Maxwell, James Clerk

JAMES CLERK MAXWELL (Bild 1) war einer der vielseitigsten und bedeutendsten Physiker des 19. Jahrhunderts. Seine Theorien elektromagnetischer Felder und des Lichtes war ihrer Zeit soweit voraus und waren so vollkommen, dass sie ein halbes Jahrhundert später von ALBERT EINSTEIN nahezu unverändert in die Relativitätstheorie übernommen werden konnten.

Leben und Wirken
JAMES CLERK MAXWELL wurde am 13. Juni 1831 im schottischen Edinburgh als Sohn eines Gutsbesitzers geboren. Unter seinen Vorfahren findet man Dichter, Musiker, Politiker und Gelehrte. MAXWELLs Vater war ein wissenschaftlich gebildeter, vielseitiger Mann, lebte aber meist ohne spezielle berufliche Tätigkeit auf seinem Gutsbesitz. Die Mutter von MAXWELL starb bereits, als er 8 Jahr alt war. Seine Erziehung lag weitgehend in den Händen des Vaters und von Privatlehrern. Schon früh wurde durch den Vater der Sinn für technische Entwicklungen und praktische Fertigkeiten gefördert. Der Junge wuchs mit den Kindern der Gutsangestellten und Kleinbauern auf.

Nach anfänglichem Privatunterricht besuchte er eine Schule und fiel dort vor allem durch seine mathematische Begabung auf. Ansonsten war er ein Außenseiter, der kaum Freunde hatte. Bereits im Alter von 14 Jahren wurde MAXWELL für seine hervorragenden mathematischen Leistungen mit einer Ehrenmünze ausgezeichnet. Mit 15 Jahren wurde der Akademie der Wissenschaften in Edinburgh eine Abhandlung von J. C. MAXWELL vorgelegt, der ein befreundeter Gelehrter die angemessene akademische Form gegeben hatte und in der eine neuartige, den Mathematikern bis dahin nicht bekante Methode des Zeichnens einer Ellipse dargestellt war.

MAXWELL studierte nach der schulischen Ausbildung in Edinburgh drei Jahre lang Mathematik und Physik. Darüber hinaus beschäftigte er sich in dieser Zeit auch mit philosophischen, wissenschaftsgeschichtlichen und schöngeistigen Studien. In Cambridge schloss MAXWELL im Jahre 1854 seine Studien ab und begann anschließend als Privatgelehrter auf dem Gebiet der Elektrizitätslehre zu arbeiten.

Die erste größere Untersuchung von MAXWELL erscheint 1855 unter dem Titel "Über Faradays Kraftlinien". Daneben beschäftigte er sich auch mit experimentellen Untersuchungen zur physiologischen Farbenlehre. Auch hier veröffentlichte er 1855 die ersten Ergebnisse. Er kam dabei zu ähnlichen Ergebnisse wie HERMANN VON HELMHOLTZ, der sich mit ähnlichen Problemen beschäftigte.

MAXWELL beschäftigte sich auch mit solchen Problemen wie den Saturnringen. Auf mathematischem Wege konnte er nachweisen, dass die Saturnringe aus Wolken winziger Teilchen bestehen müssten. Diese Deutung wurde später bestätigt.

Mit 26 Jahren erhielt MAXWELL 1857 eine Berufung als Professor an ein College in Aberdeen. Als 1860 diese kleine Hochschule mit einer anderen zusammengelegt wurde, verzichtet man auf seine weitere Mitarbeit. 1860 scheiterte auch eine Bewerbung an die Universität in Edinburgh. Im gleichen Jahr erhielt er aber eine Berufung nach London, wo er von 1860 bis 1865 tätig war. Diese Jahre waren die fruchtbarsten in seinem Gelehrtenleben. Während seiner Londoner Zeit trat MAXWELL auch in persönliche Beziehungen zu MICHAEL FARADAY.
Da MAXWELL in London über kein Laboratorium verfügte, richtete er sich ein Privatlabor ein, Seine Frau half ihm beim Experimentieren. Nach Aussage von Zeitgenossen war er ein sehr geschickter und erfindungsreicher Experimentator. Bei seinen Experimenten, die er häufig allein durchführte, soll er seinem Hund mit leiser Stimme die Experimente, die er gerade durchführte, erläutert haben.

Aufgrund seines schlechten Gesundheitszustandes gab MAXWELL 1865 sein Lehramt auf und widmete sich auf seinem Landsitz Glenlair in Schottland sechs Jahre lang ganz der Forschung. 1871 beschloss die Universität Cambridge, eine Professur für Experimentalphysik mit einem Laboratorium einzurichten. Da die beiden berühmtesten Physiker dieser Zeit - der Engländer J. J. THOMSON und der Deutsche H. VON HELMHOLTZ - nicht gewonnen werden konnten, wandte sich die Universitätsleitung an J. C. MAXWELL und gewann ihn als Leiter der neuen Einrichtung. MAXWELL sorgte für die Einrichtung des "Cavendish-Laboratoriums", wie es nach einem der Geldgeber genannt wurde. Das Cavendish-Laboratorium begründete in England eine große Tradition der experimentellen physikalischen Forschung. Nach MAXWELL wurde es von solchen Forschern wie J. W. S. RAYLEIGH, J. J. THOMSON und E. RUTHERFORD geleitete. Während seiner Professur in Cambridge veröffentlichte MAXWELL mehrere bedeutsame Arbeiten: 1871 erschien die "Theorie der Wärme" und 1873 das grundlegende Lehrbuch "Elektrizität und Magnetismus".
Am 5. November 1879 erlag J. C. MAXWELL einer Erkrankung.

Wissenschaftliche Hauptleistungen
Die sicher bedeutendste wissenschaftliche Leistung von J. C. MAXWELL war die Entwicklung einer Theorie, die als elektromagnetische Feldtheorie bezeichnet wird und die eine in sich geschlossene Theorie der Elektrodynamik ist, mit der er sich seit 1855 beschäftigte. Mit seinen berühmten Differenzialgleichungen, die auch als maxwellsche Gleichungen bezeichnet werden, beschrieb er den Zusammenhang zwischen elektrischen und magnetischen Feldern und begründete eine einheitliche Feldtheorie. Der berühmte österreichische Physiker LUDWIG BOLTZMANN war von diesen relativ einfachen Gleichungen so begeistert, dass er angeblich mit FAUST ausrief:
"War es ein Gott, der diese Zeichen schrieb?"

Auf rein mathematischem Wege folgerte MAXWELL, dass sich im leeren Raum elektromagnetische Wellen ausbilden, die sich mit Lichtgeschwindigkeit fortpflanzen. Er begründete mit mathematischen Mitteln die Vermutung, die bereits FARADAY ausgesprochen hatte: Licht und Elektrizität sind wesensgleich. MAXWELL selbst hat nicht versucht, die von ihm theoretisch vorhergesagten elektromagnetischen Wellen nachzuweisen, obwohl er auch ein vorzüglicher Experimentator war und über ausgezeichnete apparative Mittel verfügte. Das gelang erst etwa zehn Jahre nach seinem Tod dem deutschen Physiker HEINRICH HERTZ.
Einer seiner Biografen schrieb zu den wissenschaftlichen Leistungen von MAXWELL:

"Die Aufstellung der Maxwellschen Gleichungen des Elektromagnetismus, die das Zeitalter der Elektrizität eröffneten, kann als das wichtigste theoretische Ereignis in der Physikgeschichte zwischen der Gravitationstheorie Newtons und der Relativitätstheorie Einsteins betrachtet werden. Erkenntnistheoretisch ist dabei wesentlich, daß dadurch das elektromagnetische Kraftfeld gleichberechtigt neben den stofflichen Massepunkt trat: als eine neue Erscheinungsform der Realität".
(Aus: F. Herneck, Bahnbrecher des Atomzeitalters, Berlin 1968)

Bedeutende Beiträge leistete MAXWELL auch zur kinetischen Gastheorie. So gab er 1859 die maxwellsche Geschwindigkeitsverteilung von Gasmolekülen an.

Die 1864 von MAXWELL aufgestellte elektromagnetische Lichttheorie enthält eine Beziehung zwischen dem Brechungsindex des Lichtes (und damit der Lichtgeschwindigkeit) und den elektromagnetischen Größen Dielektrizitätszahl und Permittivitätszahl. In seiner Lichttheorie formulierte er:

"...daß Licht aus den transversalen Schwingungen desselben Mediums bestehe, die die Ursachen der elektrischen und magnetischen Erscheinungen sind".

MAXWELLs Theorien waren seiner Zeit weit voraus und stießen bei vielen Physikern auf Unverständnis und Ablehnung. Das begann sich erst zu ändern, nachdem H. HERTZ die Existenz elektromagnetischer Wellen experimentell nachgewiesen hatte und sich ab 1890 die theoretische Elektrotechnik zu entwickeln begann.