Geschichte Physik

Physikalische Erkenntnisse werden den Hörerinnen und Hörern unserer Universität schon seit ihrer Gründung im Jahr 1409 vermittelt. Zunächst wurden allerdings die Schriften des Aristoteles in lateinischer Sprache „traktiert“ und die Magister darauf vereidigt.

Im Jahr 1557 wurde in Leipzig mit der Einrichtung der mit festem Gehalt verbundenen sogenannten Professuren alter Stiftung auch eine solche für Physik geschaffen. Seither sind mindestens die Namen und die Herkunft der Leipziger Physik-Professoren bekannt. Im 16. und 17. Jahrhundert haben ihre Schriften den Fortschritt der Physik allerdings kaum befördert. Das lassen die in scholastischer Weise abgefassten lateinischen Traktate wie zum Beispiel „De igne fatuo“ (Über das Irrlicht) oder „De quantitatibus occultis“ verständlich erscheinen.

Schon zu Beginn des 18. Jahrhunderts wurden die Physik-Vorlesungen in Leipzig durch Demonstrationsexperimente unterstützt. Die Apparatelisten sind erhalten geblieben. Damit wurde eine bis heute fortwirkende Tradition der Leipziger Physik begründet. Überdies durften mit königlicher Erlaubnis diese Vorlesungen in deutscher Sprache gehalten werden.

Von den Physik-Professoren der Zeit von 1710 bis 1785, in die das Entstehen der Experimentalphysik fällt, soll hier nur Johann Heinrich Winkler hervorgehoben werden. Er war zunächst als Lehrer an der Thomasschule tätig. Als Anhänger von Christian Wolff, einem führenden Vertreter der Aufklärung, erhielt er 1739 eine außerordentliche Philosophie-Professur. In den Jahren 1742 bis 1750 war er ordentlicher Professor für Griechisch und Latein und ab 1750 Professor für Physik.

Bald nach Beginn seiner Tätigkeit an unserer Universität führte Winkler Experimente zur Elektrizitätslehre aus. Mit einer verbesserten Influenzmaschine konnte er Leidener Flaschen auf hohe Spannungen aufladen. Damit führte er eindrucksvolle Schauversuche in Apels Garten an der Pleiße durch, wozu sogar die sächsischen Prinzen aus Dresden anreisten. Auch Goethe gehörte später zu seinen Hörern.

Winkler betätigte sich nicht nur als „Electrisierer“, sondern befasste sich auch mit Spitzenentladungen im Vakuum. Dies kann als Ausgangspunkt für heutige Feldemissionsanwendungen gesehen werden. Er publizierte Schriften wie „On the effects of electricity upon him and his wife“, die ihm die Mitgliedschaft in der Königlich Großbritannischen Societät der Wissenschaften eingebracht haben mögen. Wie Otto von Guericke, der ebenfalls in Leipzig studiert hatte, war Winkler zeitweilig als Bürgermeister tätig.

Die Apparatesammlungen waren zunächst persönlicher Besitz. Da einige Professoren die Mittel nicht aufbringen konnten, sind Anträge an den sächsischen Hof wegen Übernahme der Kaufsumme erhalten. Aus den vorliegenden Inventarverzeichnissen lässt sich manches zum Stand der damaligen Physik entnehmen. Dabei sind neben Kuriositäten zunehmend einfache Instrumente und Demonstrationsversuche zu finden.

Ein Physikalisches Kabinett mit wenigen unzulänglichen Räumlichkeiten wurde 1785 im Paulinum, einem ehemaligen Klostergebäude, durch Umgestaltung einiger Klosterzellen eingerichtet. Die Schwierigkeiten, die sich aus einem mangelnden eigenen Hörsaal mit Sammlungsraum ergaben, wurden schon 1711 dem sächsischen Kurfürsten August dem Starken berichtet. Dieser kaufte übrigens eine Leipziger Vakuumpumpe, die noch heute im Dresdner Zwinger zu besichtigen ist.

Die Eingaben führten zur Bewilligung von Mitteln, auch für einen Mechaniker. Im Jahr 1835 konnte in dem neu errichteten „Augusteum“ ein eigenständiges Physikalisches Institut installiert werden. Otto Wiener schrieb später, dass es „eines der ersten, wenn nicht das erste staatliche physikalische Institut in Deutschland war“.

Gustav Theodor Fechner war der erste Direktor des neuen Instituts. Das optische Dunkelzimmer benutzte er zu physiologisch-optischen Untersuchungen so eindringlich, dass er sich ein Augenleiden zuzog. Folglich musste er bereits 1839 sein Amt niederlegen. Er wurde durch seine Arbeiten zur Elektrochemie und zum Magnetismus, durch das Weber–Fechnersche Gesetz sowie durch die später geschriebene „Atomenlehre“ und die „Elemente der Psychophysik“ bekannt. Seine Untersuchungen zur Verknüpfung von Bewegung und elektromagnetischer Induktion regten später Wilhelm Weber zu grundlegenden Überlegungen an. Diese bildeten bis zum Entstehen der Maxwellschen Feldtheorie die Basis für das Verständnis der elektrischen Erscheinungen.

Wilhelm Weber, einem der „Göttinger Sieben“, wurde 1843 das verwaiste Ordinariat zugesprochen, das er bis 1849 innehatte. Er führte das physikalische Praktikum für Studierende in Leipzig ein und ließ eine „Magnetische Warte“ bauen. Dies war ein völlig eisenfrei errichtetes Labor hinter dem heutigen Hörsaalgebäude unserer Universität für magnetische Messungen. Bekannt wurde seine Arbeit „Elektrodynamische Maßbestimmungen. Über ein allgemeines Grundgesetz der elektrischen Wirkung“, das als Fernwirkungstheorie lange Zeit in Konkurrenz zur Maxwellschen Theorie stand. Erst die Experimente von Heinrich Hertz zum Nachweis der elektromagnetischen Wellen brachten die Entscheidung zugunsten der Faraday–Maxwellschen Nahwirkungs- oder Feldtheorie. Weber wurde auch durch die Zusammenarbeit mit Carl Friedrich Gauß in Göttingen (Telegraph) und die Einführung absoluter Einheiten zur Messung elektrischer Größen (cgs-System) bekannt. Er ist 1891 in Göttingen verstorben.

Unter seinen Nachfolgern ragt Gustav Wiedemann heraus, der seine Leipziger Professur für Physikalische Chemie an Wilhelm Ostwald übergeben hatte. Er schrieb Bücher über Galvanismus und Elektrizitätslehre – wir besprechen in der Festkörperphysik noch heute das „Wiedemann–Franzsche Gesetz“. Große Verdienste hat er sich, teilweise auch mit seinem Sohn Eilhard, um die Herausgabe der „Annalen der Physik“ erworben. Diese älteste heute noch existierende und in Leipzig verlegte physikalische Zeitschrift kann im Jahr 2020 auf ihr 230-jähriges Bestehen zurückblicken.

Später war Paul Drude ihr langjähriger Herausgeber, der 1894 bis 1900 hier eine außerordentliche Professur für Theoretische Physik innehatte. Leider konnte er nicht zum Ordinarius berufen werden. Er arbeitete auch experimentell und schrieb sein bekanntes „Lehrbuch der Optik“ in Leipzig. Grundlegende Bedeutung kommt seiner Arbeit „Zur Elektronentheorie der Metalle“ mit der Konzeption des „Elektronengases“ und der Erklärung des Wiedemann–Franzschen Gesetzes zu. Diese wurde 1900 in den Annalen der Physik publiziert.

Nach Drudes Weggang wurde der letzte überragende Vertreter der klassischen Physik, Ludwig Boltzmann, als erster Ordinarius der Leipziger Theoretischen Physik berufen. Er trug wesentlich zur Begründung der Statistischen Physik bei. Da er sich nur sehr schwer an die norddeutschen Verhältnisse gewöhnen konnte, kehrte er 1902 nach Wien zurück.

Nachdem Wilhelm Hankel einen Neubau durchgesetzt hatte, erwies sich dieses noch heute in der Talstraße 35 existierende Institut bald als zu klein für die rasch wachsende Physik. Der Nachfolger Wiedemanns, Otto Wiener, konnte 1905 nach vierjähriger Bauzeit ein neues Institut einweihen. Dieses war mit seinem Hörsaal für 350 Studierende und 2.000 Quadratmetern Laborfläche wohl das seinerzeit größte physikalische Institut Deutschlands. Das unter dem gleichen Dach eingerichtete Institut für Theoretische Physik hatte nicht nur einen eigenen Hörsaal, sondern auch Laboratorien und eine Werkstatt. Im Jubiläumsjahr 1909 hatten beide Institute zusammen vier Professoren und sechs Assistenten. Otto Wiener war durch seinen früheren photographischen Nachweis stehender Lichtwellen sowie eindrucksvolle Vorlesungen bekannt. Leider hat er einer Bewerbung des jungen Albert Einstein nicht stattgegeben, die sich noch heute im Unversitätsarchiv befindet.

Am Wienerschen Institut erhielt 1926 August Karolus eine Professur, der hier mit der Telefunken-Gesellschaft ein Bildtelegraphie-Verfahren mit Erfolg entwickelte und ein Fernsehsystem mit mechanischer Bildzerlegung (Spiegelrad) erprobte. Die mit der (Karolus-)Kerrzelle bestimmte Lichtgeschwindigkeit kam dem heutigen Wert schon sehr nahe.

Nach den gleichen Bauplänen wie für das 1905 in Leipzig eingeweihte Physikalische Institut wurde in den Jahren 1912 und 1913 an der Universität La Plata in Argentinien ein noch heute genutztes Institut errichtet.

Nach dem Tod Wieners folgte Peter Debye im Jahr 1927 einem Ruf von Zürich nach Leipzig. Er war bereits durch seine Untersuchungen zur spezifischen Wärme und zur Röntgenstrahlenbeugung bekannt. Als Direktor des Physikalischen Institutes setzte er mit einer ausgezeichneten Experimentalvorlesung die Leipziger Tradition fort.

Seiner Persönlichkeit ist es sicher mit zu verdanken, dass Werner Heisenberg den Ruf als Ordinarius 1927 annahm, womit er im Alter von 25 Jahren Direktor des Theoretisch-Physikalischen Instituts wurde.

Schließlich konnte noch Friedrich Hund 1929 für Mathematische Physik berufen werden, nachdem er seine Gastvorlesungen an der Harvard-Universität beendet hatte. Die Leipziger Physik trat mit dieser ausgezeichneten Konstellation in ihre fruchtbarste Phase ein.

Heisenberg hatte kurz vorher mit Born und Jordan die erste Formulierung der neuen Quantenmechanik in Matrizenform geschaffen. In Leipzig trat nun die Anwendung auf die Atom-, Molekül- und Festkörperphysik in den Vordergrund. Peter Debye organisierte mehrere „Leipziger Vortragswochen“ mit Beihilfen des sächsischen Ministeriums, zu denen führende Gelehrte erschienen. Dazu gehörten Paul A. M. Dirac, Nevill F. Mott, Hans Albrecht Bethe, Hendrik A. Kramers, Wauder J. de Haas und Pjotr L. Kapitza.

Die Anwesenheit der drei hervorragenden Physiker zog viele Studierende und ausländische Promovierende nach Leipzig, nach Heisenbergs Vortrags-Weltreise auch aus Amerika und Japan. So wurden über 50 Promovierende promoviert, unter ihnen der spätere Nobelpreisträger Felix Bloch sowie Edward Teller, Rudolf Peierls, Carl Friedrich von Weizsäcker und Foh San Wang. Als Gäste kamen Lew D. Landau, Schinitschiro Tomonaga und Viktor F. Weisskopf nach Leipzig.

Die thematische Breite läßt sich hier nur andeuten: Sie reichte von Heisenbergs Arbeiten zur Quantenfeldtheorie, zum Ferromagnetismus, zu den Kernkräften, der Positronentheorie und der Quantenelektrodynamik bis zu Friedrich Hunds Arbeiten über Moleküle, zur chemischen Bindung und Festkörpertheorie. Noch heute werden die „Blochwellen“ aus Felix Blochs Leipziger Disssertation in jeder Festkörperphysikvorlesung behandelt.

1933 wurde Heisenberg der Nobelpreis verliehen, doch wurde er bald von Nazianhängern in übler Weise angegriffen. Sie beschimpften ihn in der Presse, als „weißer Jude“ einer jüdischen Physik anzuhängen (nicht der „Deutschen Physik“ Philipp Lenards und Johannes Starks) und nur jüdische Assistenten anzustellen. Werner Heisenberg, Friedrich Hund, Peter Debye, Karl Friedrich Bonhoeffer (Physikalische Chemie) und Bartel Leendert van der Waerden (Mathematik) ließen sich jedoch von der ablehnenden Haltung gegenüber dem Nationalsozialismus nicht abbringen.

Im Dezember 1991 wurde eine Konferenz „Werner Heisenberg als Physiker und Philosoph“ anlässlich seines 90. Geburtstages organisiert. Zu dieser sprachen Carl Friedrich von Weizsäcker, Heisenbergs Sohn Wolfgang Heisenberg sowie Physiker und Historiker. Heisenbergs Frau Elisabeth Heisenberg enthüllte eine Heisenberg-Gedenkplakette im Eingangsbereich des Instituts.

Auf Vorschlag Peter Debyes, der 1936 nach Berlin ging und im gleichen Jahr den Chemie-Nobelpreis erhielt, wurde ein Kernphysiker nach Leipzig berufen, um dieser sich rasch entwickelnden Disziplin gerecht zu werden. Die Entdeckung der Kernspaltung führte dazu, dass 1939 auch Arbeiten zur „Uranmaschine“, also einem Kernreaktor, an der Leipziger Universität begonnen wurden. Sie waren streng geheim und wurden von Heisenberg im Anschluss an seine Berichte „Die Möglichkeiten der technischen Energiegewinnung aus der Uranspaltung“ (I: Dezember 1939, II: Februar 1940) in Zusammenarbeit mit dem aus Würzburg berufenen Robert Döpel konzipiert. Dieser führte den experimentellen Aufbau und die Messungen zusammen mit seiner Frau Klara durch.

Im Frühsommer 1942 konnte in Leipzig der allererste experimentelle Nachweis einer erhöhten Neutronenerzeugungsrate in einer reaktorähnlichen Kugelschichtanordnung aus Uran und schwerem Wasser erbracht werden. Dies war vor den berühmten Experimenten Enrico Fermis in Chicago. Doch beendete ein Unfall im Juni 1942 diese Experimente, wobei wie auch anderswo in Deutschland während des Krieges keiner der Reaktoren den energieliefernden kritischen Zustand erreichte.

Bei dem großen anglo-amerikanischen Luftangriff am 4. Dezember 1943 brannte der große Hörsaal sowie die Sammlung und die Direktorwohnung aus. Sprengbomben zerstörten im April 1945 den größten Teil des Wienerschen Institutes. Dabei kamen Klara Döpel und ein Lehrjunge ums Leben. Die – zwar unbegründete – Befürchtung auf aliierter Seite, dass hier an einer Kernwaffe gearbeitet wurde, mag tragischerweise dazu beigetragen haben.

Als im Februar 1946 unsere Universität wieder eröffnet wurde, konnte auch der Lehrbetrieb in Physik trotz der der Kriegsverluste aufgenommen werden. Friedrich Hund, der sich dem Abtransport durch die Amerikaner entzogen hatte, las neben der Theoretischen Physik auch den experimentellen Grundkurs.

Nach seinem Weggang übernahm der Leipziger Heisenbergschüler Bernhard Kockel das Theoretische Institut. Waldemar Ilberg, der bei Wiener promoviert und in der Firma Telefunken gearbeitet hatte, las die Experimentalphysik und erneuerte die Vorlesungsversuche. Als Direktor konnte er den Neubau des heutigen Instituts leiten, der abschnittsweise zwischen 1952 und 1956 erfolgte.

Während die Bibliotheksbestände weitgehend die Angriffe überstanden hatten, konnten nur wenige Apparaturen aus den Trümmern geborgen werden. Vieles musste neu angefertigt oder mühsam beschafft werden. Durch den großen Einsatz aller Mitarbeiter konnte allmählich der Anschluss an das internationale wissenschaftliche Leben wiederhergestellt werden.

Von 1954 bis 1961 wirkte Gustav Hertz als Institutsdirektor. Hertz war 1954 im Alter von 67 Jahren aus der Sowjetunion zurückgekehrt. Dort war er seit 1945 in Suchumi mit der großtechnischen Umsetzung seiner Isotopentrennmethode beschäftigt. Er hatte 1925 zusammen mit James Franck den Nobelpreis für die Elektronenstoßversuche erhalten, die eine experimentelle Bestätigung des Bohrschen Atommodells darstellten.

In Leipzig gab Hertz sein dreibändiges „Lehrbuch der Kernphysik“ heraus und nahm Einfluss auf die Entwicklung von Kernforschung und -technik in der DDR. Es ist seiner Persönlichkeit zu danken, dass zu einer Tagung der Physikalischen Gesellschaft der DDR im Frühjahr 1958 weltbekannte Physiker nach Leipzig kamen. So konnte er unter anderem Lise Meitner, Werner Heisenberg, Paul M. Dirac, Abram F. Joffe, Dimitri D. Iwanenko, Leopold Infeld und Alfred Kastler begrüßen.

Auch nach seiner Emeritierung im Jahr 1961 besuchte er mehrfach das Institut und hielt noch im hohen Alter (1973 und 1974) zwei Kolloquiumsvorträge. Sein 100. Geburtstag im Jahr 1987 war Anlass für eine eindrucksvolle Gedenkveranstaltung. Zu dieser hielten viele seiner Schüler aus Ost und West Vorträge. Schon 1985 hatte ein Symposium zum 150-jährigen Bestehen des Physikalischen Institutes stattgefunden, auf dem unter anderem Carl Friedrich von Weizsäcker sprach.

Große Verdienste um die Entwicklung der Leipziger Physik nach dem Zweiten Weltkrieg haben sich auch Werner Holzmüller (1912 – 2011), Artur Lösche (1921 – 1995) und Harry Pfeifer (1929 – 2008) erworben. Werner Holzmüller, ein Schüler von Peter Debye, arbeitete auf dem Gebiet der Technischen Physik, insbesondere der Polymerforschung. Zu den herausragenden wissenschaftlichen Leistungen zählen die von ihm bereits in den 1940er Jahren entwickelte Platzwechseltheorie und die darauf aufbauenden Arbeiten zur molekularen Deutung von Relaxationsvorgängen in Polymeren.

Artur Lösche und Harry Pfeifer haben mit ihren Schülern die von Bloch und Purcell begründete Hochfrequenzspektroskopie als Schwerpunkt im Physikalischen Institut unserer Universität etabliert und die bekannte Leipziger Schule auf diesem Gebiet begründet. Neben der breiten Anwendung der Methoden der Kern- und Elektronenspinresonanz auf Bereiche der Biophysik, Grenzflächenphysik, Festkörperphysik, Molekülphysik und Polymerphysik hat dazu auch das Buch „Kerninduktion“ von Arthur Lösche wesentlich beigetragen. Artur Lösche und Harry Pfeifer waren beide Schüler von Waldemar Ilberg. Harry Pfeifer war auch nach Eintritt in den Ruhestand auf dem Gebiet der Grenzflächenphysik noch sehr aktiv.

Auf Anregung von Gustav Hertz wurden Halbleiterphysik und Nukleare Festkörperphysik als wesentliche neue Gebiete der Experimentalphysik in Leipzig etabliert. Seit 1968 wurden grundlagen- und anwendungsorientierte Untersuchungen an Verbindungshalbleitern im Rahmen der interdisziplinären Arbeitsgemeinschaft „AIII-BV-Halbleiter“ gemeinsam mit Arbeitsgruppen der Chemischen Institute durchgeführt. Kernphysikalische Untersuchungen begannen 1955 und wurden unter Nutzung eines 2 MeV-van-de-Graaff-Beschleunigers insbesondere zur Stoff- und Strukturanalytik fortgesetzt.

Die gute Tradition der Leipziger Physik konnte so mit berechtigtem Stolz bewahrt werden, um auch den neuen Studierendengenerationen eine historisch begründete Richtschnur anzubieten.