Wissenschaftliche Leistungen
Die Probleme, die zu seiner berühmtesten Entdeckung, dem Nachweis
der elektromagnetischen Wellen, führten, beschäftigten ihn mehr
als 10 Jahre seines Lebens.
Im Jahre 1863 hatte der Schotte JAMES
CLERK MAXWELL
(1831-1879) Erkenntnisse der Elektrodynamik seiner Zeit in den berühmten maxwellschen Gleichungen zusammengefasst.
Neben bekannten Tatsachen enthielten diese Gleichungen auch viel Neues.
Eine ihrer wesentlichen Aussagen war, dass nicht nur bewegte elektrische
Ladungen, also elektrische Ströme, Magnetfelder erzeugen. MAXWELL
behauptete, dass auch in der Umgebung veränderlicher elektrischer
Felder magnetische Felder entstehen. So etwas wurde aber noch nie experimentell
nachgewiesen. Wenn es aber richtig war, dann hatte das die Konsequenz,
dass sich eine elektromagnetische Störung wellenförmig im Raum
ausbreiteten müsste.
HELMHOLTZ
interessierte sich dafür, machte das Problem im Jahre 1879 zu einer
Preisaufgabe der Berliner Universität und forderte HERTZ zur Bearbeitung
auf. HERTZ stellte nach kurzer Berechnung fest, dass nur extrem schnell
veränderliche elektrische Felder messbare Magnetfelder erzeugen,
falls dieser Effekt überhaupt existiert. Solche schnell veränderlichen
Felder waren aber nur in sehr hochfrequenten Schwingungen möglich,
die man mit damaligen Mitteln nicht erzeugen konnte.
Aus diesem Grund lehnte HERTZ die Bearbeitung der Aufgabe als aussichtslos
ab. Aber seine "Aufmerksamkeit blieb geschärft
für alles, was mit elektrischen Schwingungen zusammenhing".
Das belegen auch Einträge in seinem Tagebuch schon aus seiner Kieler
Zeit. So heißt es dort:
- 19. 1. 1884: "Elektrodynamische Versuche überlegt"
- 27. 1. 1884: "Über elektromagnetische Strahlen nachgedacht"
- 11. 5. 1884: "Abends tüchtig Elektrodynamik nach Maxwell"
- 16. 5. 1884: "Den ganzen Tag Elektrodynamik gearbeitet"
Im Herbst 1886 begannen jene klassischen Experimente,
die den wissenschaftlichen Ruhm von HEINRICH HERTZ begründeten. Seine
"geschärfte Aufmerksamkeit"
ermöglichte ihm, eine zufällige Beobachtung bei der Vorbereitung
und Erprobung eines Vorlesungsversuches richtig zu deuten: Beim Experimentieren
mit elektrischen Entladungen bemerkte er das Überspringen von Funken
an einer dicht daneben liegenden Spule. Er deutete diese Erscheinung als
Resonanz. Offensichtlich war es möglich, mithilfe einer Funkenstrecke
eine Spule mit wenigen Windungen zu schnellen elektrischen Schwingungen
anzuregen. Am 2. Dezember 1886 heißt es in seinem Tagebuch:
"Gelungen, Resonanzerscheinung zwischen zwei
elektrischen Schwingungen herzustellen"
Im Laufe weiterer Untersuchungen erkannte er, dass einfache langgestreckte
Drähte - heute nennen wir sie Dipole oder Antennen - elektrische
Schwingungen hoher Frequenz ermöglichen. Er erreichte bei den folgenden
Versuchen Frequenzen von etwa 100 MHz, also den heutigen UKW-Bereich.
Bild 2 zeigt den von ihm selbst skizzierten Sender: Mithilfe eines Funkeninduktors wird ein Dipol mit einer Funkenstrecke angeregt. Der Parabolspiegel reflektiert die entstehenden elektromagnetischen Wellen und bündelt sie.
In den weiteren Untersuchungen erforschte er die Eigenschaften elektromagnetischer Wellen und stellte fest, dass sie wie Licht reflektiert und gebrochen werden, sich polarisieren lassen und sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Damit wurde auch die Verbindung zwischen Elektrodynamik und Optik hergestell: Licht ließ sich als elektromagnetische Welle einordnen An der Richtigkeit der maxwellschen Gleichungen zweifelte nun niemand mehr. HERTZ hat auch die maxwellschen Gleichungen auf die heute übliche einfache Form gebracht.
An eine Nutzung der nach ihm benannten hertzschen Wellen zur Nachrichtenübertragung hat er noch nicht gedacht. Er hielt sie auch nicht für möglich.
Während seiner Versuche beobachtete HERTZ 1887,
dass der Funkenübergang in einer Funkenstrecke durch ultraviolettes
Licht erleichtert wurde. Die weitere Untersuchung dieses Effektes überließ
er seinen Mitarbeitern WILHELM HALLWACHS (1859-1922) und PHILIPP LENARD
(1862-1947). Im Ergebnis der Untersuchungen wurde der lichtelektrische
Effekt entdeckt.
In seinen letzten Lebensjahren beschäftigte sich HERTZ mit Grundproblemen
der Physik, insbesondere der Mechanik. Der folgende Text aus seinem Buch
"Prinzipien der Mechanik" (1894) zeigt, dass er dabei auch Fragen
der Erkenntnisgewinnung behandelte. Hertz schrieb in der Einleitung zu
diesem Buch:
Es ist die nächste und in gewissem Sinne wichtigste
Aufgabe unserer bewußten Naturerkenntnis, daß sie uns befähige,
zukünf-tige Erfahrungen vorauszusehen, um nach dieser Voraussicht
unser gegenwärtiges Handeln einrichten zu können.
Als Grundlage für die Lösung jene Aufgabe der Erkenntnis benutzen wir unter allen Umständen vorangegangene Erfahrungen, gewonnen durch zufällige Beobachtungen oder durch absichtlichen Versuch. Das Verfahren aber, dessen wir uns zur Ableitung des Zukünftigen aus dem Vergangenen und damit zur Erlangung der erstrebten Voraussicht stets bedienen, ist dieses: Wir machen uns innere Scheinbilder oder Symbole der äußeren Gegenstände, und zwar machen wir sie von solcher Art, daß die denknotwendigen Folgen der Bilder stets wieder die Bilder seien von den naturnotwendigen Folgen der abgebildeten Gegenstände.
Damit diese Forderung überhaupt erfüllbar sei, müssen gewisse Übereinstimmungen vorhanden sein zwischen der Natur und unserem Geiste. Die Erfahrung lehrt uns, daß die Forderung erfüllbar ist und daß also solche Übereinstimmungen in der Tat bestehen. Ist es uns einmal geglückt, aus der angesammelten bisherigen Erfahrung Bilder von der verlangten Beschaffenheit abzuleiten, so können wir an ihnen, wie an Modellen, in kurzer Zeit die Folgen entwickeln, welche in der äußeren Welt erst in längerer Zeit oder als Folgen unseres eigenen Eingreifens auftreten werden; wir vermögen so den Tatsachen vorauszueilen und können nach der gewonnenen Hinsicht unsere gegenwärtigen Entschlüsse richten.
Die Bilder, von welchen wir reden,
sind unsere Vorstellungen von den Dingen; sie haben mit den Dingen die
eine wesentliche Übereinstimmung, welche in der Erfüllung der
genannten Forderung liegt, aber es ist für ihren Zweck nicht nötig,
daß sie irgend eine weitere Übereinstimmung mit den Dingen
haben. In der Tat wissen wir auch nicht und haben auch kein Mittel zu
erfahren, ob unsere Vorstellungen von den Dingen mit jenen in irgendetwas
anderem übereinstimmen als allein in eben jener einen fundamentalen
Beziehung.
(Aus: Heinrich Hertz: Die Principien der Mechanik in neuem Zusammenhange
dargestellt. 1894, Einleitung)