Weißt Du, was die Maxwell-Gleichungen sind?

Ein Mensch besteht aus vielen Atomen, die eine große Einheit bilden.

Heute ist wieder einer dieser wunderbaren Tage, an denen wir in die mir nur vage bekannte Welt der Physik abtauchen. Eine Welt, die mit Prinzipien der elektromagnetischen Wechselwirkung im wahrsten Sinne des Wortes unsere Welt zusammenhält.

Der Autor

Luciano Rezzolla: Die unwiderstehliche Anziehung der Schwerkraft. Eine Entdeckungsreise zu den Schwarzen Löchern. S. 18.

verrät uns in seinem Buch, dass die Maxwell-Gleichungen aus der klassischen Physik stammen und die elektromagnetischen Wechselwirkungen erklären. Ohne diese Wechselwirkungen würden Menschen laut Luciano nicht existieren, weil die Grundbausteine, aus denen wir bestehen „sich wie Papierfetzen im Wind zerstreuen“ würden. Die Frage, wer dieser Maxwell war und wie die Maxwell-Gleichungen lauten, beantwortet Luciano an dieser Stelle seines Buches nicht. Es ist also wie so oft an der Zeit, auf der Suche nach Antworten in die Tiefen des Internets abzutauchen.

Wer war dieser Maxwell?

Mathe und Physik gehören einfach zusammen.

James Clerk Maxwell war Naturwissenschaftler und wurde 1831 in Schottland, genauer gesagt in Edinburgh, geboren und verstarb im Alter von nur 48 Jahren in Cambridge. Als Naturwissenschaftler war er der Erste, der eine Brücke zwischen der Mathematik und der Physik schlug. Dank der Verbindung dieser beiden Welten konnte er physikalische Phänomene erklären und voraussagen, die bis dahin nicht erklärt werden konnten.

Im Alter von gerade einmal 29 Jahren wurde Maxwell Professor am King’s College in London und 11 Jahre später Professor der Physik in Cambridge. Maxwell beschäftigte sich im Rahmen seiner Forschungen mit einer beeindruckenden Themenbreite. So erklärte er mit Hilfe der Mathematik 1856 nicht nur, dass die Ringe des Saturns aus vielen kleinen Festkörpern bestehen, sondern war 1861 auch der erste Mensch, der eine Farbfotografie erschuf.

Wie lauten die Maxwell-Gleichungen?

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Um diese Frage im Detail zu beantworten, braucht dieses YouTube Video über 30 Minuten. Schau es Dir an, wenn Du tiefer in die Materie eintauchen möchtest. Eigentlich wollte ich mir zu diesem Thema ein viel kürzeres YouTube Video anschauen, doch das machte keinen Sinn, weil ich aufgrund meines mangelnden Vorwissens bereits nach 2 Minuten vollständig den Faden verloren hatte.

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Ich fasse hier nun daher schnell zusammen, was ich beim Schauen des langen Videos für mich mitgenommen habe. Diese Aussagen können Fehler enthalten, weil ich den gesamten mathematischen Erklärungsansatz des Videos nicht einmal im Ansatz verstanden habe. Solltest Du in der folgenden Liste also Fehler entdecken, freue ich mich über Deinen Hinweis, um diese zu korrigieren.

Die vier Maxwell-Gleichungen

• erklären, wie elektromagnetische Wellen funktionieren,
• erklären, wie magnetische Felder funktionieren,
• erklären, wie elektrische Felder funktionieren,
• besagen, dass Ladungen elektrische Felder erzeugen,
• erklären, wie Licht (das eine elektromagnetische Welle ist) funktioniert,
• können genutzt werden, um die Lichtgeschwindigkeit zu berechnen,
• haben der Welt das Wissen über die Elektrodynamik geschenkt.

Jede der Gleichungen erklärt einen wichtigen Baustein der Elektrodynamik:

• Elektrische Ladungen erzeugen elektrische Felder.
• Es existieren keine magnetischen Ladungen.
• Sich ändernde magnetische Felder erzeugen elektrische Wirbelfelder. Sich ändernde elektrische Felder erzeugen magnetische Wirbelfelder.
• Elektrische Ströme und sich ändernde elektrische Felder erzeugen Magnetfelder.

Ohne diese Gleichungen gäbe es möglicherweise keine Computer.

Das alles klingt jetzt auf den ersten Blick für einen Nicht-Physiker wie mich nicht sehr beeindruckend. Doch der erste Eindruck täuscht. Denn in der Praxis haben Menschen allein aus dem Wissen über die Elektrodynamik Dinge erschaffen, die wohl kaum ein Mensch, der heute lebt, mehr missen möchte. Das Wissen über die Elektrodynamik nutzen wir heute in jedem Computer oder Handy. Denn in diesen sind elektrische Kondensatoren und Spulen verbaut, die die Maxwell-Gleichungen nutzen, ohne die diese Geräte nicht funktionieren würden. Auch die Tatsache, dass wir Windenergie mit Hilfe von elektrischen Generatoren in elektrischen Strom verwandeln können, verdanken wir den Maxwell-Gleichungen.

Fazit

Nach der heutigen Recherche kann ich sehr gut nachvollziehen, warum es Menschen gibt, die ihr Leben der Physik widmen. Mein in der Physik nicht geschultes Hirn steht gerade fassungslos vor der Erkenntnis, dass vier aus wenigen Symbolen und Buchstaben bestehende Gleichungen das Wissen enthalten, das dafür sorgt, dass ich heute Strom und damit einen Computer, ein Smartphone oder auch Internet habe. An dieser Stelle danke ich daher Maxwell und seine Kollegen, dass sie sich die Zeit genommen haben, die Themen zu erforschen und somit einen technischen Fortschritt ermöglicht haben, der das Leben auf dieser Welt revolutioniert hat.

UPDATE 23.04.2022: Wie ein Leben ohne die die Wellen aussehen würde hat mir der Uli von Twitter verraten:

„Gäbe es diese Eigenschaft elektromagnetischer Wellen nicht, könnten wir die Sonne weder sehen noch ihre Wärme spüren. Und das wäre doch schade. (wir würden es nicht schade finden, weil es uns schlicht nicht gäbe. Vielleicht existierten einige Archaebakterien auf Basis Erdwärme.)“