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Advent 2017: Vier Gleichungen

04.12.2017 | 00:01 Uhr | Peter Müller

Wenn Theorie und Praxis zusammenpassen, feiert die Wissenschaft Sternstunden. Vier Formeln zeigen die Schönheit des Lichts.

Im Vorwort seiner kurzen Geschichte der Zeit berichtet der Physiker Stephen Hawking, sein Verleger habe ihn davor gewarnt, dass eine jede mathematisch-physikalische Formel die Verkaufszahlen seines Buches halbieren würde. Hawking beschränkte sich daher auf Einsteins berühmtes E=mc 2 , die halbe Welt kaufte schließlich sein Buch. Sollte Hawkings Verleger Recht haben, steht diesem Text ein furchtbares Schicksal bevor. Denn nach dieser ersten Formel folgen noch vier weitere, das Ende wird also nur ein 32stel der ursprünglichen Leser erreichen. Gut für die, die durchhalten, denn die Quizspielfrage stellen wir auch heute erst nach dem Text, die Chancen auf den Preis steigen also deutlich an.

Aber im Ernst, wir wollen Sie hier nicht mit Kreuzprodukten, Lagrange-Operatoren oder rotationsfreien Feldern vom Schmökern abhalten und schreiben die vier Maxwell’schen Gleichungen nicht explizit hin.

Und auch werden wir sie nicht ineinander einsetzen und ihre Konsequenzen berechnen, obwohl sich da eine wunderbare Erkenntnis ableitet. Denn die vier vor etwas mehr als 150 Jahren erarbeiteten Formeln beschreiben in aller Einfachheit und Schönheit alles, was Experimentalphysiker bis dahin über elektrische und magnetische Phänomene gelernt haben. Vereinfacht kann man sagen, dass je eine Gleichung Aussagen zum elektrischen und magnetischen Feld trifft, die anderen beiden deren Zusammenhang. Schon vor James Clerk Maxwell war Naturforschern klar geworden, dass Elektrizität und Magnetismus zusammen gehören, ja, nichts weiter sind als zwei Ausprägungen ein und derselben Sache.

Antwort vom 3. Dezember

Gefragt war gestern nach dem Aphoristiker Georg Christoph Lichtenberg, wie Goethe auch ein Naturwissenschaftler. Von Schiller und Lessing sind zwar wesentliche Werke der deutschen Klassik überliefert, eher keine Aphorismen. Von Lichtenberg schon, etwa dieser hier: „Dem großen Genie fällt überall ein: Könnte auch dieses nicht falsch sein?“

Setzt man nun die vier Gleichungen ineinander ein, stellt man fest, dass die Lösung, also die Sache, die dahinter steckt, eine Welle ist. Ihre Wellengeschwindigkeit ergibt sich aus dem der Quadratwurzel des reziproken Produkts zweier Naturkonstanten, der dielekrischen Leitfähigkeit und der magnetischen Leitfähigkeit, die aus Messungen recht gut bekannt waren. Und der solchermaßen errechnete Wert ergibt einen Wert in Metern pro Sekunde, den man aus ganz anderen Überlegungen und Messungen auch bereits zu Maxwells Zeiten kannte: Etwa 3 mal 10 8 . Die Lichtgeschwindigkeit. Allmählich dämmerte es der Wissenschaft in den Sechzigern des 19ten Jahrhunderts: Licht ist eine elektromagnetische Welle, die sich mit einer bestimmten, aber endlichen Geschwindigkeit fortpflanzt. Eine Konsequenz daraus: Licht benötigt anders als eine Wasser- oder eine Schallwelle kein Medium, keinen Äther. Licht ist zudem immer und überall gleich schnell, so wie dielektrische und magnetische Leitfähigkeit konstant sind. Bis man im Experiment aber den Äther widerlegte und den Gedanken des immer gleich schnellen Lichts relativ gut zu Ende dachte, hat es nach Maxwell noch ein paar Jahrzehnte gedauert. Seine vier Gleichungen schufen aber die Grundlage.

Die Frage von heute : Maxwell war, man ahnt es am Klang des Namens, Schotte. Einstein, auf den wir hier auch anspielten, Deutscher. Michelson und Morley, die in ihrem berühmten Versuch die Existenz des Äthers beweisen wollten, diese aber widerlegten, waren Amerikaner. Ihr Experiment haben sie daher in Amerika aufgebaut und vermessen, aber wo genau?

  1. Chicago, Illinois

  2. Cleveland, Ohio

  3. Paris, Texas

Wenn Sie die Antwort wissen, tragen Sie diese mitsamt Ihrer Adresse und E-Mail in das  Gewinnspielformular ein, das heute bis 23.59 Uhr geöffnet hat (Link für mobile Nutzer) . Unter den Einsendern der richtigen Antworten verlosen wir:

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Die Artwizz SmartGlove bestehen aus feinem Lammleder, einem weichem Wollmix und wärmender Fleece-Fütterung.
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