Die Physik um 1800

Obwohl die anziehenden Eigenschaften von geriebenem Bernstein (griech: Elektron) und von Magnetstein schon seit dem Altertum bekannt waren, blieben der Magnetismus und die Elektrizität lange unerforscht. Die systematische Erforschung setzte überhaupt erst im Barock ein, als man auch andere Materialien – wie Glas oder Schwefel – fand, die sich durch Reibung in einen "elektrischen" Zustand versetzen ließen.

Im Barock wurde die Elektrizität hoffähig und Spiele mit den elektrischen Erscheinungen das Amusement der gehobenen Gesellschaft. Prinzen, Fürste und Könige kamen in die Kabinette der Physiker, um die neuen und sonderbaren Erscheinungen zu bestaunen. Bei Gastmahlen wurde mit den geheimnisvollen Erscheinungen "gezaubert". 

Elektrizität konnte schon durch Fäden und Drähte fortgeleitet werden, große und leistungsfähige Elektrisiermaschinen erzeugten zentimeterlange Funken, die – selbst durch einen Menschen oder einen Eiszapfen hindurchgeleitet – Weingeist entzünden konnten. Die blitzenden Funken und der Knall, den sie hervorriefen, erinnerten an das Feuer der Kanonen. Dieser Vergleich führte den amerikanischen Physiker und Staatsmann Benjamin Franklin (1706-1790) auf die Einführung des Begriffs der "elektrischen Ladung", die sich wie eine geladene Kanone laut knallend und mit Funkenschlag entlud.

Man begann, Zusammenhänge zwischen den Funken einer elektrischen Entladung und den Himmelserscheinungen bei einem Gewitter zu vermuten. Waren Blitze riesige Entladungsfunken?
Viele Experimente wurden zur Klärung dieses Problems angestellt. Wie hatte sich damit die Auffassung von den Naturgewalten seit der Antike verändert! Nicht mehr zornige Götter veranlaßten den Donner, sondern Funkenentladungen. Die Versuche mit dem Gewitter waren jedoch gefährlich und kosteten Menschenleben. 

Weniger gefährliche Experimente stellte der französische Oberstleutnant Charles August de Coulomb (1736-1806) an. Er versuchte zu bestimmen, wie die Kraft zwischen zwei elektrischen Ladungen von der Entfernung abhängt. Von Anfang an war er davon überzeugt, daß diese Kraft – genau wie die Gravitation – mit dem Quadrat der Entfernung der Körper voneinander abnehmen würde. Die Experimente mit einer eigens dazu erfundenen Drehwaage bestätigten bald diese Vermutung. Josef Priestley kam in England etwa zur gleichen Zeit zu den selben Ergebnissen.

Ein noch völlig neues Gebiet der Elektrizität erschloß sich, als Luigi Galvani (1737-1798) im Jahre 1780 einige tote Frösche in die Nähe seiner Elektrisiermaschine brachte. Als er sie während der Funkenentladung zufällig mit einem Messer berührte, begannen die Frösche zu zucken. Außerdem begannen die Froschbeine zu zucken, wenn Galvani sie mit zwei verschiedenen Metallen berührte, auch wenn keine Elektrisiermaschine in der Nähe war.
Sein Kollege Alessandro Volta (1745-1827) konnte bald in Pavia zeigen, daß auch dabei die Elektrizität im Spiel war, da die Entladung eines Kondensators zu den gleichen Bewegungen der Frösche führte. Volta schrieb dazu: "Ein zubereiteter Frosch gibt einen Elektrizitätsmesser ab, der ohne Vergleich empfindlicher ist als jeder andere."
Aber Volta experimentierte auch mit seinem eigenen Körper: Er legte auf seine Zungenspitze ein Stanniolblättchen und dahinter eine Silbermünze. Sobald sich die Metalle berührten, trat ein saurer Geschmack auf. Dieser Geschmack trat auch bei anderen Metallen, aber in unterschiedlicher Stärke, auf. So erstellte Volta eine "Spannungsreihe ", geordnet nach der Stärke des Geschmackseindrucks.
Auch mit seinen Augen und Ohren experimentierte Volta. Aus den Versuchen schloß er, daß zwischen den beiden Metallen durch die Säure ein stetiger Strom fließe.Er konnte mit diesen Erkenntnissen die erste Batterie, die Voltasche Säule, bauen. Nun war es möglich, konstante Ströme zu erzeugen, die sich als unerläßlich für die weiteren systematischen physikalischen Forschungen zeigen sollten.
 
Während sich in Frankreich mit der Französischen Revolution die rationale Weltauffassung und ein mechanisches Weltbild durchsetzten, herrschte in Deutschland die Romantische Naturphilosophie vor. Die deutsche Naturphilosophie hatte einen unübersehbaren, wichtigen und positiven Einfluß auf die Entwicklung der Physik. Ihr alles durchdringender Weltgeist ließ die Physiker Zusammenhänge vermuten, wo vorher nur Einzeltatsachen gesehen wurden.
Danach sollten alle Naturerscheinungen wie Licht, Elektrizität, Magnetismus, chemische Kräfte und Wärme miteinander verbunden und ineinander umwandelbar sein.
Zu Beginn des 19. Jahrhunderts war Jena eines der bedeutendsten geistigen Zentren der Welt und Mittelpunkt der deutschen Romantik. In dieser Atmosphäre des Geistes wiederholte Johann Wilhelm Ritter (1776-1810) manches, was Volta schon herausgefunden hatte. Er erfand schließlich den ersten Akkumulator und konnte ausführliche Untersuchungen zur Zersetzung von Wasser durch elektrische Ströme liefern, die zur Begründung der Elektrochemie führten.
Der Däne Hans Christian Örsted (1777-1851) wollte, nachdem er bei seinem Studium in Jena das romantische Weltbild kennengelernt hatte, den Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus erforschen. Örsted konnte zeigen, daß elektrische Ströme, d.h. bewegte elektrische Ladungen, magnetische Kräfte hervorrufen können. Nun wurde nach der Umkehrung gesucht.
Konnte Magnetismus elektrische Ladungen erzeugen?

Friedrich Wilhelm Joseph Schelling hielt Vorlesungen über Philosophie und setzte sich mit den neuesten Entdeckungen Faradays auseinander. In seiner "Zeitschrift für spekulative Physik" stellte er sich die Aufgabe, die Physik aus den Prinzipien des reinen Denkens heraus auf gesicherte Grundlagen zu stellen.
Doch die Physik begann bald, Spekulationen zu verabscheuen und ihren Charakter als empirische
Wissenschaft zu betonen. Auch die Philosophie wandte sich wieder von der Naturwissenschaft ab. Einer der stärksten Verfechter des "Dynamismus" – der englischen Entsprechung zur romantischen Naturphilosophie in Deutschland – war Michael Faraday (1791-1867): "Seit langem habe ich, vermutlich mit vielen anderen Freunden der Naturkunde, die an Überzeugung streifende Meinung gehegt, daß die verschiedenen Formen, unter denen die Kräfte der Materie auftreten, einen gemeinschaftlichen Ursprung haben, oder, mit anderen Worten, so in direktem Zusammenhange und gegenseitiger Abhängigkeit stehen, daß sie gleichsam ineinander verwandelt werden können und äquivalente Kräfte in ihren Wrkungen besitzen."
1831 konnte Faraday seine Vermutungen endgültig bestätigen: Die Veränderung magnetischer Felder bewirkt elektrische Spannung. Die elektromagnetische Induktion war entdeckt. Sie sollte Grundlage für das Generatorprinzip werden, der wichtigsten Stromquelle in den folgenden Jahrzehnten. Aber auch der Transformator basiert auf diesem Prinzip. Darüberhinaus verdanken wir Faraday den Feldbegriff. Damit löste er die Frage der Kraftübertragung von den mechanischen Vorstellungen, indem er jedem Punkt im Raum eine Kraftrichtung zuordnete. Er verglich die Feldlinien mit gespannten Gummibändern und vermutete einen überall vorhandenen Äther.
Ein Blick nach England zu Priestley und Cavendish und nach Frankreich zu Coulomb zeigt, wie wichtig es ist, sich nicht auf die rein pragmatische Beschreibung der Beobachtungen zu beschränken, sondern den Ursachen auf die Spur zu kommen. Diesen nämlich war eine korrekte Beschreibung der Vorgänge als vollständige Lösung erschienen.Doch welche Erklärung für die Kraftübertragung durch den freien Raum fand nun Faraday? In seiner Theorie stützte er sich auf einen noch heute im Physikunterricht praktizierten Versuch: Streut man nämlich z.B. Eisenfeilspäne in der Nähe eines Magneten aus, so ordnen sich diese in Linienmustern von einem zum andern Pol an.
Faraday sah in diesen Linien ein Anzeichen für eine Veränderung, die von der Ladung ausgehend den ganzen Raum erfaßt. Diesen Zustand des Raums bezeichnete er als "elektrisches Feld". Die Benennung sowie das Modell haben sich bis in unsere Zeit bewährt, um die Kraftübertragung anschaulich darzustellen. Durch die Feldtheorie wollte Faraday auch das von Newton ungelöst gelassene Problem der Kraftausbreitung bewältigen. Er nahm an, dass die Kräfte sich im Äther entlang der Feldlinien ausbreiten würden.
Obwohl sich diese Annahme nicht bestätigte, konnte durch die Feldtheorie Newtons Fernwirkungstheorie durch eine Nahwirkungstheorie ersetzt werden. Newtons Problem war weitgehend gelöst.