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Heinrich-Hertz-Gesellschaft

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Heinrich Hertz, sein Leben und die Bedeutung seines Werks

Heinrich Rudolf Hertz wurde am 22. Februar 1857 in Hamburg als Sohn des Rechtsanwalts und späteren Oberlandesgerichtsrats und Senators Dr. Gustav Hertz geboren. Er verbrachte die achtzehn Jahre seiner Kindheit und Schulzeit in seinem Elternhaus.

Heinrich war das erstgeborene Kind, und im Laufe dieser Jahre erhielt er drei Brüder und eine Schwester. Der älteste Bruder, der gleichfalls den Namen Gustav trug,. wird der Vater des Nobelpreisträgers Gustav Hertz sein, er ist der Großvater des Autors.

Über die angedeutete Zeit von 1857 bis 1875 liegt uns ein Bericht von Heinrichs Mutter, Elisabeth Hertz, geb. Pfefferkorn, vor, den sie 1901, also sieben Jahre nach dem Tode ihres damals schon berühmten Sohnes, schrieb. Aus diesen Zeilen lernen wir einerseits, daß Heinrich Hertz in einem sehr harmonischen und sonnigen Familienkreis aufgewachsen ist, in dem insbesondere durch den auf vielen Gebieten sehr kenntnisreichen Vater die Kinderschar mit mannigfaltigen Anregungen versorgt wurde, zum anderen berichtet die Mutter, daß Heinrich schon als Kind durch seine außerordentliche Begabung auffiel. Bemerkenswerterweise war die Begabung nicht einseitig; er modellierte aus Ton, bastelte, baute naturwissenschaftliche Geräte und arbeitete an der Drechselbank, auch chemische Experimente muß er ausgeführt haben. Aber er hatte auch ein beachtliches Sprachtalent, es sei nur erwähnt, daß er Homer auf Griechisch las und daß er sich sogar Kenntnisse der arabischen Sprache aneignete. Nur eine musikalische Begabung fehlte.

Er besuchte die Gewerbeschule in Hamburg, um Zeichnen zu lernen, und zwar sonntags, was zeigen mag, wie ganz anders die Zeiten damals noch waren. Und er duldete nicht das Versäumnis einer Unterrichtsstunde, welche. hätte entstehen können, als seine Eltern ihn auf einen sonntäglichen Ausflug nach Travemünde mitnehmen wollten. So zeichnete sich in frühen Jahren schon eine sehr intensive und ernste Hingabe an die Aufgaben, die ihm entgegentraten, ab.

Nachdem Heinrich Hertz im Jahre 1875 am Johanneum in Hamburg das Zeugnis der Reife erhalten hatte, begab er sich nach Frankfurt am Main, um dort in einem Architektenbüro mit einer zunächst praktischen Berufsvorbereitung zu beginnen. Denn er wollte Bauingenieur oder Architekt werden. Das eigentliche Studium begann dann im Frühjahr 1876 an der Technischen Hochschule in Dresden, aber bereits nach einem Semester wechselte er auf die Technische Hochschule München über, nachdem er zwischenzeitlich seine einjährige Militärdienstzeit hinter sich gebracht hatte. Jedoch der Stoff der Ingenieurwissenschaften befriedigte ihn nicht im Vergleich mit dem immer lebhafter werdenden Interesse an den Naturwissenschaften, insbesondere an Mathematik und Physik. Es sollte auch erwähnt werden, daß in jenen Jahren viel seiner Zeit literarischen und philosophischen Studien gewidmet war, wobei im Literarischen die Welt des klassischen Altertums nach Sprache und Gegenstand den Vorzug hatte.

Schließlich sah Hertz ein, daß er sich zwischen der Ingenieurlaufbahn und dem vollen Studium der Mathematik und Physik entscheiden mußte. Er traf seine Wahl zugunsten der zweiten Alternative. Die Entscheidung fiel ihm durchaus nicht leicht, einerseits insofern als ihm ein berufliches „Umsatteln“ immer eine Art von Scheitern zu sein schien, die dem Ideal der Geradlinigkeit des Lebenslaufes entgegensteht, andererseits aber war er sich auch klar über die außerordentlich viel schwerere Aufgabe, die ihn als Wissenschaftler erwartete. Ein durchschnittlicher Ingenieur, das mag wohl angehen, aber ein durchschnittlicher Wissenschaftler, das schien ihm ganz unannehmbar. Schließlich trägt er seinem Vater den Wunsch der Wegeänderung vor und als dieser aus der Kenntnis der Begabung seines Sohnes seine Zustimmung erteilt, widmet er sich ab Herbst 1877 wie nach einer Erlösung mit vollem Herzen und ganzer Kraft den Studien der Mathematik und Physik an der Universität München.

Wiederum las Hertz sehr viel. Ganz wesentlich scheint das Studium ein Selbststudium gewesen zu sein. Er führte ein vergleichsweise zurückgezogenes Leben, weitgehend sich selbst die Leitlinien setzend. Unter anderem las er auch die Werke von Newton und Leibnitz. Er ging also bis an die Quellen des modernen Wissens. Heute kann das kaum noch ein Student der Mathematik und Physik tun. Damals lagen eben die Wissenschaften noch um 100 Jahre näher an diesen Quellen. Sein Lernen war auch vielmehr als heute mit der Tatsache verknüpft, daß Mathematik und Physik Töchter der Philosophie sind, ein Umstand, der später besonders bei seinen Arbeiten zur theoretischen Mechanik fruchtbar werden sollte.

Die beiden berühmten Forscher Hermann von Helmholtz und Gustav Robert Kirchhoff, die beide in Berlin tätig waren, zogen ihn an, und so finden wir Hertz ab Oktober 1878 an der Universität Berlin.

Schon als Student begann er mit der Forschungsarbeit im physikalischen Laboratorium der Universität, und Helmholtz erkannte sehr schnell die ganz außergewöhnliche Begabung des jungen Mannes. Gerade damals hatte Helmholtz eine physikalische Preisarbeit für die Studierenden vorzuschlagen. Er wählte ein Thema aus der Elektrodynamik, nämlich die Bestimmung des Trägheitsanteils der Elektrizität an den unter geeigneten Bedingungen auftretenden Induktionsströmen. Hertz widmete sich in der Tat, wie von Helmholtz erwartet, dieser Aufgabe. Mehr als das, er war voll erfolgreich und erhielt 1879 den Preis der Universität, seine erste Auszeichnung.

Wenig später schon war Hertz mit den Auswirkungen einer bedeutenden wissenschaftlichen Kontroverse jener Zeiten befaßt. Die Umstände sind mit der Person seines Lehrers Helmholtz verknüpft, welcher in jungen Jahren wesentlich zur Formulierung des Energieprinzips beigetragen hatte (1847). In diesem Zusammenhang interessierten ihn besonders die Gesetzmäßigkeiten der Elektrodynamik. Nun glaubte e in der damals allgemein anerkannten und insbesondere von dem Göttinger Professor W.E. Weber erarbeiteten Darstellung der Elektrodynamik einen Widerspruch zum Energieprinzip festgestellt zu haben, Die Grundgleichung der Weberschen Elektrodynamik kann als eine Erweiterung des Newtonschen Gesetzes aufgefaßt werden. Zu den anziehenden oder abstoßenden Kräften zwischen Punktladungen kommen Kräfte zwischen elektrischen Stromelementen, wenn Wechselwirkungen zwischen Strömen und Induktionseffekte betrachtet werden. Alle diese Kräfte sollen momentan in die Ferne wirken (Fernwirkungstheorie).

Etwa gleichzeitig hatte in England Faraday in einem qualitativen Bilde die Feldtheorie aufgestellt, der dann von MaxweIl ein mathematisches Gewand gegeben wurde. Hiernach war die Polarisation des Äthers, d.h. des leeren oder mit isolierender Materie gefüllten Raumes, das Hauptmerkmal der elektrischen Phänomene. Die Ladungen und Ströme lieferten nur gewissermaßen die Randbedingungen. Auf Grund der oben angedeuteten Kritik Helmholtz‘ an der vornehmlich von Weber formulierten Fernwirkungstheorie war dieser besonders interessiert an der aus England kommenden Konkurrenztheorie, die den Namen Nahwirkungstheorie trägt, da die physikalischen Vorgänge wesentlich durch die den lokalen, Orts- und zeitabhängigen Zustand des Raumes charakterisierenden Differentialgleichungen bestimmt sind. Bei geschlossenen Leiterströmen waren die Ergebnisse beider Theorien äquivalent. Jedoch bei offenen elektrischen Strömen forderte die Nahwirkungstheorie auch ein Magnetfeld im offenen Teil, also im Dielektrikum, welches mit der zeitlichen Änderung der elektrischen Feldstärke in Abwesenheit elektrischer Ladungen verbunden ist, während die Fernwirkungstheorie ein Magnetfeld nur mit dem „substantiellen“ elektrischen Strom verbinden konnte.

Der experimentelle Beweis für die Richtigkeit der Maxwellschen Theorie war der Gegenstand einer weiteren Preisaufgabe, nunmehr der Berliner Akademie, die von Helmholtz vorgeschlagen worden war. Hertz konnte sogleich rechnerisch abschätzen, daß mit den derzeitigen Mitteln der gewünschte experimentelle Beweis noch nicht zu führen war, weil die erzielbaren zeitlichen Änderungen des elektrischen Feldes nicht ausreichten, die damals bekannten Schwingungsfrequenzen elektrischer Oszillatoren waren noch zu niedrig. Aber er trug das Problem mit sich herum in steter Aufmerksamkeit, ob nicht doch irgendwo hinreichend hochfrequente elektrische Schwingungen auftreten würden.

Zum März 1880 promovierte Hertz zum Doktor der Philosophie in Berlin mit einer theoretischen Arbeit über die „Induktion von rotierenden Kugeln“. Bald darauf wurde er bei Helmholtz Assistent im Berliner Institut, wo er eine Anzahl kleinerer theoretischer und experimenteller Untersuchungen ausführte, 1883 habilitierte er sich an der Universität Kiel mit einer Arbeit „Über die Glimmentladung“. In Kiel war er Dozent für mathematische Physik, bis er Ende 1884 einen Ruf auf den Lehrstuhl für Physik an der Technischen Hochschule Karlsruhe erhielt, den er annahm.

Ab Ende März 1885 war Hertz nun in Karlsruhe tätig. Zunächst galt es, sich in die große Experimentalvorlesung mit ihren vielen Versuchen - die durchaus mißlingen konnten - einzuarbeiten. Und er hatte seine große Not, mit dieser neuen Verpflichtung fertig zu werden, wie wir aus seinen Briefen lernen.

Am 31. Juli 1886 heiratete Hertz Elisabeth Doll, die Tochter eines Kollegen an der Technischen Hochschule, des Geodäten. Mit der Zeit wich auch der Zwang, alle Kraft der Hauptvorlesung widmen zu müssen, die Gedanken konnten nach einem neuen Forschungsziel Ausschau halten. Dieses stellte sich schon im Oktober desselben Jahres ganz unversehens beim Ausprobieren von Versuchen mit Spulen für seine Vorlesung ein. Hierbei beobachtete er beim Entladen einer Leydener Flasche - d.h. eine spezielle Form eines Kondensators - über eine Funkenstrecke durch eine große Spule, daß an anderen Spulen gleichfalls Funken auftraten, die zwar schwächer als der Primärfunke waren, die aber durch das gewöhnliche Induktionsgesetz nicht zu erklären waren. Hertz identifizierte diese Funken sofort als ein Anzeichen dafür, daß bei seinen Experimenten sehr hochfrequente elektrische Schwingungen erzeugt worden waren. Damit war die weitere Forschungsrichtung festgelegt. Es galt, diese hochfrequenten Schwingungen weiter eingehend zu studieren.

Diese Arbeit hatte zwei Aspekte: erstens waren bisher nur Schwingungskreise mit lokalisierter Kapazität und Selbstinduktion bekannt. Nunmehr konnte man auch elektrische Schwingungen an mehr oder weniger beliebigen offenen Leiterformen erzeugen. Der Primärfunke war ein Schalter der die Schwingungen in Gang brachte. Die Frequenz lag wesentlich höher als bisher bekannt, sie war etwa bei 80 MHz. Der andere Aspekt war der, daß Hertz natürlich sofort den Bezug zur noch unerledigten Preisaufgabe der Berliner Akademie erkannte. Nun hatte er ja Schwingungen, die hinreichend rasche Änderungen des elektrischen Feldes mit sich brachten. Der Versuch, die Maxwellsche Nahwirkungstheorie zu bestätigen, konnte jetzt wirklich in Angriff genommen werden. Hier ist nun noch ein kleiner Nachtrag über diese Theorie erforderlich.

Gemäß den bisherigen Vorstellungen waren Magnetfelder nur denkbar in der Umgebung permanenter Magnetstäbe und fließender Ströme. Nach Maxwells erster Gleichung sollte nun aber auch jedes sich ändernde elektrische Feld in seinem Raum ein Magnetfeld erzeugen. Das Magnetfeld eines wachsenden elektrischen Feldes mußte nach der zweiten Maxwellschen Gleichung von einem elektrischen Feld begleitet sein und so fort. Das kombinierte elektrische und magnetische Feld würde sich mit einer endlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit in den Raum ausdehnen. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist nach den Maxwellschen Gleichungen die Lichtgeschwindigkeit.

Kehren wir zurück zu Heinrich Hertz, der 1887 seine Untersuchungen über sehr schnelle elektrische Schwingungen abgeschlossen hatte und dabei bereits die Bedeutung der räumlichen Anordnung, die das primäre und das zum Nachweis dienende sekundäre Schwingungssystem zueinander annahmen, erkannt hatte. Der Oktober 1887 brachte die Lösung der Preisaufgabe der Berliner Akademie über „Induktionserscheinungen, hervorgerufen durch elektrische Erscheinungen in Isolatoren“, und im Dezember begangen die Versuche zur Ausbreitung der elektrischen Wirkungen im Raume, so daß bereits ein Jahr später, im Dezember 1888 der Beweis, daß elektromagnetische Wellen sich mit gleicher Geschwindigkeit wie die Lichtwellen durch den Raum ausbreiten, vorlag. Hertz brauchte vergleichsweise große Weglängen für diese Experimente, er machte sie im damaligen Physik-Hörsaal der Technischen Hochschule. Der Hörsaal wird auch heute noch täglich benutzt, wenn auch nicht für das Fach Physik.

Diese Untersuchungen wurden gekrönt durch die experimentelle Feststellung, daß elektrische Wellen sich durch geeignet geformte Hohlspiegel genauso behandeln lassen wie Lichtwellen mit den typischen Eigenschaften der Reflexion, Brechung und Polarisation. Damit war Maxwells Hypothese unmittelbar bestätigt. Maxwell hatte diese Wellen theoretisch deduziert aus konsequent entwickelten mathematischen Ansätzen. Hertz hatte die Hypothese verifiziert, indem er die Wellen wirklich experimentell darstellte.

Diese letzten gut zwei Jahre in Karlsruhe waren eine außerordentlich glückliche und fruchtbare Zeit für Heinrich Hertz. Seine Versuche waren oftmals vom sofortigen Erfolg gekrönt, anderen Experimenten stellte sich ein hartnäckigerer Widerstand entgegen; dieses gehört zum Wesen der Wissenschaft. Zu dem Glück und Erfolg der Arbeit in jenen Jahren kam sicher auch das Glück der jungen Ehe. Wie sehr Hertz‘ Erfolg auch nach außen drang, zeigte sich daran, daß er bereits im Dezember 1888 neben anderen einen Ruf nach Bonn als Nachfolger des berühmten Physikers und Thermodynamikers Clausius erhielt, den er annahm.

Bevor wir Hertz auf seinem Weg nach Bonn begleiten, werfen wir noch einen Blick auf eine andere Entdeckung, die er in Karlsruhe machte. Er stellte nämlich bei seinen Versuchen fest, daß der elektrische Funkendurchbruch durch ultraviolettes Licht gefördert wird. Damit hatte er erstmals den photoelektrischen Effekt beobachtet, der heute eine große technische Bedeutung hat und für dessen theoretische Deutung Einstein später den Nobelpreis bekommen sollte.

Über sein fundamentales Ergebnis, daß das Licht gewissermaßen eine Klasse der elektrischen Erscheinungen darstellt, hat Hertz im Herbst 1889 einen sehr schönen Vortrag auf der 62. Naturforschertagung in Heidelberg gehalten. Erfahren wir im Abiturzeugnis, daß der Vortrag des Schülers Hertz zu trocken sei, so bereitet die Lektüre dieses Vertrags, der überliefert ist, durch seine Anschaulichkeit und Tiefe großes Vergnügen. Nach vielen Belastungen des Aufbaus in Bonn war dieses die erste wissenschaftliche Aktivität, und aus seinen Aufzeichnungen erfahren wir zu unserer Überraschung, daß ihm diese wunderschönen Ausführungen offenbar fürchterliche Mühe gemacht haben.

Noch zwei bedeutende theoretische Arbeiten zur Elektrodynamik hat Hertz in Bonn gemacht. In der ersten vereinfachte er die theoretischen Arbeiten Maxwells, so daß sich dieselben nun praktisch erst für die physikalische Allgemeinheit eröffneten. Er hat die Maxwellschen Gleichungen im wesentlichen in die Form gebracht, wie sie heute von den Physikern genutzt werden. Die zweite Arbeit behandelte die Elektrodynamik bewegter Körper. Wie leicht zu vermuten ist, wird hier ein Schritt in Richtung der Problematik der Relativitätstheorie getan. Die Ergebnisse Hertz‘ konnten allerdings jene späteren Entwicklungen zu Beginn dieses Jahrhunderts nicht überdauern.

Seine letzten experimentellen Arbeiten, die er in Bonn ausführte, setzten wieder einen Anfang für eine spätere breite Entwicklung. Hertz entdeckte, daß Kathodenstrahlen dünne Metallschichten durchsetzten. Der Gedankenrichtung, die zu dem heute allgemein anerkannten Teilchenbild des Elektrons führte, hätte er sich nicht ohne weiteres anschließen können, da gerade die Nahwirkungstheorie das Punktladungsmodell entwertet. Zu einer Auseinandersetzung der Denkansätze ist es aber nicht mehr gekommen.

Die drei Jahre vor seinem tragischen frühen Todes (1.1. 1894) widmete Hertz einer ganz anderen Frage. Heute ist es fast selbstverständlich, daß ein Forscher, der eine weittragende experimentelle Entdeckung gemacht hat, diese mit allen Kräften selbst „ausbeutet“. Dieses tat Hertz nicht. Ihm ging es vielmehr darum, Klarheit über grundsätzliche physikalische Zusammenhänge zu erhalten. Die klassische Mechanik hatte ihn wegen gewisser Schwierigkeiten, die mit dem Kraftbegriff verbunden sind, stets unbefriedigt gelassen. Diesen Tatbestand wollte er nun in Ordnung bringen. Er fertigte die Schrift: „Die Prinzipien der Mechanik in neuem Zusammenhang dargestellt“ an, die den dritten Band seiner gesammelten Werke bildet. Die Arbeit an diesem Werk ist bereits überschattet von dem Leiden an einer Entzündung der Ohren- und Rachengegend, der er später erliegen sollte. Es wird in den „Prinzipien“ ein in sich logisch konsistentes Gebäude der Mechanik entwickelt, welches sich nur auf die Begriffe Raum, Zeit und Masse stützt. Die Kraft kommt als fundamentaler Ausgangsbegriff nicht mehr vor. Die Darlegungen sind sicher früher mehr als heute - für viele bedeutende Forscher von großem Interesse wegen der darin enthaltenen erkenntnistheoretischen Aussagen gewesen. Abermals sei die Verknüpfung mit Quantenmechanik und Relativitätstheorie genannt. Wir fragen zum Abschluß: Was ist die Bedeutung des Werkes von Heinrich Hertz? Hier steht zweifellos die Entdeckung an der Spitze, daß in elektrischen Leitern, die sich in großer Entfernung von einem erregenden Leiter befinden, hochfrequente elektrische Schwingungen dann auftreten, wenn man Schwingungen der gleichen Frequenz in diesem primären Leiter erzeugt. Die Ausbreitung der Schwingungen erfolgt mit Lichtgeschwindigkeit. Sie läßt sich in gleicher Weise wie die des Lichtes räumlich beeinflussen, wenn die dazu benutzten Vorrichtungen groß verglichen mit der sich aus Frequenz und Geschwindigkeit ergebenden Wellenlänge ist. Dieser grundsätzliche konstruktive Sachverhalt ist durch die Hände von Heinrich Hertz wahrscheinlich unverlierbar in den Besitz der Menschheit übergegangen. Das Problem, welches den Ausgangspunkt der Entdeckung bildete, die Alternative Fernwirkungs- oder Nahwirkungstheorie, wurde von Hertz zugunsten der letzteren gelöst.

Die Feldgleichungen lieferten dann einen der Ausgangspunkte für die Quantentheorie durch die Arbeiten Plancks, und sie sind eng verknüpft mit der Relativitätstheorie Einsteins.

Eine weitere Bedeutung von Heinrich Hertz, die wie ich meine, für uns verpflichtend und mahnend sein sollte, ist die Tatsache, daß er zu den wenigen sehr erfolgreichen Naturwissenschaftlern gehört, die ihr Objekt aus einer vertieften philosophischen Sicht erfassen und somit der Gefahr entgehen, allzusehr im rein Technischen verhaftet zu bleiben.
Sein bescheidenes und liebenswürdiges Wesen wurde stets gelobt.

Prof. Dr. Gerhard Hertz

Auszug aus der Festrede 1988 von Prof. Dr. Gerhard Hertz in der Heinrich-Hertz-Schule Karlsruhe zum Gedenktag (100. Wiederkehr) des Nachweises elektro-magnetischer Schwingungen durch Heinrich Hertz im Jahr 1888.