Heinrich Hertz weist elektromagnetische Wellen nach: die Geburt der Funktechnik

1887 führte ein deutscher Physiker in seinem Labor eine Reihe von Experimenten durch, welche die menschliche Kommunikation von Grund auf verändern sollten. Heinrich Hertz war der Erste, dem es gelang, elektromagnetische Wellen gezielt zu erzeugen und nachzuweisen. Damit bestätigte er, dass die theoretischen Vorhersagen von James Clerk Maxwell zutrafen. Zweiundzwanzig Jahre nachdem Maxwell die Existenz elektromagnetischer Wellen, die sich durch den Raum ausbreiten, mathematisch vorhergesagt hatte, machte Hertz sie real, beobachtbar und messbar.

Besonders bewegend an Hertz’ Geschichte ist, dass er seine Arbeit als rein wissenschaftlich betrachtete, ohne jede praktische Anwendung. Auf die Frage nach dem Nutzen seiner Entdeckungen soll Hertz geantwortet haben: „Das nützt überhaupt nichts. Das ist nur ein Experiment, das beweist, dass der Meister Maxwell recht hatte.“ Er hätte sich über die praktischen Folgen kaum stärker täuschen können. Innerhalb eines Jahrzehnts bauten Erfinder wie Nikola Tesla und Guglielmo Marconi auf Hertz’ Experimenten auf, um die drahtlose Telegrafie zu entwickeln, den Vorläufer des modernen Rundfunks, des Fernsehens und aller drahtlosen Kommunikation.

Hertz’ Experimente sind ein perfektes Beispiel dafür, wie reine Grundlagenforschung, allein zur Überprüfung theoretischer Vorhersagen betrieben, ganz nebenbei Technologien freisetzen kann, welche die Zivilisation verändern. Wer seine geniale Versuchsanordnung und deren Ergebnisse versteht, erkennt den Ursprung unserer drahtlosen Welt.

Der junge Physiker und Maxwells Herausforderung

Heinrich Rudolf Hertz wurde 1857 in Hamburg in eine wohlhabende und kultivierte Familie geboren. Er war in Naturwissenschaften wie in Sprachen gleichermaßen glänzend begabt und entschied sich schließlich für die Physik, die er bei Hermann von Helmholtz in Berlin studierte. Mit Mitte zwanzig war Hertz bereits Professor am Polytechnikum Karlsruhe, wo er seine bahnbrechenden Experimente durchführen sollte.

In den 1880er-Jahren war Maxwells elektromagnetische Theorie noch umstritten. Sie war zwar mathematisch elegant, machte aber Vorhersagen, die fast mystisch anmuteten: unsichtbare Wellen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit durch den leeren Raum ausbreiten. Viele Physiker blieben skeptisch. Die Theorie brauchte einen experimentellen Nachweis, insbesondere für ihre dramatischste Vorhersage: dass beschleunigte elektrische Ladungen elektromagnetische Wellen durch das Vakuum abstrahlen könnten.

Frühere Versuche, diese Wellen aufzuspüren, waren gescheitert, unter anderem weil die Experimentatoren nicht wussten, nach welchen Frequenzen sie suchen mussten oder wie sich diese wirkungsvoll erzeugen ließen. Hertz ging das Problem mit der ihm eigenen deutschen Gründlichkeit an. Wenn es elektromagnetische Wellen gebe, so folgerte er, dann müsse es eine Möglichkeit geben, elektrische Schwingungen zu erzeugen, die schnell genug seien, um sie abzustrahlen, und einen Detektor, der empfindlich genug sei, um sie aufzufangen.

Der Funkenstreckensender: Hertz’ geniale Versuchsanordnung

Hertz’ Versuchsaufbau war bemerkenswert einfach und dennoch von tiefgreifender Wirkung. Sein Sender bestand aus:

• einer Induktionsspule, um Hochspannungspulse zu erzeugen
• zwei Metallkugeln, die durch einen kleinen Luftspalt getrennt waren
• zwei geraden Metallstäben, die sich von den Kugeln aus in entgegengesetzte Richtungen erstreckten

Sobald die Induktionsspule einen Hochspannungspuls erzeugte, sprang ein Funke über den Spalt zwischen den Kugeln. Dieser Funke stand für eine schnelle Schwingung elektrischer Ladung, die millionenfach pro Sekunde hin und her beschleunigt wurde. Nach Maxwells Theorie sollten diese schwingenden Ladungen elektromagnetische Wellen abstrahlen.

Als Detektor baute Hertz eine noch einfachere Vorrichtung: eine Drahtschleife mit einem kleinen Spalt. Falls tatsächlich elektromagnetische Wellen vom Sender ausgingen, sollten sie in dieser Schleife schwingende Ströme induzieren. Waren diese induzierten Ströme stark genug, so würden sie winzige Funken über den Spalt des Detektors erzeugen.

In einem abgedunkelten Labor löste Hertz 1887 seinen Funkenstreckensender aus und beobachtete seine Detektorschleife auf der anderen Seite des Raumes. Im Spalt des Detektors sah er winzige Funken aufleuchten. Elektromagnetische Wellen wanderten durch die Luft vom Sender zum Empfänger, genau so, wie Maxwell es vorhergesagt hatte.

Die Schönheit von Hertz’ Experiment lag in seiner Unmittelbarkeit. Anders als viele physikalische Experimente, die eine komplexe Deutung erfordern, war dieses geradezu greifbar: Funken hier lösten Funken dort aus, und dazwischen lag nichts als leerer Raum. Unsichtbare elektromagnetische Wellen trugen Energie durch den Raum.

Das Unsichtbare vermessen

Hertz begnügte sich nicht damit, die Wellen bloß nachzuweisen; er charakterisierte sie wissenschaftlich. Er bestimmte ihre Wellenlänge, indem er stehende Wellenmuster erzeugte und den Abstand zwischen den Knoten maß. Er wies die Reflexion nach, indem er die Wellen an Metallplatten zurückwarf. Er zeigte die Brechung, indem er die Wellen durch Prismen aus Pech schickte und belegte, dass sie sich wie Lichtwellen ablenken ließen. Er führte sogar die Polarisation vor und wies nach, dass die elektromagnetischen Wellen eine bestimmte Ausrichtung im Raum besaßen.

All diese Eigenschaften stimmten vollkommen mit Maxwells theoretischen Vorhersagen überein. Die von Hertz erzeugten Wellen hatten Wellenlängen von mehreren Metern und entsprachen damit dem, was wir heute den Radiofrequenzbereich des elektromagnetischen Spektrums nennen. Sie verhielten sich genau wie Lichtwellen, nur mit sehr viel größeren Wellenlängen. Das lieferte einen starken Beleg dafür, dass das Licht selbst eine elektromagnetische Welle ist, genau wie Maxwell es angenommen hatte.

Hertz veröffentlichte seine Ergebnisse 1888 in einer Arbeit mit dem Titel „Über elektromagnetische Wellen in der Luft und deren Reflexion“. Die Fachwelt erkannte die Bedeutung sofort. Maxwells Theorie war auf eindrucksvolle Weise bestätigt worden, und ein neues Forschungsgebiet war entstanden.

Von der wissenschaftlichen Kuriosität zur drahtlosen Revolution

Während Hertz seine Arbeit als reine Physik ansah, erkannten andere sofort ihr Potenzial. Innerhalb weniger Jahre lieferten sich Erfinder einen Wettlauf, um auf der Grundlage von Hertz’ Vorführungen praktische drahtlose Kommunikationssysteme zu entwickeln.

Nikola Tesla gehörte zu den Ersten, welche die Tragweite begriffen. In den frühen 1890er-Jahren führte Tesla umfangreiche Experimente mit hochfrequenten Wechselströmen und elektromagnetischen Wellen durch. Er entwickelte verbesserte Sender und Empfänger, führte die drahtlose Energieübertragung über kurze Distanzen vor und meldete zahlreiche Patente für drahtlose Systeme an. Teslas Ansatz unterschied sich in wichtigen Punkten von dem Hertz’: Wo Hertz gedämpfte Schwingungen aus Funkenstrecken nutzte, entwickelte Tesla Dauerstrichoszillatoren, die wirkungsvoller und besser steuerbar waren.

Teslas berühmter Teslatransformator, 1891 erfunden, war unter anderem dazu gedacht, hochfrequente elektromagnetische Schwingungen für drahtlose Experimente zu erzeugen. Das Gerät lieferte kontinuierliche elektromagnetische Wellen mit Frequenzen von Tausenden bis Millionen Schwingungen pro Sekunde. Tesla führte das drahtlose Zünden von Leuchtstoffröhren und die Übertragung elektrischer Energie durch die Luft vor, alles aufbauend auf den Prinzipien elektromagnetischer Wellen, die Hertz bewiesen hatte.

Der Wettlauf um eine praktikable drahtlose Telegrafie verschärfte sich in den 1890er-Jahren. Guglielmo Marconi, der Erkenntnisse aus Hertz’ Experimenten mit verschiedenen Verbesserungen wie besseren Antennen und Erdungssystemen verband, gelang 1901 die erste transatlantische Funkverbindung. Dieser Durchbruch verdankte alles Hertz’ Nachweis, dass sich elektromagnetische Wellen durch den Raum ausbreiten können.

Interessanterweise erkannte ein Urteil des Obersten Gerichtshofs der USA von 1943 an, dass Teslas Patente in mehreren zentralen drahtlosen Technologien älter waren als die Marconis, was Teslas grundlegende Beiträge zum Rundfunk unterstreicht. Beide Erfinder bauten jedoch auf der Physik der elektromagnetischen Wellen auf, die Hertz begründet hatte.

Hertz’ Vermächtnis in der modernen Funktechnik

Die Einheit der Frequenz, das Hertz (Hz), ehrt Heinrich Hertz’ Entdeckung. Jedes Mal, wenn wir von Radiofrequenzen, WLAN-Kanälen oder Prozessortakten in Megahertz oder Gigahertz sprechen, würdigen wir seinen Beitrag. Das Spektrum, das er erforschte, ist vielleicht zur wirtschaftlich wertvollsten Ressource der modernen Telekommunikation geworden.

Moderne drahtlose Technologien wären ohne Hertz’ experimentelle Bestätigung der elektromagnetischen Wellen undenkbar:

• Rundfunk und Fernsehen nutzen elektromagnetische Wellen im Kilohertz- bis Megahertzbereich
• Mobiltelefone arbeiten bei Gigahertzfrequenzen und übertragen Sprache und Daten mittels elektromagnetischer Wellen
• WLAN und Bluetooth bilden drahtlose Netzwerke mit sorgfältig gestalteten Mustern elektromagnetischer Wellen
• Radar lässt elektromagnetische Wellen an Objekten abprallen, um deren Position und Geschwindigkeit zu bestimmen
• Satellitenkommunikation leitet elektromagnetische Signale über gewaltige Entfernungen weiter
• Mikrowellenherde erhitzen Speisen mithilfe elektromagnetischer Wellen

Jede dieser Technologien beruht auf der grundlegenden Physik, die Hertz vorführte: beschleunigte Ladungen erzeugen elektromagnetische Wellen, die sich durch den Raum ausbreiten und aus der Ferne nachgewiesen werden können. Die Frequenzen und Anwendungen haben sich enorm erweitert, doch das Grundprinzip ist genau so geblieben, wie Hertz es bewiesen hat.

Tragischerweise starb Hertz jung, 1894, im Alter von 36 Jahren an einer chronischen Krankheit. Er lebte gerade lange genug, um die ersten Anwendungen seiner Entdeckungen zu erleben, erlebte die drahtlose Revolution, die folgen sollte, jedoch nicht mehr. Sein Lehrer Helmholtz würdigte ihn als einen, der „die Fackel der Erkenntnis von Faraday und Maxwell empfangen und sie an uns weitergegeben hat, mit einem Ruhm, der immer heller strahlt“.

Ein Blick auf die Pioniere der drahtlosen Technik

Zu verstehen, wie Hertz’ Experimente die praktische drahtlose Technik ermöglichten, vertieft unsere Wertschätzung für Teslas ingenieurtechnische Leistungen. Das Nikola Tesla Patents Book (englische Ausgabe) dokumentiert Teslas umfangreiche Arbeit an drahtlosen Übertragungssystemen, an der Radiotechnik und an hochfrequenten elektrischen Geräten. Viele dieser Patente bauen unmittelbar auf den Prinzipien elektromagnetischer Wellen auf, die Hertz begründet hatte, und zeigen, wie Tesla wissenschaftliche Entdeckung in funktionierende Technik verwandelte.

Das Tesla Coil Poster stellt eine von Teslas berühmtesten Erfindungen vor, ein Gerät, das hochfrequente elektromagnetische Schwingungen jener Art erzeugt, die Hertz zuerst untersuchte. Tesla verfeinerte das Konzept zu einem praktischen Werkzeug für drahtlose Experimente und Hochspannungsvorführungen und zeigte damit, wie ingenieurtechnische Weitsicht wissenschaftliche Entdeckungen fortführen kann.

Der Weg von Faradays Entdeckung der elektromagnetischen Induktion über Maxwells theoretische Zusammenführung und Hertz’ experimentellen Beweis bis hin zu Teslas praktischen Anwendungen zählt zu den großen Erfolgsgeschichten in der Geschichte von Wissenschaft und Technik. Jeder Schritt baute auf dem vorigen auf und verwandelte abstrakte Mathematik in die drahtlose Welt, in der wir heute leben.

Die Wissenschaft, die nicht theoretisch bleiben konnte

Heinrich Hertz’ Experimente von 1887 bestätigten Maxwells theoretische Vorhersagen auf brillante Weise und bewiesen, dass elektromagnetische Wellen real und messbar waren und sich genau so verhielten, wie es die Mathematik nahelegte. Seine Arbeit verwandelte die elektromagnetische Theorie von mathematischer Spekulation in gesicherte Physik und öffnete die Tür zu Technologien, die er sich nie ausgemalt hatte.

Die Ironie, dass Hertz seine Entdeckungen als nutzlos abtat, führt uns vor Augen, wie schwer es sein kann, die Anwendungen der Grundlagenforschung vorauszusehen. Nur eine Generation nach seinen Experimenten war die drahtlose Telegrafie kommerziell einsetzbar. Binnen eines Jahrhunderts trugen elektromagnetische Wellen die Stimmen, Bilder und Daten der Menschheit rund um den Globus und hinaus ins All.

Wenn wir heute Videos über WLAN streamen, mit GPS navigieren und über Mobiltelefone kommunizieren, nutzen wir Technologien, die unmittelbar von jenen Funken abstammen, die Hertz in seinem abgedunkelten Labor beobachtete. Seine Experimente bewiesen, dass unsichtbare Wellen Informationen durch den leeren Raum tragen können, eine Erkenntnis, die unsere Welt auf eine Weise verbunden hat, die der zurückhaltende deutsche Physiker niemals hätte ahnen können. Die Wissenschaft hat so ihre Art, nützlicher zu sein, als Wissenschaftler es sich zuweilen vorstellen.