Die exakten Wissenschaften waren durch eine gewaltige Summe
experimenteller und darauf gegründeter theoretischer Arbeit im
Verlauf des 19. Jahrhunderts zu einem wohlgegliederten und wenigstens
in seinen Fundamenten festgefügten Lehrgebäude gelangt. Der Ausbau
im einzelnen wurde während der letzten Jahrzehnte in solchem Maße
gefördert, daß an dieser Stelle nur einige der wichtigsten, neueren
Errungenschaften, welche die Keime weiteren Fortschritts in sich
bergen, berührt werden können. Wir wenden uns zunächst den ältesten
Zweigen der Naturlehre, nämlich der Mechanik, der Akustik und der
Optik zu. Eine bemerkenswerte Erweiterung erfuhr die Mechanik
dadurch, daß *Helmholtz* die Sätze von *Green*[551] auf das Problem
der Wirbelbewegung und die Bildung von Strahlen in Flüssigkeiten
ausdehnte. Die grundlegende Abhandlung erschien im Jahre 1858 unter
dem Titel Ȇber Integrale der hydrodynamischen Gleichungen, welche
den Wirbelbewegungen entsprechen«[552]. Mit der mathematischen
Analyse der Bewegung der Flüssigkeiten hatten sich schon *Euler*,
*Bernoulli* und *Lagrange*[553] beschäftigt. Besonders der letztere
hatte seine Untersuchung vom Standpunkte der später von *Green* und
*Gauß* weiter ausgebauten Potentialtheorie angestellt und dabei eine
Funktion eingeführt, die *Helmholtz* als das Geschwindigkeitspotential
bezeichnete. *Helmholtz* untersuchte besonders die Fälle, bei denen
kein Geschwindigkeitspotential besteht, z. B. die Drehung einer
Flüssigkeit um eine Achse mit gleicher Winkelgeschwindigkeit aller
Teilchen. Diese Untersuchung führte *Helmholtz* zur Entdeckung einer
merkwürdigen Analogie zwischen der Wirbelbewegung einer Flüssigkeit
und dem elektromagnetischen Verhalten elektrischer Ströme.
Von besonderem Interesse war der von *Helmholtz* nicht nur theoretisch,
sondern auch experimentell[554] geführte Nachweis der Existenz von
Wirbelringen in Flüssigkeiten. An den Nachweis, daß solche in einer
reibungslosen Flüssigkeit, z. B. im Äther, existierende Wirbel für
alle Zeiten bestehen bleiben, knüpfte *W. Thomson* (Lord *Kelvin*) die
Hypothese, daß die Atome solche Wirbelringe in dem als kontinuierliche
Substanz gedachten Äther seien. *Thomsons* Wirbeltheorie zeigt
immerhin trotz ihrer in hohem Grade hypothetischen Natur, daß sich
die Vorstellung von der Kontinuität der Materie mit der atomistischen
Auffassung unter Beseitigung der unvermittelten Fernwirkung vereinigen
läßt.
Eine zweite, das Gebiet der Hydrodynamik betreffende Abhandlung
veröffentlichte *Helmholtz* im Jahre 1868 unter dem Titel »Über
diskontinuierliche Flüssigkeitsbewegungen«[555]. *Helmholtz*
untersuchte darin unter anderem den Einfluß, den eine scharf
ausgebildete Kante auf eine vorbeiströmende Flüssigkeit äußert, sowie
den Fall, daß ein Flüssigkeitsstrahl aus einem weiten Raum in einen
engen Kanal übergeht.
In naher Beziehung zu seinen hydrodynamischen stehen die von
*Helmholtz* ausgeführten akustischen Untersuchungen. Die bedeutendste
hierher gehörende Arbeit erschien im Jahre 1860 unter dem Titel
»Theorie der Luftschwingungen in Röhren mit offenen Enden«[556]. Die
ältere Theorie ging von der Annahme aus, daß die Luft in einer tönenden
Pfeife in ebenen Schichten parallel der Achse hin und her schwinge. Für
die von der Öffnung entfernteren Teile der Pfeife ist diese Annahme
zulässig. Sie gilt aber um so weniger, je mehr man sich dem offenen
Ende nähert. Mit ihrem Eintritt in den Außenraum müssen nämlich die
ebenen Wellen in kugelförmige Wellen übergehen. Dieser Übergang
erfolgt allmählich. Die mathematische Analyse des Problems gehört zu
den interessantesten Anwendungen der Potentialtheorie und der besonders
von *Green* auf dem Gebiete dieser Theorie entwickelten Sätze. Die
gewonnenen Resultate ließen sich auch benutzen, um die Stärke der
Resonanz und die Phasen der erregten Schwingungen zu ermitteln, wenn
man die Pfeife durch außerhalb befindliche schwingende Körper, z. B.
eine Stimmgabel, zum Mittönen bringt.
Eine zusammenfassende Darstellung dieses Gebietes auf Grund der eigenen
Forschungen gab *Helmholtz* in seinem berühmten Werke »Die Lehre von
den Tonempfindungen als physiologische Grundlage für die Theorie der
Musik«[557]. Das Buch war vor allem dadurch epochemachend, daß es den
ersten Versuch darstellte, eine Anzahl bisher getrennter Grenzgebiete
zu vereinigen, nämlich die physikalische Akustik, die physiologische
Akustik, die Musikwissenschaft und die Ästhetik der Musik mit ihren
vorzugsweise auf psychologischen Momenten beruhenden Beziehungen.
Neu war in der Darstellung von *Helmholtz* vor allem die Lehre
von den Obertönen und der Klangfarbe, sowie die Einsicht in die
Zerlegung, welche die Klänge durch das Ohr erfahren. *Helmholtz* geht
von der bekannten Tatsache aus, daß ein und dieselbe Note, wenn man
sie auf einem Klavier, einer Violine, einer Trompete usw. angibt,
trotz gleicher Stärke und gleicher Tonhöhe, doch ihre besondere, dem
betreffenden Instrumente eigentümliche Klangfarbe besitzt. Von der
Weite und der Dauer der Schwingung konnte sie nicht abhängen. Es blieb
also zu untersuchen, ob und wie die Klangfarbe durch die Form oder
die Zusammensetzung der Schwingung bestimmt wird. Die Analyse der
Gesamtempfindung, die man als Klang bezeichnet, führte *Helmholtz* zu
der Erkenntnis, daß in dem Klang außer dem Grundton noch eine Anzahl
höherer Töne enthalten sind, die *Helmholtz* harmonische Obertöne
nannte. Bei angestrengter Aufmerksamkeit vermag das Ohr solche Obertöne
aus der als Klang bezeichneten Gesamtempfindung herauszuhören. Besser
gelingt dies mit einem besonderen, von *Helmholtz* zu diesem Zweck
erfundenen, als Resonator bezeichneten Instrument. Es besteht (Abb.
58) aus einer gläsernen Hohlkugel oder Röhre mit zwei Öffnungen. Die
Öffnung a hat scharf abgeschnittene Ränder. Die Öffnung b ist so
geformt, daß sie leicht in das Ohr gesetzt werden kann. Geschieht dies,
so hört man die meisten Töne, die in der Umgebung hervorgebracht
werden, viel gedämpfter als sonst. Wird dagegen der Eigenton des
Resonators in der Nähe angegeben, so »schmettert dieser mit gewaltiger
Stärke in das Ohr hinein«[558]. Um die Klänge zu analysieren,
schwache Töne neben stärkeren wahrzunehmen, Obertöne von dem Grundton
zu unterscheiden usw. benutzte *Helmholtz* eine abgestimmte Reihe
solcher Resonatoren. Auf die Einzelheiten dieser Untersuchung, die
sich auf alle bekannteren Musikinstrumente und die menschliche Stimme
erstreckte, kann hier nicht eingegangen werden.
[Illustration: Abb. 58. *Helmholtz*sche Resonatoren zur Analyse des
Klanges.]
Auch nach der rein physiologischen Seite hat *Helmholtz* die Theorie
der Gehörempfindungen ganz wesentlich gefördert, indem er die Rolle des
»Cortischen Organs« aufdeckte[559]. Durch die mikroskopisch-anatomische
Erforschung des inneren Ohres war *Corti*[560] auf die etwa 3000 Fasern
in der Schnecke aufmerksam geworden, die mit den Fasern des Gehörnerven
in Verbindung stehen. Diese elastischen Fasern, von denen man annimmt,
daß jede einer bestimmten Schwingungszahl entspricht, werden durch
Vermittlung des Trommelfells, der Gehörknöchelchen und der das innere
Ohr erfüllenden Flüssigkeit in Mitschwingung versetzt und übertragen
ihrerseits den Reiz auf die Endigungen des Gehörnervens. Die Empfindung
verschieden hoher Töne wird nach *Helmholtz* durch die *Corti*schen
Fasern vermittelt. Die Empfindung der Klangfarbe würde darauf beruhen,
daß ein Klang außer den einem Grundtone entsprechenden *Corti*'schen
Fasern noch eine Anzahl anderer in Bewegung setzt, also in mehreren
Gruppen von Nervenfasern Empfindungen auslöst. Das Ohr verhält sich
den zusammengesetzten Klängen gegenüber danach wie eine Anzahl von
abgestimmten Resonatoren, und das Hören erscheint, physikalisch
betrachtet, als ein besonderer Fall des Mittönens.
Auch die neuere Theorie des Sehens hat durch *Helmholtz* ihre
Grundlagen erhalten. Sie wurden in einem nicht minder epochemachenden
Werk, in dem Handbuch der physiologischen Optik, zusammenfassend
dargestellt. Mit der Physiologie des Auges hat sich *Helmholtz*
besonders eingehend beschäftigt, nachdem er 1850 bei Gelegenheit seiner
Vorträge über die Sinnesorgane auf die Erfindung des Augenspiegels
gekommen war, eines Instrumentes, das den Augenärzten eine neue Welt
erschloß. *Helmholtz* schrieb über diese für die Physiologie wie für
die Heilkunde gleich wichtige Erfindung: »Sie erforderte weiter keine
Kenntnisse, als was ich auf dem Gymnasium von Optik gelernt hatte, so
daß es mir jetzt lächerlich vorkommt, wie andere Leute und ich selbst
so vernagelt sein konnten, sie nicht früher zu finden. Es handelt sich
nämlich um eine Kombination von Gläsern, die es ermöglicht, den dunklen
Hintergrund des Auges zu beleuchten und gleichzeitig alle Einzelheiten
der Netzhaut genau zu sehen, sogar genauer als man die äußeren Teile
des Auges ohne Vergrößerung sieht, weil die durchsichtigen Teile des
Auges dabei die Stelle einer Lupe von 20maliger Vergrößerung vertreten.
Man sieht die Blutgefäße auf das Zierlichste verzweigt, den Eintritt
des Sehnerven in das Auge usw.«.
Auch auf den Gedanken, die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der
Nervenreizung zu messen, ist *Helmholtz* gelegentlich der Vorbereitung
zu den Vorlesungen gekommen, die er als Professor der Physiologie zu
halten hatte. Aus diesem Grunde erklärte es *Helmholtz* für eine »sehr
nützliche Nötigung, daß jeder Universitätslehrer alljährlich den ganzen
Umfang seiner Wissenschaft vorzutragen« habe?
[Illustration: Abb. 59. Schema des von *Helmholtz* erfundenen
Augenspiegels.
A ist das beobachtete, B das beobachtende Auge. SS ist ein durchbohrter
Spiegel, der das von der Lampe D ausgehende, durch L konzentrierte
Licht in das Auge A wirft. Der Beobachter sieht die Netzhaut durch
die Linse C in einer der Brennweite dieser Linse entsprechenden
Vergrößerung.]
Auf die Erfindung des Augenspiegels, dessen ursprüngliche Einrichtung
die nebenstehende Abbildung 59 erläutert, folgte eine genaue
Untersuchung des Problems der Akkommodation, mit dem sich schon
dreihundert Jahre früher *Kepler*[561] beschäftigt hatte. Der
von *Helmholtz* zur Aufhellung des Problems gebaute Apparat, das
Ophthalmometer, ließ erkennen, daß die Akkommodation, d. h. die
Einstellung des Auges auf eine bestimmte Gegenstandsweite, darauf
beruht, daß sich die Krümmung der vorderen, sowie der hinteren
Linsenoberfläche ändert. Die Arbeit »Über die Akkommodation des
Auges« erschien im Jahre 1855[562]. Ein Jahr später veröffentlichte
*Helmholtz* den ersten Teil seines großen Handbuchs der physiologischen
Optik, dessen Abfassung ihn bis zum Jahre 1866, also ein volles
Jahrzehnt, beschäftigte. Es war ein Werk, in dem *Helmholtz* nach
einem Ausspruch *du Bois Reymonds* den erwähnten Zweig der Physiologie
»systematisch und literargeschichtlich in größter Vollständigkeit
darstellte, von den mathematischen Anfangsgründen der theoretischen
Optik bis zu den letzten erkenntnistheoretischen und ästhetischen
Gesichtspunkten.« Nur »Die Lehre von den Tonempfindungen«, ein
Werk, das *Helmholtz* 1862 veröffentlichte[563], läßt sich der
»Physiologischen Optik« an die Seite stellen. Das zuletzt genannte
Werk beginnt mit einer genauen anatomischen Beschreibung des Sehorgans.
Es folgt die Dioptrik des Auges. Dieser Teil enthält zunächst eine
allgemeine Darstellung der Lichtbrechung in Systemen kugliger Flächen
und knüpft daran die Untersuchung des Strahlenganges im Auge. In dem
zweiten Abschnitt, der sich mit der Lehre von den Gesichtsempfindungen
befaßt, entwickelt *Helmholtz* die in ihren Grundlagen von *Young*
herrührende physiologische Farbenlehre. Nach der *Young-Helmholtz*schen
Theorie gibt es im Auge drei Arten von Nervenfasern. Reizung der einen
erzeugt die Empfindung des Rot, Reizung der zweiten die des Grün und
Reizung der dritten Art die des Violett. Das Licht erregt diese drei
Arten von Fasern je nach seiner Wellenlänge in verschiedener Stärke.
Die rotempfindenden Fasern werden am stärksten von dem Lichte größter
Wellenlänge erregt, die grünempfindenden von dem Lichte mittlerer
Wellenlänge und die violettempfindenden von dem Lichte kleinster
Wellenlänge. Jede Spektralfarbe erregt alle Arten von Fasern, indessen
die einen stark und die anderen schwach. Stellt man sich über den
in Abb. 60 dargestellten, horizontalen Linien die Spektralfarben in
der natürlichen Reihenfolge von Rot (R) bis bis Violett (V) vor, so
entsprechen die drei Kurven etwa den Erregungsstärken der drei Arten
von Nervenfasern.
[Illustration: Abb. 60. Die physiologische Wirkung der Spektralfarben
nach *Helmholtz*.]
Auch um den Ausbau der Lehre von den Gesichtswahrnehmungen, eines
Gebietes, das auf der Grenze zwischen Physiologie und Psychologie
steht und mit dem sich der dritte Abschnitt des Werkes beschäftigt,
hat sich *Helmholtz* große Verdienste erworben. Er entdeckte nicht nur
zahlreiche neue Tatsachen, sondern knüpfte auch an das ganze, große
Gebiet der Sinneswahrnehmungen die wichtigsten, erkenntnistheoretischen
Betrachtungen an. Die Theorie, die *Helmholtz* verfocht, hat man als
die empiristische bezeichnet. Sie entscheidet die Frage, wieweit
die Vorstellungen mit den Objekten übereinstimmen, dahin, daß die
Vorstellungen sowohl von der Natur des Wirkenden als auch von der
Natur des wahrnehmenden Subjektes abhängen. Es hat daher keinen Sinn
von einer anderen Wahrheit unserer Vorstellungen zu sprechen als von
dieser gewissermaßen praktischen. Unsere Vorstellungen von den Dingen
können nichts anderes sein als Zeichen für die Dinge, Zeichen, die wir
zur Regelung unserer Bewegungen und Handlungen benutzen lernen. Ein
anderer Vergleich zwischen den Vorstellungen und den Dingen ist nach
*Helmholtz* nicht denkbar.
Während es sich für die älteren Zweige der Physik nur noch um einen
Ausbau im einzelnen handelte, erfuhr die Elektrizitätslehre eine
tiefergreifende Umgestaltung. Dies geschah vor allem dadurch, daß
man mit elektrischen Oszillationen oder Wellen bekannt wurde. Die
grundlegenden Untersuchungen auf diesem Gebiete rühren von *Wheatstone*
und von *Feddersen* her. *Wheatstone* hatte beobachtet, daß die
Entladung durch einen Funken nicht momentan erfolgt, sondern eine
gewisse Zeit beansprucht. Seine Methode[564] bestand darin, daß er
den Funken in einem rasch sich drehenden Spiegel beobachtete und aus
der Länge des Bildes und der Tourenzahl des Spiegels die Dauer der
Lichterscheinung ermittelte. Rotierte der Spiegel nur langsam, so
erschien der Funken als eine helle Linie. Je rascher der Spiegel sich
bewegte, um so mehr wurde die Linie zu einem Lichtband ausgezogen. Bei
800 Umdrehungen in der Sekunde betrug die Breite dieses Lichtbandes
z. B. 24 Grad. Daraus berechnete sich für diesen Fall die Dauer des
Entladungsfunkens auf 0,000042 Sekunden.
*Wheatstones* spektroskopische Untersuchung des Entladungsfunkens
ließ erkennen, daß die in seinem Spektrum auftretenden Linien
von der chemischen Natur des positiv wie auch von derjenigen des
negativ geladenem Körpers abhängen. Offenbar beweist dies, daß bei
der Entladung von beiden Polkörpern glühende Teilchen mitgerissen
werden[565].
*Wheatstones* so einfacher und doch in ihren Ergebnissen so wunderbarer
Methode, die Milliontel von Sekunden zu messen gestattet, bediente
sich auch *Feddersen*. Er richtete sein Augenmerk indessen nicht nur
auf die Breite, sondern auch auf die Beschaffenheit des Lichtbandes,
das er nicht nur beobachtete, sondern auch, um möglichst einwandfreie
Ergebnisse zu erhalten, photographisch festhielt. Eins der von
*Feddersen* erhaltenen Bilder[566] zeigt die nebenstehende Abbildung
61[567]. Sie läßt erkennen, daß der Funken aus einer Reihe von
Teilentladungen besteht, die allmählich schwächer werden. Die Zeit,
die zwischen einem Strommaximum und dem nächstfolgenden verfließt, ist
eine konstante, solange sich die Umstände nicht ändern. Vergrößert man
dagegen die Länge des Schließungsdrahtes, so wird auch das Intervall
zwischen zwei Teilentladungen ein größeres. Die weitere Untersuchung
ergab, daß die Entladung nicht etwa aus einem Strom besteht, der in
einer Reihe gleichgerichteter Partialströme zerfällt. Der Vorgang ließ
sich vielmehr nur als ein Hin- und Herfließen der Elektrizität, mit
anderen Worten als ein oszillatorischer auffassen. Auf theoretischem
Wege waren *Kirchhoff*[568] und *Helmholtz* zu dem gleichen Ergebnis
gelangt. *Helmholtz* hatte diese Ansicht im Jahre 1847 in seiner
Schrift über die Erhaltung der Kraft entwickelt[569]. Danach ist die
Entladung nicht als eine Bewegung der Elektrizität in einer Richtung
vorzustellen, sondern als ein Hin- und Herschwanken in Oszillationen,
die immer kleiner werden, bis die ganze lebendige Kraft durch die
Widerstände vernichtet ist.
[Illustration: Abb. 61. *Feddersens* Nachweis der elektrischen
Schwingungen.]
Um die Dauer einer Oszillation zu bestimmen, ermittelte *Feddersen*
die Ausdehnung des Streifenbandes (Abb. 61) und dividierte sie durch
die Zahl der Streifen. So ergab sich beispielsweise bei der Entladung
einer Batterie von zehn Leydener Flaschen die Dauer einer Oszillation
zu 0,00000304 Sekunden. Die Oszillationsdauer wurde bedeutend
vergrößert, als *Feddersen* die Entladung durch einen längeren
Schließungsbogen vor sich gehen ließ. Wählte er als solchen z. B. einen
Draht von
15 m Länge, so war die Oszillationsdauer 0,00000312'', bei
115 m Länge betrug " " 0,00000935'', bei
1343 m " " " " 0,00003980''.
Der weitere Ausbau des durch *Feddersen* erschlossenen Gebietes
der elektrischen Oszillationen erfolgte seit dem Jahre 1887 durch
*Hertz*[570]. *Hertz* stellte sich die Aufgabe, die von *Maxwell*
auf den Versuchen und Anschauungen *Faradays* aufgebaute Theorie
durch weitere Versuche auf ihre Zulässigkeit zu prüfen. Nach
der *Faraday-Maxwell*schen Theorie beruhen die elektrischen und
magnetischen Vorgänge nicht auf einer unmittelbaren, den Raum
überspringenden Fernkraft. Wir müssen diese Vorgänge vielmehr als die
Folge einer Wirkung ansehen, die sich in einem Medium von Punkt zu
Punkt fortpflanzt. Zur Prüfung dieser Theorie erschien *Hertz* nichts
geeigneter als die Untersuchung, ob und wie sich die von *Feddersen*
entdeckten elektrischen Schwingungen durch den Raum fortpflanzen.
Dazu dienten ihm zwei Mittel. Zunächst rief er durch Anwendung eines
geeigneten Induktionsapparates Schwingungen hervor, die etwa hundertmal
so rasch wie diejenigen *Feddersens* erfolgten. Setzt man voraus, daß
diese Schwingungen sich, wie *Maxwells* Theorie es forderte, mit der
Geschwindigkeit des Lichtes wellenartig ausbreiten, dann mußte die
Wellenlänge um so kleiner werden, je größer man die Schwingungszahl
machte[571]. Das zweite Mittel, das *Hertz* für seine Zwecke schuf,
war ein Instrument, mit dem er das Feld in der Umgebung des die
Oszillationen veranlassenden Induktionsapparates absuchte. Dies von ihm
als elektrischer Resonator bezeichnete Instrument ist nichts weiter als
ein rechteckig gebogener, an einer Stelle (M) unterbrochener Draht.
Abbildung 62 zeigt uns die von *Hertz* benutzte Versuchsanordnung.
Dem induzierenden Strom gab er die Gestalt einer geraden Linie. Ihre
Enden wurden durch die Konduktoren C und C' gebildet. Das Rechteck
*abcd* ist der Resonator. Der Nachweis der elektrischen Kräfte im Raum
geschah mit Hilfe der feinen Funken, die unter gewissen Bedingungen an
der Unterbrechungsstelle M des Resonators auftreten, wenn bei B eine
oszillierende Entladung des primären Systems stattfindet.
[Illustration: Abb. 62. Schema des von *Hertz* benutzten Resonators.]
Wie *Hertz* die Dimensionen seines Resonators gestaltete, um ihn
sozusagen auf das primäre System abzustimmen, wie er ferner die
Stellung und die Entfernung des Resonators in bezug auf den die
Induktionswirkung erzeugenden Apparat abänderte, kann hier nicht
im einzelnen dargelegt werden. Das erste Ergebnis war, daß *Hertz*
elektrische Wellen nachzuweisen vermochte und stehende elektrische
Wellen, ganz nach Analogie der akustischen und der optischen
Erscheinungen, durch Reflexion hervorrufen konnte. Aus der Länge der
Wellen und der Zahl der Oszillationen ergab sich die Geschwindigkeit
ihrer Ausbreitung zu 300000 Kilometern in der Sekunde, ein Nachweis,
durch den die von *Maxwell* angenommene Identität der optischen und
der elektromagnetischen Strahlung eine wesentliche Stütze erhielt. Für
jene Identität sprach auch der Umstand, daß *Hertz* mit den von ihm
erzeugten Strahlen elektrischer Kraft sämtliche elementaren Versuche
anstellen konnte, die man mit dem Lichte und mit der strahlenden Wärme
auszuführen gelernt hatte[572]. Der Nachweis der elektrischen Kräfte
im Raum geschah auch hier mit Hilfe der feinen Funken, die bei den
oszillierenden Entladungen des primären Systems in dem sekundären
Leiter (dem Resonator) auftreten. Um die elektrischen Strahlen zu
konzentrieren, bediente sich *Hertz* eines Hohlspiegels von der Form
eines parabolischen Zylinders. Die Ausbreitung der Strahlen fand in der
Richtung der optischen Achse statt. Die Strahlen ließen sich in einem
zweiten Spiegel auffangen und im Brennpunkt durch den sekundären Leiter
nachweisen. (Abb. 63.)
[Illustration: Abb. 63. *Hertz* konzentriert die elektrischen Strahlen
mit Hilfe eines parabolischen Hohlspiegels.]
Brachte *Hertz* in die Verbindungslinie der Spiegel senkrecht zur
Richtung der Strahlen einen Schirm aus Stanniol oder aus Zinkblech,
so erloschen die sekundären Funken. Daß für die elektrischen Strahlen
das in der Optik seit alters bekannte Reflexionsgesetz gilt, war
schon durch die erfolgreiche Anwendung der Hohlspiegel dargetan.
Durch seitliche Aufstellung des erwähnten Metallschirms wurde das
Reflexionsgesetz für die Strahlen elektrischer Kraft noch besonders
nachgewiesen. Die Versuchsanordnung ist durch Abbildung 64 ohne
weiteres ersichtlich.
[Illustration: Abb. 64. *Hertz'* Versuch über die Reflexion der
elektrischen Strahlen.]
Zum Nachweise der Brechung der elektrischen Strahlen bediente sich
*Hertz* eines etwa 12 Zentner schweren, aus Pech hergestellten Prismas.
Daß die Strahlen in Transversalschwingungen bestehen und im optischen
Sinne geradlinig polarisiert sind, wurde dadurch nachgewiesen, daß
man bei gekreuzter Stellung der Spiegel keine Funken im sekundären
Leiter erhielt. Dasselbe erreichte *Hertz* durch Einschieben eines
Drahtgitters, das in einer bestimmten Stellung die Strahlen ungehindert
hindurchließ, um 90 Grad gedreht, sie aber zum Verschwinden brachte.
Aus allem ging hervor, daß es berechtigt schien, die Strahlen
elektrischer Kraft als Lichtstrahlen von großer Wellenlänge zu
bezeichnen. Daher durfte *Hertz* nach Abschluß seiner Versuche
ausrufen[573]: »Die Verbindung zwischen Licht und Elektrizität, welche
die Theorie ahnte, vermutete, voraussah, ist hergestellt. Von dem
Punkte, den wir erreicht haben, eröffnet sich ein weiter Ausblick in
beide Gebiete. Die Herrschaft der Optik beschränkt sich nicht mehr
auf Ätherwellen, welche kleine Bruchteile des Millimeters messen,
sie gewinnt Wellen, deren Längen nach Dezimetern, Metern, Kilometern
rechnen. Und trotz dieser Vergrößerung erscheint sie uns, von hier
gesehen, nur als ein kleines Anhängsel am Gebiete der Elektrizität.«
Mit dem Bekanntwerden der Versuche von *Hertz* trat das schon
lange bestehende Problem der Telegraphie ohne Draht wieder in den
Vordergrund. Eine teilweise Lösung hatte dieses Problem schon 1838
dadurch gefunden, daß *Steinheil* vorschlug, beim elektromagnetischen
Telegraphen für die Rückleitung die Erde zu verwenden und auf
diese Weise die Hälfte der Drahtleitung zu ersparen. Andere,
weniger erfolgreiche Bemühungen liefen darauf hinaus, an Stelle des
Drahtes natürliche oder künstliche Wasserläufe zu benutzen. Auch
auf den Gedanken, die elektrische Induktion zu verwenden und die
Induktionsvorgänge durch oszillierende Ströme zu verstärken, ist
man schon vor *Hertz* gekommen. *Hertz* selbst soll sich übrigens
während der wenigen Jahre, die ihm nach seiner großen Entdeckung noch
beschieden waren, dem Gedanken gegenüber, daß sie sich praktisch
verwerten lasse, ablehnend verhalten haben.
Dennoch hat es sich alsbald gezeigt, daß durch die *Hertz*schen
Versuche das Problem in ein neues, Aussicht auf die besten Erfolge
darbietendes Stadium gekommen war. Seit dem Jahre 1890 sehen wir
eine große Zahl von Physikern und Elektroingenieuren bemüht, die
Funkentelegraphie durch den Bau geeigneter Induktionsapparate, ihre
Verbindung mit besonderen Sendern, welche die elektrische Energie
in den Raum hinausführen, und vor allem durch die Erfindung höchst
empfindlicher Empfänger den Bedürfnissen der Praxis anzupassen. Der
Erfolg war ein überraschender und die Vielseitigkeit in der Ausführung
des Gedankens und in der Anwendung so groß, daß hier nicht näher darauf
eingegangen werden kann. Das erste brauchbare System erzielte im Jahre
1896 *Marconi*, indem er den von *Righi* verbesserten Oszillator als
Sender und an Stelle des *Hertz*schen Resonators die *Branly*sche
Röhre[574] als Empfänger benutzte.
Schon vor *Branlys* Erfindung hatte man beobachtet, daß metallischer
Staub unter der Einwirkung von Induktionsströmen leitfähig wird.
*Branly* schloß 1890 den Metallstaub in eine Glasröhre ein, in die
er zwei Drähte treten ließ. Er zeigte, daß dies System unter der
Einwirkung der *Hertz*schen Wellen eine bedeutende Leitfähigkeit
erhält, die durch eine leichte Erschütterung wieder aufgehoben wird.
Die Wirkung des Senders auf die *Branly*sche Röhre besteht darin,
daß jeder von dem Sender ausgehende Impuls die Röhre befähigt, einen
elektrischen Strom zu schließen und dadurch beispielsweise ein
Läutewerk in Tätigkeit zu setzen. Gleichzeitig erschüttert der Klöpfel
dieses Läutewerks die Röhre und befähigt sie durch Vernichtung der
Leitfähigkeit zur Aufnahme eines neuen Zeichens.
Durch mannigfache Abänderungen des in seinem Wesen immer noch
rätselhaften Aufnahmeapparats, sowie des Senders und der
Nebeneinrichtungen ist es gelungen, eine abgestimmte Funkentelegraphie
zu schaffen und eine Verständigung auf Entfernungen von mehreren
tausend Kilometern herbeizuführen, unbemannte Boote und Luftschiffe zu
lenken[575], Geschütze abzufeuern, kurz Dinge zu leisten, die man vor
wenigen Jahrzehnten noch ins Reich der Träume verwiesen haben würde.
Erwähnt sei unter den neuesten Aufnahmeapparaten (Detektoren) der
elektrolytische Wellenanzeiger. In diesem Apparat ändert sich die
Polarisation sofort, wenn durch die eintreffenden Schwingungen der
schwächste Strom induziert wird. Ein anderer Apparat beruht auf
der äußerst geringen Wärmewirkung, welche die ankommenden Wellen
hervorzurufen vermögen. Man ist auch mit Erfolg dazu übergegangen,
die Antennen, die eine Höhe von mehreren hundert Metern erreichten,
durch liegende Drähte (sogenannte Erdantennen) zu ersetzen. Auf diese
Weise ließ sich eine Ausdehnung der Antennen erreichen, wie sie sich
durch den Bau hoher Türme nicht ermöglichen läßt. Für die Sendeapparate
benutzt man hochfrequente, elektrische Wechselströme in Verbindung mit
dem 1906 von *M. Wien* erfundenen Löschfunkensender[576].
Um die Fortbildung der neuen, durch *Faraday* geschaffenen
theoretischen Vorstellungen hat sich besonders *Maxwell*[577] verdient
gemacht. Vor *Faraday* hatte man angenommen, daß die Wirkungen des
Magneten und des elektrischen Stromes unvermittelte Fernwirkungen
seien. Die Annahme einer durch keinen mechanischen Vorgang vermittelten
Wirkung in die Ferne hatte man auch der Gravitationstheorie zugrunde
gelegt, obgleich *Newton* sich durchaus nicht etwa entschieden für
eine solche »actio in distans« ausgesprochen hatte. Während des 18.
Jahrhunderts galt die unvermittelte Fernwirkung nicht nur für die
Gravitation; sie wurde von *Coulomb*, der die Analogie zwischen der
Gravitationswirkung und der Wirkung der elektrischen und magnetischen
Kräfte erkannte, auch auf letztere ausgedehnt. Auch *Weber*, der in
seinem Gesetz die elektrostatischen mit den elektromagnetischen und den
Induktionserscheinungen zusammenfaßte, war in der im 18. Jahrhundert
herrschenden Anschauung befangen geblieben. Erst durch *Faraday* trat
hierin ein Wandel ein, dem sich die neuere Physik nur widerstrebend und
ganz allmählich angepaßt hat.
Nach *Faraday* handelt es sich bei den schon vor ihm bekannten
elektrischen, magnetischen und elektromagnetischen Vorgängen, sowie
bei der von ihm entdeckten Induktion stets um eine Wirkung, die sich
durch die Luft oder irgend eine andere isolierende Substanz (das
Diëlektrikum) von Teilchen zu Teilchen fortpflanzt. Dies war *Faraday*
schon deshalb wahrscheinlich, weil sich eine scharfe Grenze zwischen
Leitern und Nichtleitern gar nicht angeben läßt. Er nahm daher in dem
Diëlektrikum einen Spannungszustand an, den er als den elektrotonischen
bezeichnete. Um diesen Zustand genauer zu charakterisieren, bediente
sich *Faraday* als eines Hilfsmittels imaginärer Kurven, die er
Kraftlinien nannte. In der Richtung der Kraftlinie, beziehungsweise
für jeden ihrer Punkte in der Richtung der Tangente, wirkt ein Zug,
quer zu den Kraftlinien ein Druck. Dieser Vorstellung entsprechen
beispielsweise die magnetischen Kurven oder Kraftlinien, in denen sich
Eisenfeilspäne unter dem Einfluß eines Magneten anordnen.
[Illustration: Abb. 65. Magnetische Kraftlinien.]
Die magnetischen Kraftlinien sind die Bahnen, in denen sich ein freier
magnetischer Pol in einem magnetischen Felde bewegen würde. Das
Auseinanderweichen der Kraftlinien zeigt eine Abnahme, das Konvergieren
eine Zunahme der Kraft an.
An die Stelle dieses reingeometrischen Modells der Kräfte, dessen
sich *Faraday* bediente, setzte *Maxwell* ein anderes, das aber
lediglich als eine Analogie und nicht etwa als eine Erklärung oder
auch nur als Versuch einer Erklärung aufgefaßt werden darf. Unter
einer physikalischen Analogie versteht *Maxwell* eine teilweise
Ähnlichkeit zwischen den Gesetzen zweier Erscheinungsgebiete. Eine
solche Ähnlichkeit setzt uns in die Lage, die Erscheinungen des einen
Gebietes durch diejenigen des anderen zu erläutern. Eine derartige
Analogie besteht beispielsweise zwischen manchen Erscheinungen, die
der elektrische Strom darbietet, und dem Verhalten einer strömenden
Flüssigkeit. *Maxwell* bediente sich eines hydrodynamischen Modells zur
Erläuterung der Wirkungen des elektrischen und des magnetischen Feldes.
Er setzte an die Stelle der Kraftlinien Röhren von veränderlichem
Querschnitt, in denen er sich eine nicht zusammendrückbare Flüssigkeit
strömend dachte. Da die Geschwindigkeit einer solchen Flüssigkeit
sich umgekehrt wie der Querschnitt der Röhre verhält, so läßt
es sich einrichten, daß die Strömung an jeder Stelle durch ihre
Geschwindigkeit die Größe und durch ihre Richtung gleichzeitig auch
die Richtung der Kraft darstellt. Die von *Maxwell* gedachten Röhren
füllen das magnetische oder das elektrische Feld so vollständig aus,
daß keine Zwischenräume übrig bleiben. Die Röhrenwände reduzieren
sich auf mathematische Flächen, welche die Bewegung einer den ganzen
Raum erfüllenden Flüssigkeit bestimmen. Auf diese Weise vermochte
es *Maxwell*, die Wirkungen von Magneten und elektrischen Strömen
darzustellen und in mathematische Formeln zu kleiden, ohne damit irgend
eine Annahme über das eigentliche Wesen des Magnetismus oder der
Elektrizität gemacht zu haben.
Aus *Maxwells* Theorie ergab sich als eine der wichtigsten Folgerungen,
daß sich die elektromagnetische Wirkung mit einer Geschwindigkeit
ausbreitet, die mit der durch *Fizeau* ermittelten Geschwindigkeit
des Lichtes nahezu übereinstimmt. *Fizeau* hatte für letztere 195600
englische Meilen in der Sekunde gemessen. *Maxwells* Berechnung ergab
für die elektromagnetischen Wellen eine Fortpflanzungsgeschwindigkeit
von 193000 englischen Meilen in der Sekunde. Es ließ sich daher der
Gedanke kaum zurückweisen, daß das Licht aus Schwingungen desselben
Mediums besteht, in dem sich auch die elektrischen und die magnetischen
Vorgänge abspielen. Eine wichtige experimentelle Bestätigung dieser
elektromagnetischen Theorie des Lichtes brachte *Hertz*, indem er für
die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der elektrischen Wellen denselben
Wert fand, den *Fizeau* für das Licht ermittelt hatte[578].
Auf eine enge Beziehung zwischen den optischen und den
elektromagnetischen Erscheinungen war schon *Faraday* aufmerksam
geworden, als er die Drehung der Polarisationsebene unter dem Einfluß
eines Elektromagneten entdeckte[579]. Eine weitere Beziehung wurde im
Jahre 1896 durch *Zeeman*[580] nachgewiesen. Als er eine mit Natrium
gefärbte Flamme zwischen die Pole eines Elektromagneten brachte und ihr
Licht mit dem Spektroskop untersuchte, nahm er eine Verbreiterung der
Natriumlinien wahr. Wandte man starke Elektromagnete an, so wurden die
Spektrallinien gespalten. Die merkwürdige, *Zeeman*-Effekt genannte
Erscheinung erwies sich als abhängig von der Lage des Lichtstrahles
zum magnetischen Kraftfelde. *Zeemans* Entdeckung ist für die heute
herrschende Theorie von *Lorentz* von derselben Bedeutung wie die
*Hertz*schen Versuche für diejenige *Maxwells*. Nach *Lorentz* beruhen
die elektrischen Erscheinungen auf der Bewegung elektrisch geladener
Teilchen, der Elektronen. Auf ihre Schwingungen ist auch das Licht
zurückzuführen. In einem magnetischen Felde wirken auf die Elektronen
beschleunigende und verzögernde Kräfte, aus denen sich die von
*Zeeman* entdeckte Erscheinung erklären und in Übereinstimmung mit dem
experimentellen Ergebnis berechnen läßt.
Die Theorie der galvanischen Elemente hat vor allem *Helmholtz*
während der siebziger und der achtziger Jahre des 19. Jahrhunderts
durch eine Reihe von Arbeiten gefördert. Sie wurden neuerdings unter
dem Titel »Abhandlungen zur Thermodynamik chemischer Vorgänge« wieder
herausgegeben[581].
Die erste dieser Arbeiten erschien im Jahre 1877. Sie handelt über
galvanische Ströme, verursacht durch Konzentrationsänderungen.
*Helmholtz* hatte sich bereits in seiner epochemachenden Schrift
über die Erhaltung der Kraft mit der Frage beschäftigt, ob sich
die chemische Energie vollständig in elektrische Energie umwandeln
läßt. Unter der Voraussetzung, daß dies der Fall ist, hatte er die
elektromotorische Kraft einer galvanischen Kette berechnet. In der
Arbeit vom Jahre 1877 wandte *Helmholtz* die beiden Hauptsätze der
mechanischen Wärmetheorie auf das Problem des Energieumsatzes in der
galvanischen Kette an. Als Beispiel wählte er die Konzentrationskette.
Bei einer solchen wird der Strom ausschließlich durch Änderungen in
der Konzentration einer Lösung geliefert. Bei der von *Helmholtz*
untersuchten Konzentrationskette tauchen Kupferstäbe in zwei
miteinander in Verbindung stehende Gefäße. Befinden sich in diesen
Kupfervitriollösungen von verschiedener Konzentration, so erhält man
an den Kupferstäben eine Potentialdifferenz. Werden die Stäbe durch
einen metallischen Leiter verbunden, so bewegt sich ein elektrischer
Strom von dem in die konzentriertere Lösung eintauchenden Metall zu dem
Metallstabe, der sich in der verdünnteren Lösung befindet. Dabei löst
sich in der weniger konzentrierten Lösung Kupfer auf, während es sich
in der konzentrierteren niederschlägt. Die Quelle des Stromes ist also
einzig in dem Ausgleich der Konzentrationen zu suchen. Die Energie,
die sich durch den Ausgleich der Konzentrationen gewinnen läßt, wurde
berechnet, und es ließ sich zeigen, daß diese Energie der Arbeit der
elektromotorischen Kraft gleich ist.
Im weiteren Verlaufe seiner Untersuchung wurde *Helmholtz* zu einer
Gegenüberstellung des Begriffes der »freien Energie« zu dem Begriff
»gebundene Energie« geführt. Unter der freien Energie versteht
*Helmholtz* die ohne Rest ineinander verwandelbaren Arbeitsäquivalente
der Naturkräfte. Der Wärmevorrat, von dem sich stets nur ein Bruchteil
in andere Energieformen verwandeln läßt, wird als gebundene Energie
bezeichnet. So gibt es galvanische Elemente, in denen die freie Energie
vollkommen in elektrische Energie verwandelt wird, also kein Anteil
der Energie als Wärme auftritt. Die von einem Elemente gelieferte
elektrische Energie kann sogar größer sein, als dem in dem Element
enthaltenen Vorrat an freier Energie entspricht. Damit ist das Gesetz
von der Erhaltung der Energie indessen nicht etwa durchbrochen, sondern
das Mehr an Energie wird in diesem Falle aus der Umgebung aufgenommen.
Die Stromerzeugung ist dann nicht mit einer Erwärmung oder mit einem
Konstantbleiben der Temperatur, sondern mit einer Abkühlung verbunden.